【数据结构】（C语言）：二叉搜索树（不使用递归）

二叉搜索树：

• 非线性的，树是层级结构。
• 基本单位是节点，每个节点最多2个子节点。
• 有序。每个节点，其左子节点都比它小，其右子节点都比它大。
• 每个子树都是一个二叉搜索树。每个节点及其所有子节点形成子树。
• 可以是空树。

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C语言实现：（使用链表实现，不使用递归）

 创建结构体数据类型（记录二叉搜索树的根节点和数据个数）：

typedef struct Link
{LinkNode *root;            // 根节点int length;                // 统计有多少数据
} LinkBST;                     // 别名

创建二叉搜索树，并初始化：

LinkBST bst;
bst.root = NULL;    // 根节点，初始化为NULL
bst.length = 0;     // 数据个数，初始化为0

创建节点（结构体数据类型），并创建具体节点实例的函数：

// 节点（结构体数据类型）
typedef struct Node
{int value;                // 数据类型为整型struct Node *left;        // 左子节点struct Node *right;       // 右子节点
} LinkNode;                   // 别名

// 函数：创建节点
LinkNode *createNode(int data)
{LinkNode *node = (LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));    // 分配节点内存空间if(node == NULL){perror("Memory allocation failed");exit(-1);}node->value = data;    // 数据node->left = NULL;     // 左子节点，初始化为NULLnode->right = NULL;    // 右子节点，初始化为NULLreturn node;
}

添加元素：

从根节点开始，比对数值。若比它小，往左子树比对；若比它大，往右子树比对；直到找到为空，则为新元素的位置。

void add(LinkBST *bst, int data)	// add a element to the tree
{LinkNode *newNode = createNode(data);// 若是空树，根节点就是新节点if(bst->root == NULL){bst->root = newNode;bst->length++;return ;}// 非空树，比根节点数值小，往左边比对，比根节点数值大，往右边比对LinkNode *cur = bst->root;while(1){if(data == cur->value) return ;if(data < cur->value){if(cur->left == NULL){cur->left = newNode;bst->length++;return ;}cur = cur->left;}else if(data > cur->value){if(cur->right == NULL){cur->right = newNode;bst->length++;return ;}cur = cur->right;}}
}

删除元素：

• 若删除的节点为叶子节点（即无子节点），则直接删除。
• 若删除的节点只有左子节点，则左子节点替代删除节点。
• 若删除的节点只有右子节点，则右子节点替代删除节点。
• 若删除的节点既有左子节点又有右子节点，则找到直接前驱（即删除节点的左子树中的最大值，即删除节点的左子节点的最右节点），直接前驱的值替代删除节点的值，删除直接前驱节点。

void delete(LinkBST *bst,int data)	// delete a element from the tree
{// 函数：删除节点的具体操作LinkNode *del(LinkNode *node){// 只有右子节点，右子节点替代删除节点if(node->left == NULL){bst->length--;return node->right;}// 只有左子节点，左子节点替代删除节点if(node->right == NULL){bst->length--;return node->left;}// 左右子节点都有，直接前驱(左子节点的最右节点,即左子树中最大值)替代删除节点,删除直接前驱if(node->left && node->right){LinkNode *tmp = node, *cur = node->left;while(cur->right){tmp = cur;cur = cur->right;}node->value = cur->value;bst->length--;if(tmp != node) tmp->right = cur->left;else tmp->left = cur->left;return node;}}// 函数：找到删除节点void delNode(int data){LinkNode *parent, *cur = bst->root;while(1){if(cur == NULL) return ;if(data == cur->value){// 删除节点若是根节点，根节点接收删除后的节点if(cur == bst->root) bst->root = del(cur);// 删除节点若是左子节点，父节点的左子节点接收删除后的节点else if(data < parent->value) parent->left = del(cur);// 删除节点若是右子节点，父节点的右子节点接收删除后的节点else if(data > parent->value) parent->right = del(cur);return ;}if(data < cur->value){parent = cur;cur = cur->left;}else if(data > cur->value){parent = cur;cur = cur->right;}}}// 空树，直接退出程序if(bst->root == NULL) return ;delNode(data);
}

遍历元素：

前序遍历：（顺序：根节点、左子节点、右子节点）

使用数组实现栈（后进先出），数量：一个栈。

1、起始栈中元素为根节点。2、栈中元素依次出栈（并打印），找到元素的右节点和左节点依次入栈（注意：先右后左）。3、重复2，直到栈为空。

void pretraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(root,left,right)
{LinkNode *cur = NULL;// 指针数组(数组元素是指针),实现栈(后进先出)LinkNode *arr[bst->length];int n = 1;arr[n-1] = bst->root;printf("pretravel: ");while(n != 0){cur = arr[n-1];printf("%d  ", cur->value);n--;if(cur->right){arr[n] = cur->right;n++;}if(cur->left){arr[n] = cur->left;n++;}}printf("\n");
}

中序遍历：（顺序：左子节点、根节点、右子节点）

使用数组实现栈（后进先出），数量：一个栈。

1、从根节点开始遍历，根节点入栈。2、找左节点依次入栈，找到最左节点后，栈中元素依次出栈（并打印），找右节点入栈。3、重复2，直到节点不存在或者栈为空。

void midtraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(left,root,right)
{printf("midtravel: ");LinkNode *cur = bst->root;// 指针数组(数组元素是指针),实现栈(后进先出)LinkNode *arr[bst->length];int n = 0;while(cur || n != 0){if(cur){arr[n] = cur;n++;cur = cur->left;}else{cur = arr[n-1];printf("%d  ", cur->value);n--;cur = cur->right;}}printf("\n");
}

后序遍历：（顺序：左子节点、右子节点、根节点）

使用数组实现栈（后进先出），数量：两个栈（辅助栈，目标栈）。

1、辅助栈中起始元素为根节点。2、辅助栈中元素依次出栈（并入栈目标栈），找到元素的左节点和右节点依次入栈辅助栈（注意：先左后右）。3、重复2，直到辅助栈为空。4、遍历目标栈，并打印。

void posttraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(left,right,root)
{LinkNode *cur = NULL;// 指针数组(数组元素是指针),实现栈(后进先出)LinkNode *arr[bst->length];    // 辅助栈LinkNode *brr[bst->length];    // 目标栈int n = 1, m = 0;arr[n-1] = bst->root;while(n != 0){	cur = brr[m] = arr[n-1];    // 辅助栈出栈，目标栈入栈n--;m++;if(cur->left){arr[n] = cur->left;    // 辅助栈入栈n++;}if(cur->right){arr[n] = cur->right;    // 辅助栈入栈n++;}}// 遍历目标栈printf("posttravel: ");for(int i = m - 1; i >= 0; i--){printf("%d  ", brr[i]->value);}printf("\n");
}

广度遍历（层级遍历）：

使用链表实现队列（先进先出），数量：一个队列。

1、队列中起始元素为根节点。2、队列中元素依次从队头出队（并打印），找到元素的左节点和右节点依次从队尾入队（注意：先左后右）。3、重复2，直到队列为空。

void breadthtraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(levels)
{printf("threadtravel: ");// 链表：实现队列(先进先出)，注：链表的函数在bstqueue.c(完整代码中展示)Queue queue;queue.header = createQnode(bst->root);    // 头指针，指向第一个元素queue.tail = NULL;                        // 尾指针，指向最后一个元素LinkNode *cur = NULL;while(queue.header){cur = queue.header->bstnode;printf("%d  ", cur->value);popQnode(&queue);                    // 从队头出队(函数在bstqueue.c)if(cur->left){addQnode(&queue, cur->left);    // 从队尾入队(函数在bstqueue.c)}if(cur->right){addQnode(&queue, cur->right);    // 从队尾入队(函数在bstqueue.c)}}printf("\n");
}

查找元素：

从根节点开始，比对数值。若比它小，往左子树查找；若比它大，往右子树查找；直到找到该元素，则返回1（true），若没有，则返回0（false）。

int find(LinkNode *node, int data)	// if find data,return 1(true),or return 0(false)
{LinkNode *cur = node;while(cur){if(data == cur->value) return 1;if(data < cur->value) cur = cur->left;else if(data > cur->value) cur = cur->right;}return 0;
}

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完整代码：（bstree.c，bstqueue.c（链表实现的队列，用于广度遍历））

// bstree.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "bstqueue.c"    // 引入链表实现的队列，用于广度遍历/* structure */
typedef struct Node		// node of the binary search tree(bst)
{int value;		    // data type is integerstruct Node *left;	// left child nodestruct Node *right;	// right child node
} LinkNode;typedef struct Link		//bst(Linkedlist)
{LinkNode *root;		// root nodeint length;		    // the number of the tree
} LinkBST;/* function prototype */
void add(LinkBST *, int);	    // add a element
void delete(LinkBST *,int);	    // delete a element
void pretraverse(LinkBST *);	// show element one by one,(root,left,right)
void midtraverse(LinkBST *);	// show element one by one,(left,root,right)
void posttraverse(LinkBST *);	// show element one by one,(left,right,root)
void breadthtraverse(LinkBST *);	// show element one by one,(levels)
int find(LinkNode *, int);	    // if find data,return 1(true),or return 0(false)/* main function */
int main(void)
{// create binary search tree and initializationLinkBST bst;bst.root = NULL;bst.length = 0;printf("isempty(1:true, 0:false): %d, length is %d\n", bst.root==NULL, bst.length);add(&bst, 15);add(&bst, 8);add(&bst, 23);add(&bst, 19);add(&bst, 10);add(&bst, 6);add(&bst, 9);add(&bst, 12);printf("isempty(1:true, 0:false): %d, length is %d\n", bst.root==NULL, bst.length);pretraverse(&bst);midtraverse(&bst);posttraverse(&bst);breadthtraverse(&bst);printf("find 10(1:true, 0:false): %d\n", find(bst.root, 10));printf("find 11(1:true, 0:false): %d\n", find(bst.root, 11));delete(&bst, 23);delete(&bst, 15);delete(&bst, 6);printf("isempty(1:true, 0:false): %d, length is %d\n", bst.root==NULL, bst.length);pretraverse(&bst);midtraverse(&bst);posttraverse(&bst);breadthtraverse(&bst);return 0;
}/* subfunction */
LinkNode *createNode(int data)		// create a node of the binary search tree
{LinkNode *node = (LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));if(node == NULL){perror("Memory allocation failed");exit(-1);}node->value = data;node->left = NULL;node->right = NULL;return node;
}void add(LinkBST *bst, int data)	// add a element to the tree
{LinkNode *newNode = createNode(data);// if empty, root is newNodeif(bst->root == NULL){bst->root = newNode;bst->length++;return ;}// if not empty, smaller,to left, biger,to rightLinkNode *cur = bst->root;while(1){if(data == cur->value) return ;if(data < cur->value){if(cur->left == NULL){cur->left = newNode;bst->length++;return ;}cur = cur->left;}else if(data > cur->value){if(cur->right == NULL){cur->right = newNode;bst->length++;return ;}cur = cur->right;}}
}void delete(LinkBST *bst,int data)	// delete a element from the tree
{// subfunction: delete the nodeLinkNode *del(LinkNode *node){// if only right child, return right child nodeif(node->left == NULL){bst->length--;return node->right;}// if only left child, return left child nodeif(node->right == NULL){bst->length--;return node->left;}// both left and right, the max on the left replace the delete node and delete itif(node->left && node->right){LinkNode *tmp = node, *cur = node->left;while(cur->right){tmp = cur;cur = cur->right;}node->value = cur->value;bst->length--;if(tmp != node) tmp->right = cur->left;else tmp->left = cur->left;return node;}}// subfunction: find the delete nodevoid delNode(int data){LinkNode *parent, *cur = bst->root;while(1){if(cur == NULL) return ;if(data == cur->value){// delete node is root,root receive the node after deleteif(cur == bst->root) bst->root = del(cur);// delete node is left,left child of parent receive the node after deleteelse if(data < parent->value) parent->left = del(cur);//delete node is right,right child of parent receive the node after deleteelse if(data > parent->value) parent->right = del(cur);return ;}if(data < cur->value){parent = cur;cur = cur->left;}else if(data > cur->value){parent = cur;cur = cur->right;}}}if(bst->root == NULL) return ;delNode(data);
}void pretraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(root,left,right)
{LinkNode *cur = NULL;// pointer array(stack:LIFO): array, each element is a pointer(point to node)LinkNode *arr[bst->length];int n = 1;arr[n-1] = bst->root;printf("pretravel: ");while(n != 0){cur = arr[n-1];printf("%d  ", cur->value);n--;if(cur->right){arr[n] = cur->right;n++;}if(cur->left){arr[n] = cur->left;n++;}}printf("\n");
}void midtraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(left,root,right)
{printf("midtravel: ");LinkNode *cur = bst->root;// pointer array(stack:LIFO): array, each element is a pointer(point to node)LinkNode *arr[bst->length];int n = 0;while(cur || n != 0){if(cur){arr[n] = cur;n++;cur = cur->left;}else{cur = arr[n-1];printf("%d  ", cur->value);n--;cur = cur->right;}}printf("\n");
}void posttraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(left,right,root)
{LinkNode *cur = NULL;// pointer array(stack:LIFO): array, each element is a pointer(point to node)LinkNode *arr[bst->length];LinkNode *brr[bst->length];int n = 1, m = 0;arr[n-1] = bst->root;while(n != 0){	cur = brr[m] = arr[n-1];n--;m++;if(cur->left){arr[n] = cur->left;n++;}if(cur->right){arr[n] = cur->right;n++;}}printf("posttravel: ");for(int i = m - 1; i >= 0; i--){printf("%d  ", brr[i]->value);}printf("\n");
}void breadthtraverse(LinkBST *bst)	// show element one by one,(levels)
{printf("threadtravel: ");// queue(FIFO): use Linkedlist implementQueue queue;queue.header = createQnode(bst->root);queue.tail = NULL;LinkNode *cur = NULL;while(queue.header){cur = queue.header->bstnode;printf("%d  ", cur->value);popQnode(&queue);if(cur->left){addQnode(&queue, cur->left);}if(cur->right){addQnode(&queue, cur->right);}}printf("\n");
}int find(LinkNode *node, int data)	// if find data,return 1(true),or return 0(false)
{LinkNode *cur = node;while(cur){if(data == cur->value) return 1;if(data < cur->value) cur = cur->left;else if(data > cur->value) cur = cur->right;}return 0;
}

// bstqueue.c
#include <stdlib.h>/* structure */
typedef struct queueNode	// node of the queue
{void *bstnode;			// data type is bst nodestruct queueNode *next;	// point to next node
} Qnode;typedef struct queue		// queue(Linkedlist)
{Qnode *header;		    // point to the top nodeQnode *tail;		    // point to the last node
} Queue;/* subfunction */
Qnode *createQnode(void *bstnode)	// create a node of the queue
{Qnode *node = (Qnode *)malloc(sizeof(Qnode));if(node == NULL){perror("Memory allocation failed");exit(-1);}node->bstnode = bstnode;node->next = NULL;return node;
}void addQnode(Queue *queue, void *node)	// add a element to the end of the queue
{Qnode *qnode = createQnode(node);if(queue->tail == NULL) queue->tail = queue->header = qnode;else{queue->tail->next = qnode;queue->tail = qnode;}
}void popQnode(Queue *queue)		// delete a element from the top of the queue
{queue->header = queue->header->next;if(queue->header == NULL) queue->tail = NULL;
}

编译链接： gcc -o bstree bstree.c

执行可执行文件： ./bstree