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C語(yǔ)言

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C語(yǔ)言判定一棵二叉樹(shù)是否為二叉搜索樹(shù)的方法分析

來(lái)源:本站原創(chuàng)|時(shí)間:2020-01-10|欄目:C語(yǔ)言|點(diǎn)擊: 次

本文實(shí)例講述了C語(yǔ)言判定一棵二叉樹(shù)是否為二叉搜索樹(shù)的方法。分享給大家供大家參考,具體如下:

問(wèn)題

給定一棵二叉樹(shù),判定該二叉樹(shù)是否是二叉搜索樹(shù)(Binary Search Tree)?

解法1:暴力搜索

首先說(shuō)明一下二叉樹(shù)和二叉搜索樹(shù)的區(qū)別。二叉樹(shù)指這樣的樹(shù)結(jié)構(gòu),它的每個(gè)結(jié)點(diǎn)的孩子數(shù)目最多為2個(gè);二叉搜索樹(shù)是一種二叉樹(shù),但是它有附加的一些約束條件,這些約束條件必須對(duì)每個(gè)結(jié)點(diǎn)都成立:

  • 結(jié)點(diǎn)node的左子樹(shù)所有結(jié)點(diǎn)的值都小于node的值。
  • 結(jié)點(diǎn)node的右子樹(shù)所有結(jié)點(diǎn)的值都大于node的值。
  • 結(jié)點(diǎn)node的左右子樹(shù)同樣都必須是二叉搜索樹(shù)。

該問(wèn)題在面試中也許經(jīng)常問(wèn)到,考察的是對(duì)二叉搜索樹(shù)定義的理解。初看這個(gè)問(wèn)題,也許會(huì)想這樣來(lái)實(shí)現(xiàn):

假定當(dāng)前結(jié)點(diǎn)值為k。對(duì)于二叉樹(shù)中每個(gè)結(jié)點(diǎn),判斷其左孩子的值是否小于k,其右孩子的值是否大于k。如果所有結(jié)點(diǎn)都滿足該條件,則該二叉樹(shù)是一棵二叉搜索樹(shù)。

很不幸的是,這個(gè)算法是錯(cuò)誤的。考慮下面的二叉樹(shù),它符合上面算法的條件,但是它不是一棵二叉搜索樹(shù)。

     10
   /  \
  5   15     -------- binary tree (1)
     /  \
    6    20

那么,根據(jù)二叉搜索樹(shù)的定義,可以想到一種暴力搜索的方法來(lái)判定二叉樹(shù)是否為二叉搜索樹(shù)。

假定當(dāng)前結(jié)點(diǎn)值為k。則對(duì)于二叉樹(shù)中每個(gè)結(jié)點(diǎn),其左子樹(shù)所有結(jié)點(diǎn)的值必須都小于k,其右子樹(shù)所有結(jié)點(diǎn)的值都必須大于k。

暴力搜索算法代碼如下,雖然效率不高,但是它確實(shí)能夠完成工作。該解法最壞情況復(fù)雜度為O(n^2),n為結(jié)點(diǎn)數(shù)目。(當(dāng)所有結(jié)點(diǎn)都在一邊的時(shí)候出現(xiàn)最壞情況)

/*判斷左子樹(shù)的結(jié)點(diǎn)值是否都小于val*/
bool isSubTreeLessThan(BinaryTree *p, int val)
{
 if (!p) return true;
 return (p->data < val &&
     isSubTreeLessThan(p->left, val) &&
     isSubTreeLessThan(p->right, val));
}
/*判斷右子樹(shù)的結(jié)點(diǎn)值是否都大于val*/
bool isSubTreeGreaterThan(BinaryTree *p, int val)
{
 if (!p) return true;
 return (p->data > val &&
     isSubTreeGreaterThan(p->left, val) &&
     isSubTreeGreaterThan(p->right, val));
}
/*判定二叉樹(shù)是否是二叉搜索樹(shù)*/
bool isBSTBruteForce(BinaryTree *p)
{
 if (!p) return true;
 return isSubTreeLessThan(p->left, p->data) &&
     isSubTreeGreaterThan(p->right, p->data) &&
     isBSTBruteForce(p->left) &&
     isBSTBruteForce(p->right);
}

一個(gè)類似的解法是:對(duì)于結(jié)點(diǎn)node,判斷其左子樹(shù)最大值是否大于node的值,如果是,則該二叉樹(shù)不是二叉搜索樹(shù)。如果不是,則接著判斷右子樹(shù)最小值是否小于或等于node的值,如果是,則不是二叉搜索樹(shù)。如果不是則接著遞歸判斷左右子樹(shù)是否是二叉搜索樹(shù)。(代碼中的maxValue和minValue函數(shù)功能分別是返回二叉樹(shù)中的最大值和最小值,這里假定二叉樹(shù)為二叉搜索樹(shù),實(shí)際返回的不一定是最大值和最小值)

int isBST(struct node* node)
{
 if (node==NULL) return(true);
 //如果左子樹(shù)最大值>=當(dāng)前node的值,則返回false
 if (node->left!=NULL && maxValue(node->left) >= node->data)
  return(false);
 // 如果右子樹(shù)最小值<=當(dāng)前node的值,返回false
 if (node->right!=NULL && minValue(node->right) <= node->data)
  return(false);
 // 如果左子樹(shù)或者右子樹(shù)不是BST,返回false
 if (!isBST(node->left) || !isBST(node->right))
  return(false);
 // 通過(guò)所有測(cè)試,返回true
 return(true);
}

解法2:更好的解法

以前面提到的binary tree(1)為例,當(dāng)我們從結(jié)點(diǎn)10遍歷到右結(jié)點(diǎn)15時(shí),我們知道右子樹(shù)結(jié)點(diǎn)值肯定都在10和+INFINITY(無(wú)窮大)之間。當(dāng)我們遍歷到結(jié)點(diǎn)15的左孩子結(jié)點(diǎn)6時(shí),我們知道結(jié)點(diǎn)15的左子樹(shù)結(jié)點(diǎn)值都必須在10到15之間。顯然,結(jié)點(diǎn)6不符合條件,因此它不是一棵二叉搜索樹(shù)。該算法代碼如下:

int isBST2(struct node* node)
{
   return(isBSTUtil(node, INT_MIN, INT_MAX));
}
/*
給定的二叉樹(shù)是BST則返回true,且它的值 >min 以及 < max.
*/
int isBSTUtil(struct node* node, int min, int max)
{
   if (node==NULL) return(true);
   // 如果不滿足min和max約束,返回false
   if (node->data<=min || node->data>=max) return(false);
   // 遞歸判斷左右子樹(shù)是否滿足min和max約束條件
   return
     isBSTUtil(node->left, min, node->data) &&
     isBSTUtil(node->right, node->data, max)
   );
}

由于該算法只需要訪問(wèn)每個(gè)結(jié)點(diǎn)1次,因此時(shí)間復(fù)雜度為O(n),比解法1效率高很多。

解法3:中序遍歷算法

因?yàn)橐豢枚嫠阉鳂?shù)的中序遍歷后其結(jié)點(diǎn)值是從小到大排好序的,所以依此給出下面的解法。該解法時(shí)間復(fù)雜度也是O(n)。

bool isBSTInOrder(BinaryTree *root)
{
 int prev = INT_MIN;
 return isBSTInOrderHelper(root, prev);
}
/*該函數(shù)判斷二叉樹(shù)p是否是一棵二叉搜索樹(shù),且其結(jié)點(diǎn)值都大于prev*/
bool isBSTInOrderHelper(BinaryTree *p, int& prev)
{
 if (!p) return true;
 if (isBSTInOrderHelper(p->left, prev)) { // 如果左子樹(shù)是二叉搜索樹(shù),且結(jié)點(diǎn)值都大于prev
  if (p->data > prev) { //判斷當(dāng)前結(jié)點(diǎn)值是否大于prev,因?yàn)榇藭r(shí)prev已經(jīng)設(shè)置為已經(jīng)中序遍歷過(guò)的結(jié)點(diǎn)的最大值。
   prev = p->data;
   return isBSTInOrderHelper(p->right, prev); //若結(jié)點(diǎn)值大于prev,則設(shè)置prev為當(dāng)前結(jié)點(diǎn)值,并判斷右子樹(shù)是否二叉搜索樹(shù)且結(jié)點(diǎn)值都大于prev。
  } else {
   return false;
  }
 }
 else {
  return false;
 }
}

希望本文所述對(duì)大家C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)有所幫助。

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