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详情见 https://blog.csdn.net/little_limin/article/details/129845592
Python数据结构与算法-堆排序(NB组)—— 一、树的基础知识
树结构也是链式存储的,与链表的结构相似,只是树存在多个子节点,不是线性的,存在一堆多的情况。与双链表相似,只不过链表节点对应的下一个节点只有一个,树节点对应的孩子节点很多,需要用列表[]存储。
- # 树节点的类
- class Node(): # 创建文件节点的类,及其属性(父节点,孩子节点)
- def __init__(self, name, type = "dir"): # 节点初始属性,文件名,文件类型
- self.name = name # 文件名
- self.type = type # 文件类型
- # 文件相互间关系
- self.children = [] # 孩子节点,孩子节点可以有很多,所以是列表
- self.parent = None # 父节点,父节点只有一个的,不一定需要有这个指向
-
- # print测试
- n = Node("hello") #父节点
- n2 = Node("world") #孩子节点1
- n3 = Node("yoyo") # 孩子节点2
- # 孩子节点与父节点关联
- n.children.append(n2)
- n.children.append(n3)
- n2.parent = n
- n3.parent = n
- # 打印孩子节点的属性
- for nm in n.children:
- print(nm.name)
- world
- yoyo
- # 树的实例:模拟文件系统
- # 树是链式存储
- class Node(): # 创建文件节点的类,及其属性(父节点,孩子节点)
- def __init__(self, name, type = "dir"): # 节点初始属性,文件名,文件类型
- self.name = name # 文件名
- self.type = type # 文件类型
- # 文件相互间关系
- self.children = [] # 孩子节点,孩子节点可以有很多,所以是列表
- self.parent = None # 父节点,父节点只有一个的,不一定需要有这个指向
-
- def __repr__(self): # 内置函数,返回值
- return self.name # 返回名字
-
- class FileSystemTree(): # 创建文件根目录——数据结构(树)
- def __init__(self) -> None: # 树的属性
- self.root = Node("/") # 树的根节点,类似于链表的head结点
- self.now = self.root # now指针,当前目录
-
- def mkdir(self,name): # 当前目录创建文件
- # 保证name以/结尾
- if name[-1] != "/": # name这个字符串的最后一位不是斜杠
- name += "/" # 在name的最后加上斜杠
- new_dir = Node(name) # 创建文件节点
- # 创建与当前文件夹的连接
- self.now.children.append(new_dir)
- new_dir.parent = self.now
-
- def ls(self): # 展现当前目录下的所有子目录
- return self.now.children # 返回子目录列表
-
- def cd(self,name): # 切换目录(到子目录),支持向上返回
- # 判断是否为文件夹
- if name[-1] != "/":
- name += "/"
-
- if name == "../": #当前目录
- self.now = self.now.parent # 返回目录到上级
- return
- # 找到和name相同的文件
- for child in self.now.children:
- if child.name == name:
- self.now = child # 切换目录到child
- return # 输出
- # 子目录中无该文件夹,报错
- raise ValueError("invaild dir")
-
- tree = FileSystemTree() # 创建树
-
- # 新建文件夹
- tree.mkdir("Var/")
- tree.mkdir("bin/")
- tree.mkdir("usr/")
- print(tree.ls()) # 展示当前子目录
-
- # 切换到子目录
- tree.cd("bin/")
- tree.mkdir("python/") # 子目录中创建文件夹
- print(tree.ls()) # 展示当前子目录
-
- # 切换回上级目录
- tree.cd("../")
- print(tree.ls()) # 展示当前子目录
- [Var/, bin/, usr/]
- [python/]
- [Var/, bin/, usr/]
1)__repr__的作用
输出实例对象时,其内容由__repr__的返回值决定。
- class Test:
- def __repr__(self) -> str:
- return "hello"
-
- t = Test()
- print(t)
输出结果
hello
可以看到,当打印实例对象的时候,打印的结果就是__repr__的返回值。如果不加定义__repr__则会默认使用object的__repr__函数,返回如下:
<__main__.Test object at 0x0000023573CF0700>
2)__str__作用
与__repe__作用相同,只不过__str__要更猛一点,当你的类中同时重写了__str__和__repr__后,那么当你打印实例对象的时候,python底层会优先执行实例对象.__str__()。
- class Test:
- def __repr__(self) -> str:
- return "repr"
-
- def __str__(self) -> str:
- return "str"
-
- t = Test()
- print(t)
输出结果
str
通过上面这个例子可以看到,输出的是__str__的返回值(__repr__没抢过__str__)。
在代码编辑器中执行print()函数,python优先调用print(实例对象.__str__());而当在运行终端直接敲实例对象的时候,python底层执行的其实是实例对象.__repr__()。
示例1:在终端直接打印
- >>> from text import Test
- >>> t = Test()
- >>> t
- repr
- >>> print(t)
- str
示例2:在编辑器print()
- class Test:
- def __repr__(self) -> str:
- return "repr"
-
- def __str__(self) -> str:
- return "str"
-
- t = Test()
- print(t)
输出结果:
str
相对路径从当前目录到文件所在位置;
绝对路径从根目录开始到文件所在地。
./代表目前文件所在的目录。
. ./代表目前文件的上一层目录。
/代表根目录。
详情见 https://blog.csdn.net/little_limin/article/details/129845592
Python数据结构与算法-堆排序(NB组)—— 二、二叉树的基础知识
将二叉树的节点定义为一个对象,节点之间通过类似链表的链接方式来连接。
- class BiTreeNode: # 二叉树
- def __init__(self,data): # data:节点数据
- self.data = data
- self.lchild = None # 左孩子
- self.rchild = None # 右孩子
- # 二叉树的简单实现
-
- class BiTreeNode(): # 二叉树节点
- def __init__(self,data) -> None:
- self.data = data
- self.lchild = None
- self.rchild = None
-
- # 定位节点
- a = BiTreeNode("A")
- b = BiTreeNode("B")
- c = BiTreeNode("C")
- d = BiTreeNode("D")
- e = BiTreeNode("E")
- f = BiTreeNode("F")
- g = BiTreeNode("G")
-
- # 节点关系链接
- e.lchild = a
- e.rchild = g
- a.rchild = c
- c.lchild = b
- c.rchild = d
- g.rchild = f
-
- # 根节点
- root = e
-
- print(root.lchild.rchild.data)
结果输出
C
以上图举例,树的遍历如何实现。
前序遍历:EACBDGF 从根节点开始,先左孩子再右孩子。
中序遍历:ABCDEFG
后序遍历:BDCAFGE
层次遍历:EAGCFBD
在二叉树代码实现的基础代码上,增加以下代码,以下代码为前序遍历主代码。
- # 根节点
- root = e
-
- # 前序遍历
- def pre_order(root):
- if root: # root不为空
- print(root.data, end = ',')
- pre_order(root.lchild) # 访问左孩子
- pre_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
- pre_order(e) # 从e开始前序遍历
输出结果
E,A,C,B,D,G,F,
中序遍历可以理解为将树结构“拍扁”,与前序遍历的区别仅在print打印的位置不同。
- # 中序遍历
- def in_order(root):
- if root: # root不为空,递归结束条件
- in_order(root.lchild) # 访问左孩子
- print(root.data, end = ',') # 打印本身
- in_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
- in_order(root) # 从e开始前序遍历
输出结果
A,B,C,D,E,G,F,
递归原理
s1.首先,运行E的左孩子所在的子树,打印E,再运行E的右孩子所在的子树。
s2.进入E的左孩子的子树,A没有左孩子,打印A,运行A的右孩子。
s3.进入A的右孩子的子树,先运行C的左孩子,打印C,运行C的右孩子。
s4.进入C的左孩子的子树,打印了B;进入C的右孩子的子树,打印了D。
s5,进入E的右孩子的子树,依旧同以上步骤,得到G和F。
- # 后序遍历
- def post_order(root):
- if root: # root不为空,递归结束条件
- post_order(root.lchild) # 访问左孩子
- post_order(root.rchild) # 访问右孩子
- print(root.data, end = ',') # 打印本身
-
- post_order(root) # 从e开始前序遍历
输出结果
B,D,C,A,F,G,E,
递归原理
运行的顺序从左往右,与中序遍历的原理类似。先运行左孩子所在子树,再运行右孩子所在子树,最后才打印本身。
- # 层次遍历——广度优先搜索
- from collections import deque # 队列模块
-
- def level_order(root):
- queue = deque() # 新建队列
- queue.append(root) # 根节点入队
- while len(queue) > 0: # 队列不空
- node = queue.popleft() # 节点出队
- print(node.data, end = ',') # 得到节点的值
- if node.lchild: # 节点的左孩子存在
- queue.append(node.lchild) # 左孩子进入队列
- if node.rchild: # 节点的右孩子存在
- queue.append(node.rchild) # 右孩子入队
-
- level_order(root)
输出结果
E,A,G,C,F,B,D,
代码实现原理
使用单向队列的性质,节点出队时,其对应的孩子节点入队。例如(以本节遍历二叉树为例):
[E]:根节点入队
E,[A,G]:E出队,对应的左孩子A和右孩子入队
E,A,[G,C]:A出队,A的右孩子C入队
E,A,G,[C,F]:G出队,G的右孩子F入队
E,A,G,C,[F,B,D]:C出队,C的左孩子B,右孩子D出队
E,A,G,C,F,[B,D]:F出队,F没有孩子节点
E,A,G,C,F,B,[D]:B出队,B没有孩子节点
E,A,G,C,F,B,D,[]:D出队,D没有孩子节点,队列为空,结束循环。
二叉搜索树是一棵二叉树且满足性质:设x是二叉树的一个节点。如果y是x左子树的一个节点,那么y.key x.key;如果y是x右子树的一个节点,那么y.key x.key。
如下图为一棵二叉搜索树:
二叉搜索树的操作:查询、插入、删除
查询和插入的时间复杂度都为O(logn),删除操作较为复杂后面会具体分析。
当插入值小于当前节点的值,当前节点的左孩子(左孩子子树)是插入值的节点;当插入值大于当前节点的值,当前节点的右孩子(右孩子子树)是插入值的节点;若该值插入的位置不存在节点或该值与当前节点值相同,则创建新的节点或覆盖该节点。
- # 二叉搜索树的用递归写插入函数
-
- class BiTreeNode(): # 二叉树节点
- def __init__(self, data) -> None: # 属性
- self.data = data # 树的值
- self.lchild = None # 左孩子
- self.rchild = None # 右孩子
- self.parent = None # 父节点
-
- # 二叉搜索树 binary search tree
- class BST():
- def __init__(self): # 创建空树
- self.root = None # 根节点为空
-
- # 递归插入
- def insert(self, node, val): # node是指二叉树中当前指向的节点,初始一般为根节点,val是指插入的值
- if not node or node.data == val: # 空树或节点的值与插入的值相同
- node = BiTreeNode(val) # 创建一个节点插入到树中(最后一步)或者是插入的值的节点直接与原节点相重合
-
- elif val < node.data: # 插入的值小于当前节点的值
- # 往当前节点的左边插,当前节点的也就往左孩子找
- node.lchild = self.insert(node.lchild,val) # 左孩子为根节点的子树上,node.lchild(当前点的左孩子) = node(插入的节点)
- node.lchild.parent = node # 与父节点的连接
-
- else: # val > node.data
- node.rchild = self.insert(node.rchild,val) # 当前节点的右孩子是插入的节点
- node.rchild.parent = node
-
- return node # 返回
-
-
- # 前序遍历
- def pre_order(self, root):
- if root: # root不为空
- print(root.data, end = ',')
- self.pre_order(root.lchild) # 访问左孩子
- self.pre_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
-
- tree = BST()
- node = BiTreeNode(10) # 树的根节点
- # 插入数值
- tree.insert(node,5)
- tree.insert(node,19)
- tree.insert(node,8)
- tree.insert(node,3)
- tree.pre_order(node)
输出结果
10,5,3,8,19,
- # 二叉搜索树普通办法写插入函数
-
- class BiTreeNode(): # 二叉树节点
- def __init__(self, data) -> None: # 属性
- self.data = data # 树的值
- self.lchild = None # 左孩子
- self.rchild = None # 右孩子
- self.parent = None # 父节点
-
- # 二叉搜索树 binary search tree
- class BST():
- def __init__(self, li=None): # 创建树
- self.root = None # 根节点为空
- # 创建二叉搜索树
- if li:
- for val in li:
- self.insert_no_dec(val) # 循环插入值
-
-
- def insert_no_dec(self,val): # 非递归
- p = self.root # 创建指针p,p起始指向根节点
- if not p: # p指向节点为空,空树,
- self.root = BiTreeNode(val) # 创建根节点
- return
-
- while True: # 循环
- if val < p.data: # 插入值小于p指向节点的值
- if p.lchild: # 左孩子节点存在
- p = p.lchild # 指针移动至新的节点
- else: # 左孩子不存在
- p.lchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.lchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
-
- elif val > p.data: # 插入值大于p指向节点的值
- if p.rchild: # 右孩子存在
- p = p.rchild # 指针移动至新节点
- else: # 右孩子不存在
- p.rchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.rchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
- else: # val == p.data
- return # 不用插入
-
- # 前序遍历
- def pre_order(self,root):
- if root: # root不为空
- print(root.data, end = ',')
- self.pre_order(root.lchild) # 访问左孩子
- self.pre_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
- # 中序遍历
- def in_order(self, root):
- if root: # root不为空,递归结束条件
- self.in_order(root.lchild) # 访问左孩子
- print(root.data, end = ',') # 打印本身
- self.in_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
- # 后序遍历
- def post_order(self, root):
- if root: # root不为空,递归结束条件
- self.post_order(root.lchild) # 访问左孩子
- self.post_order(root.rchild) # 访问右孩子
- print(root.data, end = ',') # 打印本身
-
- tree = BST([4,6,7,9,2,1,3,5,8]) # 对象实例化
-
- # 遍历二叉树
- tree.pre_order(tree.root)
- print("")
- tree.in_order(tree.root)
- print("")
- tree.post_order(tree.root)
输出结果:
- 4,2,1,3,6,5,7,9,8,
- 1,2,3,4,5,6,7,8,9,
- 1,3,2,5,8,9,7,6,4,
说明:中序遍历的二叉搜索树一定是升序输出的
查询函数的原理与插入函数的原理基本一致。
- import random
-
- class BiTreeNode(): # 二叉树节点
- def __init__(self, data) -> None: # 属性
- self.data = data # 树的值
- self.lchild = None # 左孩子
- self.rchild = None # 右孩子
- self.parent = None # 父节点
-
- # 二叉搜索树 binary search tree
- class BST():
- def __init__(self, li=None): # 创建树
- self.root = None # 根节点为空
- # 创建二叉搜索树
- if li:
- for val in li:
- self.insert_no_dec(val) # 循环插入值
-
- def insert_no_dec(self,val): # 非递归插入
- p = self.root # 创建指针p,p起始指向根节点
- if not p: # p指向节点为空,空树,
- self.root = BiTreeNode(val) # 创建根节点
- return
-
- while True: # 循环
- if val < p.data: # 插入值小于p指向节点的值
- if p.lchild: # 左孩子节点存在
- p = p.lchild # 指针移动至新的节点
- else: # 左孩子不存在
- p.lchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.lchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
-
- elif val > p.data: # 插入值大于p指向节点的值
- if p.rchild: # 右孩子存在
- p = p.rchild # 指针移动至新节点
- else: # 右孩子不存在
- p.rchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.rchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
- else: # val == p.data
- return # 不用插入
-
- def query(self, node, val): # 递归写查询
- if not node: # 节点不存在
- return None # 返回none
- elif val > node.data: # 值大于当前节点的值,往右子树找
- node = self.query(node.rchild, val) # 变量node是返回的node的赋值
- elif val < node.data: # 值小于当前节点的值,往左子树找
- node = self.query(node.lchild, val)
- else: # val == node.data
- node = node # 值相等时返回节点
- return node
- def query_no_rec(self, val): # 非递归查询
- p = self.root # p指针初始指向根节点
- while p: # 不是空树
- if val < p.data: # 值小于当前节点,往左找
- p = p.lchild # p指针下移
- elif val > p.data: # 值大于当前节点,往右找
- p = p.rchild # p指针往右下移
- else: # val == p.data
- return p # 退出循环
- return None
-
- li = list(range(0,10,2)) # 0-9的偶数
- random.shuffle(li)
- tree = BST(li) # 创建树
- node = tree.root
- # print(node.data)
- print(tree.query(node, 5)) # 递归
- print(tree.query_no_rec(4)) # 非递归
输出结果
- None
- <__main__.BiTreeNode object at 0x00000170A1C1C6A0>
二叉搜索树的删除与双向链表的删除极为相似。
1)要删除的节点是叶子节点:直接删除。node.parent.lchild 或者 node.parent,rchild = None
2)要删除的节点只有一个孩子:将此节点的父亲与孩子连接,然后删除该节点。如果删除的节点是根节点,则需要调整子树节点的位置。
3)要删除的节点有两个孩子:将其右子树的值最小的节点(该节点最多有一个右孩子,也可能就是叶子节点),该点一定为右子树的各节点的最后一个左孩子,找到该节点并替换当前节点的值,再删除该接节点
- # 二叉搜索树——删除
- class BiTreeNode(): # 二叉树节点
- def __init__(self, data) -> None: # 属性
- self.data = data # 树的值
- self.lchild = None # 左孩子
- self.rchild = None # 右孩子
- self.parent = None # 父节点
-
- # 二叉搜索树 binary search tree
- class BST():
- def __init__(self, li=None): # 创建树
- self.root = None # 根节点为空
- # 创建二叉搜索树
- if li:
- for val in li:
- self.insert_no_dec(val) # 循环插入值
-
- def insert_no_dec(self,val): # 非递归插入
- p = self.root # 创建指针p,p起始指向根节点
- if not p: # p指向节点为空,空树,
- self.root = BiTreeNode(val) # 创建根节点
- return
-
- while True: # 循环
- if val < p.data: # 插入值小于p指向节点的值
- if p.lchild: # 左孩子节点存在
- p = p.lchild # 指针移动至新的节点
- else: # 左孩子不存在
- p.lchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.lchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
-
- elif val > p.data: # 插入值大于p指向节点的值
- if p.rchild: # 右孩子存在
- p = p.rchild # 指针移动至新节点
- else: # 右孩子不存在
- p.rchild = BiTreeNode(val) # 插入值
- p.rchild.parent = p # 连接父节点
- return # 结束循环,返回
- else: # val == p.data
- return # 不用插入
-
- def query(self, node, val): # 递归写查询
- if not node: # 节点不存在
- return None # 返回none
- elif val > node.data: # 值大于当前节点的值,往右子树找
- node = self.query(node.rchild, val) # 变量node是返回的node的赋值
- elif val < node.data: # 值小于当前节点的值,往左子树找
- node = self.query(node.lchild, val)
- else: # val == node.data
- node = node # 值相等时返回节点
- return node
- def query_no_rec(self, val): # 非递归查询
- p = self.root # p指针初始指向根节点
- while p: # 不是空树
- if val < p.data: # 值小于当前节点,往左找
- p = p.lchild # p指针下移
- elif val > p.data: # 值大于当前节点,往右找
- p = p.rchild # p指针往右下移
- else: # val == p.data
- return p # 退出循环
- return None
- # 中序遍历
- def in_order(self,root):
- if root: # root不为空,递归结束条件
- self.in_order(root.lchild) # 访问左孩子
- print(root.data, end = ',') # 打印本身
- self.in_order(root.rchild) # 访问右孩子
-
- def __remove_node_1(self, node): # 情况1:叶子节点
- # 判断是否为根节点
- if not node.parent:
- self.root = None # 根节点为None,即删除根节点
- if node == node.parent.lchild: # node为左孩子
- node.parent.lchild = None
- else: # node为右孩子
- node.parent.rchild = None
-
- def __remove_node_21(self,node): # 情况2.1:只有一个左孩子
- if not node.parent: # 根节点
- self.root = node.lchild # 根节点为node的左孩子
- node.lchild.parent = None # 左孩子的父亲为空
- elif node == node.parent.lchild: # node是父亲的左孩子
- node.parent.lchild = node.lchild # node父亲的左孩子变为node的左孩子
- node.lchild.parent = node.parent # node左孩子的父亲变为node的父亲
- else: # node是父亲的右孩子
- node.parent.rchild = node.lchild # node父亲的右孩子变为node的左孩子
- node.lchild.parent = node.parent # node左孩子的父亲变为node的父亲
-
- def __remove_node_22(self,node): # 情况2.2:只有一个右孩子
- if not node.parent: # 根节点
- self.root = node.rchild # 根节点为node的右孩子
- node.rchild.parent = None # 根节点没有父节点
- elif node == node.parent.lchild: # node是父亲的左孩子
- node.parent.lchild = node.rchild # node父亲的左孩子变为node的右孩子
- node.rchild.parent = node.parent # node右孩子的父亲变为node的父亲
- else: # node为父亲的右孩子
- node.parent.rchild = node.rchild # node父亲的右孩子变为node的右孩子
- node.rchild.parent = node.parent # node右孩子的父亲变为node的父亲
-
- def delete(self,val): # 删除操作(合并)
- if self.root: # 不是空树
- node = self.query_no_rec(val) # 找到该节点 这步错了
- if not node: # node不存在
- return False
- if not node.lchild and not node.rchild: # 叶子节点
- self.__remove_node_1(node) # 情况1
- elif not node.rchild: # node只有左孩子
- self.__remove_node_21(node) # 情况2.1
- elif not node.lchild: # node只有右孩子
- self.__remove_node_22(node) # 情况2.2
- else: # 情况3 即有左孩子又有右孩子
- # 找min_node,右子树的最小节点
- min_node = node.rchild # min_node在右子树上
- while min_node.lchild: # 直到没有左孩子
- min_node = min_node.lchild # min_node一直往左孩子移动,寻找
- node.data = min_node.data # 互换两者的值
- # 删除min_node
- if min_node.rchild: # 只有右孩子
- self.__remove_node_22(min_node)
- else: # min_node为叶子节点
- self.__remove_node_1(min_node)
-
- tree = BST([1,4,2,5,3,8,6,9,7])
- tree.in_order(tree.root)
- print("")
-
- # 删除值
- tree.delete(4)
- tree.delete(8)
- tree.in_order(tree.root)
结果输出
- 1,2,3,4,5,6,7,8,9,
- 1,2,3,5,6,7,9,
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