大数据结构实验二叉树

实验六：二叉树及其应用

一、实验目的

树是数据结构中应用极为广泛的非线性结构，本单元的实验达到熟悉二叉树的存储结构的特性，以及如何应用树结构解决具体问题。

二、问题描述

首先，掌握二叉树的各种存储结构和熟悉对二叉树的基本操作。其次，以二叉树表示算术表达式的基础上，设计一个十进制的四则运算的计算器。

如算术表达式：a+b*(c-d)-e/f

三、实验要求

如果利用完全二叉树的性质和二叉链表结构建立一棵二叉树，分别计算统计叶子结点的个数。求二叉树的深度。十进制的四则运算的计算器可以接收用户来自键盘的输入。由输入的表达式字符串动态生成算术表达式所对应的二叉树。自动完成求值运算和输出结果。四、实验环境

PC微机

DOS操作系统或Windows 操作系统

Turbo C 程序集成环境或Visual C++ 程序集成环境

五、实验步骤

1、根据二叉树的各种存储结构建立二叉树；

2、设计求叶子结点个数算法和树的深度算法；

3、根据表达式建立相应的二叉树，生成表达式树的模块；

4、根据表达式树，求出表达式值，生成求值模块；

5、程序运行效果，测试数据分析算法。

六、测试数据

1、输入数据：2.2*（3.1+1.20）-7.5/3

正确结果：6.96

2、输入数据：(1+2)*3+(5+6*7);

正确输出：56

七、表达式求值

由于表达式求值算法较为复杂，所以单独列出来加以分析：

1、主要思路：由于操作数是任意的实数，所以必须将原始的中缀表达式中的操作数、操作符以及括号分解出来，并以字符串的形式保存；然后再将其转换为后缀表达式的顺序，后缀表达式可以很容易地利用堆栈计算出表达式的值。

例如有如下的中缀表达式：

a+b-c

转换成后缀表达式为：

ab+c-

然后分别按从左到右放入栈中，如果碰到操作符就从栈中弹出两个操作数进行运算，最后再将运算结果放入栈中，依次进行直到表达式结束。如上述的后缀表达式先将a 和b 放入栈中，然后碰到操作符“+”，则从栈中弹出a 和b 进行a+b 的运算，并将其结果d（假设为d）放入栈中，然后再将c 放入栈中，最后是操作符“-”，所以再弹出d和c 进行d-c 运算，并将其结果再次放入栈中，此时表达式结束，则栈中的元素值就是该表达式最后的运算结果。当然将原始的中缀表达式转换为后缀表达式比较关键，要同时考虑操作符的优先级以及对有括号的情况下的处理，相关容会在算法具体实现中详细讨论。

2、求值过程

一、将原始的中缀表达式中的操作数、操作符以及括号按顺序分解出来，并以字符串的

形式保存。

二、将分解的中缀表达式转换为后缀表达式的形式，即调整各项字符串的顺序，并将括

号处理掉。

三、计算后缀表达式的值。

3、中缀表达式分解

DivideExpressionToItem()函数。分解出原始中缀表达式中的操作数、操作符以及括号，保存在队列中，以本实验中的数据为例，分解完成后队列中的保存顺序如下图所示：

队首队尾

其算法思想是：从左往右按一个字节依次扫描原始中缀表达式m_string，碰到连续的数字或小数点就加到string 变量str 中；如果碰到括号或操作符就将原先的str 推入队列，然后将括号或操作符赋予str，再将str 推入队列，并将str 赋予空值，依次循环进行直到扫描m_string 完成。

4、转化为后缀表达式

ChangeToSuffix()函数。将保存在队列中的中缀表达式转换为后缀表达式，并保存在栈中。这个函数也是整个表达式算法的关键，这里需要两个栈stack_A 和stack_B，分别在转换过程中临时存放后缀表达式的操作数与操作符。依次从中缀表达式队列que 中出列一个元素，并保存在一个string 变量str 中，然后按以下几方面进行处理：

①如果str 是“(”，则将str 推入栈stack_B。

②如果str 是“)”，则要考虑stack_B 的栈顶是不是“(”，是的话就将“(”出栈stack_B；如果不是，则将stack_B 出栈一个元素（操作符），然后将其推入栈stack_A。

③如果str 是“+”或“-”，则要考虑有括号和优先级的情况，如果栈stack_B 为空或者栈顶为“(”，则将str 推入栈stack_B；因为操作符“+”和“-”优先级相同（谁先出现就先处理谁进栈stack_A），并且低于“*”和“/”，所以当栈stack_B 不为空并且栈顶不为“(”，则依次循环取出stack_B 的栈顶元素并依次推入栈stack_A，循环结束后再将str 推入栈stack_B。

④如果str 是“*”或“/”，因为它们的优先级相同并且高于“+”和“-”，所以如果栈stack_B 为空或者栈顶为“+”、“-”或“(”就直接将str 推入栈stack_B；否则就将stack_B 弹出一个元素并将其推入栈stack_A 中，然后再将str 推入栈stack_B 中。

⑤除了上述情况外就只剩下操作数了，操作数就可以直接推入栈stack_A 中。注意整个过程中栈stack_B 中的元素只能是如下几种：“(”、“+”、“-”、“*”、“/”，而最终栈stack_A 保存的是后缀表达式。

只有操作数和操作符，如下图所示：

表达式二叉树

栈底

栈顶

栈示意图

注意到最后返回的是stack_B 而不是stack_A，因为考虑到为了后面的计算方便，所以将其倒序保存在stack_B 中（最后一个while循环）。

5、后缀表达式求值

Calculate()函数。剩下的计算后缀表达式就显得非常简单了，依次将倒序的后缀表达式stack_B 弹出一个元素推入保存结果的double 类型的栈stack 中，如果遇到操作符就从栈stack 中弹出两元素进行该操作符的运算并将其结果推入到栈stack 中，依次循环进行直到栈stack_B 为空，最后栈stack 只有一个元素即为表达式的结果。

八、实验报告要求

实验报告应包括以下几个部分：

1、设计算术表达式树的存储结构；

实验中采用的是二叉树的的存储。结点格式如下：

其严格类的定义如下：

template

class Binarynode //二叉树的结点类

{

public:

Binarynode():left(NULL),right(NULL){} //默认构造函数

Binarynode(const T& item,Binarynode *lptr=NULL,

Binarynode *rptr=NULL):data(item),left(lptr),right(rptr){} //初始化

T data; //结点数据

Binarynode *&Left() {return left;} //取left

Binarynode *&Right() {return right;} //取right

protected: