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二叉树结构与遍历算法实现

访客 技术 2026年6月9日 1

二叉树基本概念

二叉树是每个节点最多包含两个子节点的树形结构,具有递归定义特性:可为空树,或由根节点及其左右子树构成。

  • 满二叉树:除叶子节点外所有节点都有两个子节点
  • 完全二叉树:节点按层级顺序排列,最后一层节点左对齐
  • 二叉搜索树:左子节点值小于根节点,右子节点值大于根节点
  • 平衡二叉树:任意节点左右子树高度差不超过1

二叉树构建方法

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>

struct BinaryNode {
    std::string element;
    BinaryNode* lchild;
    BinaryNode* rchild;
    BinaryNode() : element(""), lchild(nullptr), rchild(nullptr) {}
    BinaryNode(std::string elem) : element(elem), lchild(nullptr), rchild(nullptr) {}
};

BinaryNode* constructTree(const std::vector<std::string>& elements) {
    if(elements.empty()) return nullptr;
    
    BinaryNode* root = new BinaryNode(elements[0]);
    std::queue<BinaryNode*> nodeQueue;
    nodeQueue.push(root);
    int pos = 1, total = elements.size();
    
    while(pos < total) {
        BinaryNode* curr = nodeQueue.front();
        nodeQueue.pop();
        
        if(pos < total) {
            curr->lchild = new BinaryNode(elements[pos]);
            nodeQueue.push(curr->lchild);
            pos++;
        }
        if(pos < total) {
            curr->rchild = new BinaryNode(elements[pos]);
            nodeQueue.push(curr->rchild);
            pos++;
        }
    }
    return root;
}

前序遍历

访问顺序:根节点 → 左子树 → 右子树

前序遍历示例

遍历结果:ABDGHCEIF

递归实现

void preOrderVisit(BinaryNode* node, std::vector<std::string>& output) {
    if(!node) return;
    output.push_back(node->element);
    preOrderVisit(node->lchild, output);
    preOrderVisit(node->rchild, output);
}

迭代实现

void iterativePreOrder(BinaryNode* root, std::vector<std::string>& output) {
    if(!root) return;
    
    std::stack<BinaryNode*> nodeStack;
    nodeStack.push(root);
    
    while(!nodeStack.empty()) {
        BinaryNode* curr = nodeStack.top();
        nodeStack.pop();
        output.push_back(curr->element);
        
        if(curr->rchild) nodeStack.push(curr->rchild);
        if(curr->lchild) nodeStack.push(curr->lchild);
    }
}

中序遍历

访问顺序:左子树 → 根节点 → 右子树

遍历结果:GDHBAEICF

递归实现

void inOrderVisit(BinaryNode* node, std::vector<std::string>& output) {
    if(!node) return;
    inOrderVisit(node->lchild, output);
    output.push_back(node->element);
    inOrderVisit(node->rchild, output);
}

迭代实现

void iterativeInOrder(BinaryNode* root, std::vector<std::string>& output) {
    std::stack<BinaryNode*> nodeStack;
    BinaryNode* curr = root;
    
    while(curr || !nodeStack.empty()) {
        while(curr) {
            nodeStack.push(curr);
            curr = curr->lchild;
        }
        curr = nodeStack.top();
        nodeStack.pop();
        output.push_back(curr->element);
        curr = curr->rchild;
    }
}

后序遍历

访问顺序:左子树 → 右子树 → 根节点

遍历结果:GHDBIEFCA

递归实现

void postOrderVisit(BinaryNode* node, std::vector<std::string>& output) {
    if(!node) return;
    postOrderVisit(node->lchild, output);
    postOrderVisit(node->rchild, output);
    output.push_back(node->element);
}

迭代实现

void iterativePostOrder(BinaryNode* root, std::vector<std::string>& output) {
    if(!root) return;
    
    std::stack<BinaryNode*> nodeStack;
    nodeStack.push(root);
    
    while(!nodeStack.empty()) {
        BinaryNode* curr = nodeStack.top();
        nodeStack.pop();
        output.push_back(curr->element);
        
        if(curr->lchild) nodeStack.push(curr->lchild);
        if(curr->rchild) nodeStack.push(curr->rchild);
    }
    std::reverse(output.begin(), output.end());
}

层序遍历

按层级从上到下访问节点

层序遍历示例

遍历结果:ABCDEFGHI

std::vector<std::vector<std::string>> levelOrderVisit(BinaryNode* root) {
    std::queue<BinaryNode*> nodeQueue;
    std::vector<std::vector<std::string>> result;
    
    if(root) nodeQueue.push(root);
    
    while(!nodeQueue.empty()) {
        int levelSize = nodeQueue.size();
        std::vector<std::string> currentLevel;
        
        for(int i = 0; i < levelSize; ++i) {
            BinaryNode* curr = nodeQueue.front();
            nodeQueue.pop();
            currentLevel.push_back(curr->element);
            
            if(curr->lchild) nodeQueue.push(curr->lchild);
            if(curr->rchild) nodeQueue.push(curr->rchild);
        }
        result.push_back(currentLevel);
    }
    return result;
}

完整示例

int main() {
    std::vector<std::string> nodeData{"A","B","C","D","E","F","G","H","I"};
    BinaryNode* treeRoot = constructTree(nodeData);
    
    std::vector<std::string> preResult;
    preOrderVisit(treeRoot, preResult);
    
    std::vector<std::string> inResult;
    inOrderVisit(treeRoot, inResult);
    
    std::vector<std::string> postResult;
    postOrderVisit(treeRoot, postResult);
    
    auto levelResult = levelOrderVisit(treeRoot);
    return 0;
}

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