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  • 二叉树漫游:递归技术

     

            一、 二叉树编程概述

            程序 =数据结构+算法。更精确地说,任何程序的功能实现,从技术角度来说,通过选取合适的数据结构和高效的算法即可做到。二叉树是一种非线性数据结构,即每一个元素都可能有0个,1个,或2个后继结点;这使得二叉树编程比线性表编程增加了一些难度;另一方面,由于二叉树具有天然的递归特性,要掌握二叉树编程技术,须懂得如何用递归来思考问题以及熟练掌握递归程序的编写,这对初学者来说,无疑是一道必须跨越的门槛。

     

            二、递归技术概述

            递归技术并不神秘。从方法层面上看,递归技术通过使用相同的方法求解比原问题规模更小的子问题,并合并子问题的解而实现;递归与分治是紧密关联的;从技术手段上看,递归通过相同的函数调用来实现。即有P(n)= P(P(i),P(j), …, P(s),G(1))。

           要写出递归程序,其实也并不困难,有三点技巧:A.分析和找出递归的部分; B.确定递归调用的参数形式; C.确定递归结束条件。掌握这些技巧,甚至不用对递归机制作过多了解,就能写出优雅的递归代码。在后面的示例中,会逐渐给出一些相关的方法和技巧。

     

            三、二叉树的递归求解技术

    二叉树的递归求解通常可以归纳为以下步骤:

    S1: 对根结点求解;

    S2: 递归求解左子树;

    S3: 递归求解右子树;

    S4 : 合并根结点、左子树、右子树的解,进而得到原问题的解。

              聪明的读者马上意识到,上述步骤与二叉树的先序遍历非常类似。针对具体的问题,S1,S2, S3 的顺序可能有所变化。

     

    A.  分析和找出递归的部分:

              很显然,二叉树根结点的左子树和右子树都是一棵二叉树,因此,可以用相同的策略求解左右子树;这就是可以递归的部分;

    B.   确定递归调用的参数形式:

              这一点也比较明显,即将二叉树的根结点作为调用参数。根据问题需要,可能会增加一些其它的参数,用于标示当前遍历的深度,要返回的列表等。

    C.  确定递归条件。通常,根据应用将根结点需要满足的条件作为递归结束条件。

              这里有一个小技巧:你可以先对A/A(B,)/A(,B)/A(B,C)这几种基本的二叉树结构进行分析,以掌握递归程序的行为和机制。

     

    四、示例

    (1)二叉树的先序、中序、后序递归遍历。这个是最基本的,请读者自行查阅相关书籍弄懂;

    (2)求二叉树的总结点数目。

             A.  分析和找出递归的部分:很显然,二叉树的总结点数目 =1 + 左子树的总结点数目 +右子树的总结点数目。 1表示根结点。

             B.  递归调用的参数: 二叉树的根结点。

             C.  递归结束条件: 根结点为空。 

     

    现在,就可以开始写递归程序了。先写递归结束时的情况,再写继续递归的情况。熟练掌握递归程序的编写不是一蹴而就的,多练习就习惯了。 

    Publicint size(TreeNode root) {
      if(root == null) { return 0; }
      else {
         return1 + size(root.getLChild()) + size(root.getRChild()) ;
      }
    }

    (3)将二叉树所有结点的左右子树交换

              初看起来,像是很困难;然而运用递归的思维,很容易就能想到:如果根结点不为空,则交换根结点的左右子树;递归求解左子树;递归求解右子树。于是,可以写出递归程序:

    publicvoid swapTree(TreeNode root)

    {

    if(root != null) {

    TreeNodetmp = root.getLChild();

    root.setLChild(root.getRChild());

    root.setRChild(tmp);

    swapTree(root.getLChild());

    swapTree(root.getRChild());

    }

    }

     

    (4) 求二叉树的最长路径(如果有多条,输出其中一条)

              这个问题咋看起来,没发现明显可以递归的地方。这时,就需要仔细地分析。首先,二叉树的最长路径必定包括非空根结点;其次,最长路径必定在叶子结点处到达;那么,二叉树的最长路径与其左右子树的最长路径有什么关联呢?可以很容易想到:二叉树的最长路径 =非空根结点 +Max(左子树的最长路径,右子树的最长路径)。这样,就可以整理出思路:

    LongestPath(root):
    if(root != null) { // 若根结点不为空,则保存在最长路径中
       longestPath.add(root);
       if(root.getLChild() == null && root.getRChild() == null) {
          //到达叶子结点,可以输出路径
          return path;
       }
       else {
          //递归求解左子树最长路径
          leftLongestPath= LongestPath(root.getLChild());
          //递归求解右子树最长路径
          rightLongestPath= LongestPath(root.getRChild());
          if(leftLongestPath.size() >= rightLongestPath.size()) {
               // 左子树最长路径大于或等于右子树最长路径,则取左子树最长路径
             path.addAll(leftLongestPath);
          }
              else{
                   // 否则,取右子树最长路径
                   path.addAll(rightLongestPath);
              } 
         }
    }

           

            由于二叉树的递归求解通常非常简洁,且运行效率也在可接受范围内,因此,有人甚至建议:二叉树的问题求解,首选递归技术。本文从方法层面上讨论了如何编写二叉树的递归程序,这些方法和技巧使得,即使对递归的机制不甚了解,也可以写出非常优雅的递归代码。

     

     

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