====================博客补充====================================================
摘要
书中第10章10.4小节介绍了有根树，简单介绍了二叉树和分支数目无限制的有根树的存储结构，而没有关于二叉树的遍历过程。为此对二叉树做个简单的总结，介绍一下二叉树基本概念、性质、二叉树的存储结构和遍历过程，主要包括先根遍历、中根遍历、后根遍历和层次遍历。
1、二叉树的定义
二叉树（Binary Tree）是一种特殊的树型结构，每个节点至多有两棵子树，且二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒。
由定义可知，二叉树中不存在度（结点拥有的子树数目）大于2的节点。二叉树形状如下下图所示：
2、二叉树的性质
（1）在二叉树中的第i层上至多有2^(i-1)个结点（i>=1)。备注:^表示此方
（2）深度为k的二叉树至多有2^k-1个节点（k>=1)。
（3）对任何一棵二叉树T，如果其终端结点数目为n0，度为2的节点数目为n2，则n0=n2+1。
满二叉树：深度为k且具有2^k-1个结点的二叉树。即满二叉树中的每一层上的结点数都是最大的结点数。
完全二叉树：深度为k具有n个结点的二叉树，当且仅当每一个结点与深度为k的满二叉树中的编号从1至n的结点一一对应。
可以得到一般结论：满二叉树和完全二叉树是两种特殊形态的二叉树，满二叉树肯定是完全二叉树，但完全二叉树不不一定是满二叉树。
举例如下图是所示：
（4）具有n个节点的完全二叉树的深度为log2n + 1。
3、二叉树的存储结构
可以采用顺序存储数组和链式存储二叉链表两种方法来存储二叉树。经常使用的二叉链表方法，因为其非常灵活，方便二叉树的操作。二叉树的二叉链表存储结构如下所示：
1 typedef struct binary_tree_node
2 {
3 int elem;
4 struct binary_tree_node *left;
5 struct binary_tree_node *right;
6 }binary_tree_node,*binary_tree;
举例说明二叉链表存储过程，如下图所示：
从图中可以看出：在还有n个结点的二叉链表中有n+1个空链域。
4、遍历二叉树
遍历二叉树是按照指定的路径方式访问书中每个结点一次，且仅访问一次。由二叉树的定义，我们知道二叉数是由根结点、左子树和右子树三部分构成的。通常遍历二叉树是从左向右进行，因此可以得到如下最基本的三种遍历方法：
（1）先根遍历（先序遍历）：如果二叉树为空，进行空操作；否则，先访问根节点，然后先根遍历左子树，最后先根遍历右子树。采用递归形式实现代码如下：
1 void preorder_traverse_recursive(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 printf("%d\t",root->elem);
6 preorder_traverse_recursive(root->left);
7 preorder_traverse_recursive(root->right);
8 }
9 }
具体过程如下图所示：
（2）中根遍历（中序遍历）：如果二叉树为空，进行空操作；否则，先中根遍历左子树，然后访问根结点，最后中根遍历右子树。递归过程实现代码如下：
1 void inorder_traverse_recursive(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 inorder_traverse_recursive(root->left);
6 printf("%d\t",root->elem);
7 inorder_traverse_recursive(root->right);
8 }
9 }
具体过程如下图所示：
（3）后根遍历（后序遍历）：如果二叉树为空，进行空操作；否则，先后根遍历左子树，然后后根遍历右子树，最后访问根结点。递归实现代码如下：
1 void postorder_traverse_recursive(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 postorder_traverse_recursive(root->left);
6 postorder_traverse_recursive(root->right);
7 printf("%d\t",root->elem);
8 }
9 }
具体过程如下图所示：
写一个完整的程序练习二叉树的三种遍历，采用递归形式创建二叉树，然后以递归的形式遍历二叉树，后面会接着讨论如何使用非递归形式实现这三种遍历，程序采用C语言实现，完整程序如下：
#include <iostream>
#include <stack>
#include <queue>
#include <cstdlib>
using namespace std;
typedef struct binary_tree_node
{
int elem;
struct binary_tree_node *left;
struct binary_tree_node *right;
}binary_tree_node,*binary_tree;
void init_binary_tree(binary_tree *root);
void create_binary_tree(binary_tree *root);
void preorder_traverse(binary_tree root);
void inorder_traverse(binary_tree root);
void inorder_traverse_two(binary_tree root);
void postorder_traverse(binary_tree root);
void levelorder_traverse(binary_tree root);
int main()
{
binary_tree root;
create_binary_tree(&root);
cout<<"preodrer traverse: ";
preorder_traverse(root);
cout<<"\ninodrer traverse: ";
inorder_traverse_two(root);
cout<<"\npostodrer traverse: ";
postorder_traverse(root);
cout<<"\nleverorder traverse: ";
levelorder_traverse(root);
exit(0);
}
void init_binary_tree(binary_tree *root)
{
*root = NULL;
}
void create_binary_tree(binary_tree* root)
{
int elem;
cout<<"Enter the node value(0 is end): ";
cin>>elem;
if(elem == 0)
*root = NULL;
else
{
*root = (binary_tree)malloc(sizeof(binary_tree_node));
if(NULL == root)
{
cout<<"malloc error.\n";
exit(-1);
}
(*root)->elem = elem;
cout<<"Creating the left child node.\n";
create_binary_tree(&((*root)->left));
cout<<"Createing the right child node.\n";
create_binary_tree(&((*root)->right));
}
}
void preorder_traverse(binary_tree root)
{
if(NULL != root)
{
stack<binary_tree_node*> s;
binary_tree_node *ptmpnode;
s.push(root);
while(!s.empty())
{
ptmpnode = s.top();
cout<<ptmpnode->elem<<" ";
s.pop();
if(NULL != ptmpnode->right)
s.push(ptmpnode->right);
if(NULL != ptmpnode->left)
s.push(ptmpnode->left);
}
}
}
void inorder_traverse(binary_tree root)
{
if(NULL != root)
{
stack<binary_tree_node*> s;
binary_tree_node *ptmpnode;
s.push(root);
while(!s.empty())
{
ptmpnode = s.top();
while(NULL != ptmpnode)
{
s.push(ptmpnode->left);
ptmpnode = s.top();
}
s.pop();
if(!s.empty())
{
ptmpnode = s.top();
cout<<ptmpnode->elem<<" ";
s.pop();
s.push(ptmpnode->right);
}
}
}
}
void inorder_traverse_two(binary_tree root)
{
if(NULL != root)
{
stack<binary_tree_node*> s;
binary_tree_node *ptmpnode;
ptmpnode = root;
while(NULL != ptmpnode || !s.empty())
{
//将左子树结点入栈
if(NULL != ptmpnode)
{
s.push(ptmpnode);
ptmpnode = ptmpnode->left;
}
else
{
//出栈遍历
ptmpnode = s.top();
s.pop();
cout<<ptmpnode->elem<<" ";
//右子树结点
ptmpnode = ptmpnode->right;
}
}
}
}
void postorder_traverse(binary_tree root)
{
if(NULL != root)
{
stack<binary_tree_node*> s;
binary_tree_node *ptmpnode;
int flags[100];
ptmpnode = root;
while(NULL != ptmpnode || !s.empty())
{
//将结点左子树结点入栈
while(NULL != ptmpnode)
{
s.push(ptmpnode);
flags[s.size()] = 0; //标记未访问
ptmpnode=ptmpnode->left;
}
//输出访问的结点
while(!s.empty() && flags[s.size()] == 1)
{
ptmpnode = s.top();
s.pop();
cout<<ptmpnode->elem<<" ";
}
//从右子树开始遍历
if(!s.empty())
{
ptmpnode = s.top();
flags[s.size()] = 1; //登记访问了
ptmpnode = ptmpnode->right;
}
else
break;
}
}
}
void levelorder_traverse(binary_tree root)
{
if(NULL != root)
{
queue<binary_tree_node*> q;
binary_tree_node *ptmpnode;
q.push(root);
while(!q.empty())
{
ptmpnode = q.front();
q.pop();
cout<<ptmpnode->elem<<" ";
if(NULL != ptmpnode->left)
q.push(ptmpnode->left);
if(NULL != ptmpnode->right)
q.push(ptmpnode->right);
}
}
}程序测试结果如下：
现在来讨论一下如何采用非递归实现这以上三种遍历。将递归形式转换为非递归形式，引入了额外的辅助结构栈。另外在讨论一次二叉树的层次遍历，可以借助队列进行实现。具体讨论如下：
（1）先根遍历非递归实现
先根遍历要求顺序是根左右，可以借助栈s来实现。先将根root入栈，然后循环判断s是否为空，非空则将结点出栈，记为节点p，然后依次先将结点p的右子树结点入栈，然后将结点p的左子树结点入栈，循环操作直到栈中所有元素都出栈为止，出栈顺序即是先根遍历的结果。采用C++中模板库stack实现先根遍历如下：
1 void preorder_traverse(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 stack<binary_tree_node*> s;
6 binary_tree_node *ptmpnode;
7 s.push(root);
8 while(!s.empty())
9 {
10 ptmpnode = s.top();
11 cout<<ptmpnode->elem<<" ";
12 s.pop();
13 if(NULL != ptmpnode->right)
14 s.push(ptmpnode->right);
15 if(NULL != ptmpnode->left)
16 s.push(ptmpnode->left);
17
18 }
19 }
20 }
（2）中根遍历非递归实现
中根遍历要求顺序是左根右，借助栈s实现。先将根root入栈，接着从根root开始查找最左的子孩子结点直到为空为止，然后将空节点出栈，再将左子树节点出栈遍历，然后判断该左子树的右子树节点入栈。循环此过程，直到栈为空为止。此时需要注意的是入栈过程中空结点也入栈了，用以判断左孩子是否结束和左孩子是否有右孩子结点。采用C++中模板库stack实现先根遍历如下：
1 void inorder_traverse(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 stack<binary_tree_node*> s;
6 binary_tree_node *ptmpnode;
7 s.push(root);
8 while(!s.empty())
9 {
10 ptmpnode = s.top();
11 while(NULL != ptmpnode)
12 {
13 s.push(ptmpnode->left);
14 ptmpnode = s.top();
15 }
16 s.pop();//空结点出栈
17 if(!s.empty())
18 {
19 ptmpnode = s.top();
20 cout<<ptmpnode->elem<<" ";
21 s.pop();
22 //右子树结点如栈
23 s.push(ptmpnode->right);
24 }
25 }
26 }
27 }
另外一种简洁的实现方法如下：
1 void inorder_traverse_two(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 stack<binary_tree_node*> s;
6 binary_tree_node *ptmpnode;
7 ptmpnode = root;
8 while(NULL != ptmpnode || !s.empty())
9 {
10 //将左子树结点入栈
11 if(NULL != ptmpnode)
12 {
13 s.push(ptmpnode);
14 ptmpnode = ptmpnode->left;
15 }
16 else
17 {
18 //出栈遍历
19 ptmpnode = s.top();
20 s.pop();
21 cout<<ptmpnode->elem<<" ";
22 //右子树结点
23 ptmpnode = ptmpnode->right;
24 }
25 }
26 }
27 }
（3）后根遍历递归实现
后根遍历要求访问顺序是左右根，采用辅助栈实现时，需要一个标记，判断结点是否访问了，因为右子树是通过跟结点的信息得到的。实现过程是先将根结点及其左子树入栈，并初始标记为0，表示没有访问，然后通过判断栈是否为空和标记的值是否为1来判断是否访问元素。
参考：http://www.cnblogs.com/hicjiajia/archive/2010/08/27/1810055.html
采用C++模板库stack具体实现程序如下：
1 void postorder_traverse(binary_tree root) 2 { 3 if(NULL != root) 4 { 5 stack<binary_tree_node*> s; 6 binary_tree_node *ptmpnode; 7 int flags[100]; 8 ptmpnode = root; 9 while(NULL != ptmpnode || !s.empty()) 10 { 11 //将结点左子树结点入栈 12 while(NULL != ptmpnode) 13 { 14 s.push(ptmpnode); 15 flags[s.size()] = 0; //标记未访问 16 ptmpnode=ptmpnode->left; 17 } 18 //输出访问的结点 19 while(!s.empty() && flags[s.size()] == 1) 20 { 21 ptmpnode = s.top(); 22 s.pop(); 23 cout<<ptmpnode->elem<<" "; 24 } 25 //从右子树开始遍历 26 if(!s.empty()) 27 { 28 ptmpnode = s.top(); 29 flags[s.size()] = 1; //登记访问了 30 ptmpnode = ptmpnode->right; 31 } 32 else 33 break; 34 } 35 } 36 }
（4）层次遍历实现
层次遍历要求从根向下、从左向右进行访问，可以采用队列实现。先将根入队，然后队列进程出队操作访问结点p，再将结点p的左子树和右子树结点入队，循环执行此过程直到队列为空。出队顺序即是层次遍历结果。采用C++的模板库queue实现如下：
1 void levelorder_traverse(binary_tree root)
2 {
3 if(NULL != root)
4 {
5 queue<binary_tree_node*> q;
6 binary_tree_node *ptmpnode;
7 q.push(root);
8 while(!q.empty())
9 {
10 ptmpnode = q.front();
11 q.pop();
12 cout<<ptmpnode->elem<<" ";
13 if(NULL != ptmpnode->left)
14 q.push(ptmpnode->left);
15 if(NULL != ptmpnode->right)
16 q.push(ptmpnode->right);
17 }
18 }
19 }
综合上面的分析过程写个完整的程序测试二叉树遍历的非递归实现，采用C++语言，借助stack和queue实现，完整程序如下所示：
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程序测试结果如下：
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