Как сериализовать двоичное дерево

Question

Сегодня я пошел на собеседование, где меня попросили сериализовать двоичное дерево.Я реализовал подход, основанный на массивах, где дочерние элементы узла i (нумерация в порядке обхода уровня) имели индекс 2 * i для левого дочернего элемента и 2 * i + 1 для правого дочернего элемента.Интервьюер выглядел более или менее довольным, но мне интересно, что конкретно означает сериализация?Относится ли это конкретно к сглаживанию дерева для записи на диск, или же сериализация дерева также включает в себя просто превращение дерева в связанный список, скажем.Кроме того, как бы мы пошли о сведении дерева в (дважды) связанный список, а затем реконструировали его?Можете ли вы воссоздать точную структуру дерева из связанного списка?

Answer 1

Все эти статьи говорят в основном о части сериализации.Часть десериализации немного сложнее сделать за один проход.

Я также реализовал эффективное решение для десериализации.

Проблема: Сериализация и десериализация двоичного дерева, содержащего положительные числа.

Часть сериализации:

1. Использование 0для представления нуля.
2. Сериализация в список целых чисел с использованием обхода предварительного заказа.

Часть десериализации:

1. Принимает в спискецелые числа и использует рекурсивный вспомогательный метод для десериализации.
2. Рекурсивный десериализатор возвращает пару (узел BTNode, int nextIndexToRead), где узел - это построенный узел дерева, а nextIndexToRead - это позиция следующего числа, которое будет считано в сериализованном спискечисел.

Ниже приведен код на Java:

public final class BinaryTreeSerializer
{
    public static List<Integer> Serialize(BTNode root)
    {
        List<Integer> serializedNums = new ArrayList<Integer>();

        SerializeRecursively(root, serializedNums);

        return serializedNums;
    }

    private static void SerializeRecursively(BTNode node, List<Integer> nums)
    {
        if (node == null)
        {
            nums.add(0);
            return;
        }

        nums.add(node.data);
        SerializeRecursively(node.left, nums);
        SerializeRecursively(node.right, nums);
    }

    public static BTNode Deserialize(List<Integer> serializedNums)
    {
        Pair pair = DeserializeRecursively(serializedNums, 0);

        return pair.node;
    }

    private static Pair DeserializeRecursively(List<Integer> serializedNums, int start)
    {        
        int num = serializedNums.get(start);

        if (num == 0)
        {
            return new Pair(null, start + 1);
        }

        BTNode node = new BTNode(num);

        Pair p1 = DeserializeRecursively(serializedNums, start + 1);
        node.left = p1.node;

        Pair p2 = DeserializeRecursively(serializedNums, p1.startIndex);
        node.right = p2.node;

        return new Pair(node, p2.startIndex);
    }

    private static final class Pair
    {
        BTNode node;
        int startIndex;

        private Pair(BTNode node, int index)
        {
            this.node = node;
            this.startIndex = index;
        }
    }
}

public class BTNode 
{
    public int data;
    public BTNode left;
    public BTNode right;

    public BTNode(int data)
    {
        this.data = data;
    }
}

Answer 2

Подход 1: Выполните обход Inorder и Preorder для поиска данных в дереве.При десериализации используйте Pre-order и сделайте BST для Inorder, чтобы правильно сформировать дерево.

Вам нужно и то и другое, потому что A -> B -> C можно представить как предварительный порядок, даже если структура может отличаться,

Подход 2: Используйте # в качестве дозорного, где левый или правый ребенок равен нулю .....

Answer 3

Используя предварительный обход, сериализуйте двоичное дерево. Используйте тот же обход предварительного заказа для десериализации дерева. Будьте осторожны с крайними случаями. Здесь нулевые узлы представлены как "#"

public static String serialize(TreeNode root){
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            serialize(root, sb);
            return sb.toString();
        }

    private static void serialize(TreeNode node, StringBuilder sb){
        if (node == null) {
            sb.append("# ");
        } else {
            sb.append(node.val + " ");
            serialize(node.left, sb);
            serialize(node.right, sb);
        }
    }

    public static TreeNode deserialize(String s){
        if (s == null || s.length() == 0) return null;
        StringTokenizer st = new StringTokenizer(s, " ");
        return deserialize(st);
    }

    private static TreeNode deserialize(StringTokenizer st){
        if (!st.hasMoreTokens())
            return null;
        String val = st.nextToken();
        if (val.equals("#"))
            return null;
        TreeNode root = new TreeNode(Integer.parseInt(val));
        root.left = deserialize(st);
        root.right = deserialize(st);
        return root;
    } 

Answer 4

Я пытался понять суть этого.Итак, вот моя реализация Java.Как уже упоминалось, это двоичное дерево, а не BST.Для сериализации обход предзаказа кажется более легким (для строки с «NULL» для нулевых узлов).Пожалуйста, проверьте код ниже с полным примером рекурсивных звонков.Для десериализации строка преобразуется в LinkedList, где remove (0) получает верхний элемент за время выполнения O (1).Также смотрите полный пример в комментариях к коду для десериализации.Надеюсь, что это поможет кому-то бороться меньше, чем я :) Общее время выполнения для каждого метода (сериализации и десериализации) такое же время выполнения для обхода двоичного дерева, то есть O (n), где n - количество узлов (записей)в дереве

import java.util.LinkedList;import java.util.List;

открытый класс SerDesBinTree {

public static class TreeEntry<T>{
    T element;
    TreeEntry<T> left;
    TreeEntry<T> right;
    public TreeEntry(T x){
        element = x;
        left = null;
        right = null;
    }
}

TreeEntry<T> root;
int size;
StringBuilder serSB = new StringBuilder();
List<String> desList = new LinkedList<>();

public SerDesBinTree(){
    root = null;
    size = 0;   
}

public void traverseInOrder(){
    traverseInOrder(this.root);
}

public void traverseInOrder(TreeEntry<T> node){
    if (node != null){
        traverseInOrder(node.left);
        System.out.println(node.element);
        traverseInOrder(node.right);
    }
}

public void serialize(){
    serialize(this.root);
}


/*
 *          1
 *         / \
 *        2   3
 *           /
 *          4 
 *        
 *        ser(1)                              
 *            serSB.append(1)                     serSB: 1
 *            ser(1.left)
 *            ser(1.right)
 *            |
 *            |
 *            ser(1.left=2)
 *                serSB.append(2)                 serSB: 1, 2
 *                ser(2.left)
 *                ser(2.right)
 *                |
 *                |
 *                ser(2.left=null)
 *                    serSB.append(NULL)          serSB: 1, 2, NULL
 *                    return
 *                |    
 *                ser(2.right=null)
 *                    serSB.append(NULL)          serSB: 1, 2, NULL, NULL
 *                    return
 *                    
 *             |
 *             ser(1.right=3)
 *                serSB.append(3)                 serSB: 1, 2, NULL, NULL, 3
 *                ser(3.left)
 *                ser(3.right)
 *                
 *                |
 *                ser(3.left=4)
 *                    serSB.append(4)             serSB: 1, 2, NULL, NULL, 3, 4
 *                    ser(4.left)
 *                    ser(4.right)
 *                    
 *                    |
 *                    ser(4.left=null)
 *                        serSB.append(NULL)      serSB: 1, 2, NULL, NULL, 3, 4, NULL
 *                        return
 *                        
 *                    ser(4.right=null)
 *                        serSB.append(NULL)      serSB: 1, 2, NULL, NULL, 3, 4, NULL, NULL
 *                        return
 *                        
 *                ser(3.right=null)
 *                    serSB.append(NULL)          serSB: 1, 2, NULL, NULL, 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *                    return
 *        
 */
public void serialize(TreeEntry<T> node){
    // preorder traversal to build the string
    // in addition: NULL will be added (to make deserialize easy)
    // using StringBuilder to append O(1) as opposed to
    // String which is immutable O(n)
    if (node == null){
        serSB.append("NULL,");
        return;
    }

    serSB.append(node.element + ",");
    serialize(node.left);
    serialize(node.right);
}

public TreeEntry<T> deserialize(TreeEntry<T> newRoot){
    // convert the StringBuilder into a list
    // so we can do list.remove() for the first element in O(1) time

    String[] desArr = serSB.toString().split(",");

    for (String s : desArr){
        desList.add(s);
    }


    return deserialize(newRoot, desList);
}


/*
 *          1
 *         / \
 *        2   3
 *           /
 *          4 
 * 
 *        deser(root, list)                              list: 1, 2, NULL, NULL, 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *            root = new TreeEntry(1)                    list: 2, NULL, NULL, 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *            root.left = deser(root.left, list)  // **
 *            root.right = deser(root.right, list) // *-*
 *            return root // ^*^
 *            
 *            
 *      so far subtree
 *          1
 *         / \
 *      null  null
 *            
 *            deser(root.left, list)
 *                 root.left = new TreeEntry(2)          list: NULL, NULL, 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *                 root.left.left = deser(root.left.left, list) // ***
 *                 root.left.right = deser(root.left.right, list)  // ****
 *                 return root.left // eventually return new TreeEntry(2) to ** above after the two calls are done
 *                 
 *           so far subtree
 *                 2
 *                / \
 *            null   null 
 *                 
 *                 deser(root.left.left, list)      
 *                     // won't go further down as the next in list is NULL
 *                      return null    // to ***                    list: NULL, 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *                      
 *           so far subtree (same, just replacing null)
 *                 2
 *                / \
 *            null   null 
 *            
 *                 deser(root.left.right, list)
 *                     // won't go further down as the next in list is NULL
 *                      return null    // to ****                 list: 3, 4, NULL, NULL, NULL
 *                      
 *           so far subtree (same, just replacing null)
 *                 2
 *                / \
 *            null   null 
 *            
 *      
 *      so far subtree // as node 2 completely returns to ** above
 *          1
 *         / \
 *        2  null
 *       / \
 *   null   null
 *      
 *      
 *            deser(root.right, list)
 *                 root.right = new TreeEntry(3)                list: 4, NULL, NULL, NULL
 *                 root.right.left = deser(root.right.left, list) // *&*
 *                 root.right.right = deser(root.right.right, list)  // *---*
 *                 return root.right // eventually return to *-* above after the previous two calls are done
 *                 
 *           so far subtree
 *                 3
 *                / \
 *            null   null 
 *            
 *            
 *                 deser(root.right.left, list)
 *                      root.right.left = new TreeEntry(4)       list: NULL, NULL, NULL
 *                      root.right.left.left = deser(root.right.left.left, list) // *(*
 *                      root.right.left.right = deser(root.right.left.right, list) // *)*
 *                      return root.right.left // to *&*
 *                      
 *                  so far subtree
 *                       4
 *                      / \
 *                  null   null 
 *                    
 *                       deser(root.right.left.left, list)
 *                             // won't go further down as the next in list is NULL
 *                             return null // to *(*         list: NULL, NULL
 *                             
 *                  so far subtree (same, just replacing null)
 *                       4
 *                      / \
 *                  null   null 
 *                  
 *                       deser(root.right.left.right, list)
 *                             // won't go further down as the next in list is NULL
 *                             return null // to *)*         list: NULL
 *                             
 *                             
 *                  so far subtree (same, just replacing null)
 *                       4
 *                      / \
 *                  null   null 
 *                  
 *                  
 *           so far subtree
 *                 3
 *                / \
 *               4   null   
 *              / \
 *           null  null
 *                
 *                
 *                deser(root.right.right, list)
 *                        // won't go further down as the next in list is NULL
 *                       return null // to *---*    list: empty
 *                       
 *           so far subtree (same, just replacing null of the 3 right)
 *                 3
 *                / \
 *               4   null   
 *              / \
 *           null  null   
 *           
 *           
 *           now returning the subtree rooted at 3 to root.right in *-*
 *           
 *          1
 *         / \
 *        /   \
 *       /     \
 *      2       3
 *     / \     / \
 * null  null /   null
 *           /
 *          4
 *         / \
 *      null  null 
 *      
 *      
 *      finally, return root (the tree rooted at 1) // see ^*^ above
 *    
 */
public TreeEntry<T> deserialize(TreeEntry<T> node, List<String> desList){

    if (desList.size() == 0){
        return null;
    }

    String s = desList.remove(0); // efficient operation O(1)
    if (s.equals("NULL")){
        return null;
    }

    Integer sInt = Integer.parseInt(s);
    node = new TreeEntry<T>((T)sInt);

    node.left = deserialize(node.left, desList);
    node.right = deserialize(node.right, desList);

    return node;
}


public static void main(String[] args) {
    /*
     *          1
     *         / \
     *        2   3
     *           /
     *          4 
     *        
     */
    SerDesBinTree<Integer> tree = new SerDesBinTree<>();
    tree.root = new TreeEntry<Integer>(1);
    tree.root.left = new TreeEntry<Integer>(2);
    tree.root.right = new TreeEntry<Integer>(3);
    tree.root.right.left = new TreeEntry<Integer>(4);
    //tree.traverseInOrder();

    tree.serialize();
    //System.out.println(tree.serSB);

    tree.root = null;
    //tree.traverseInOrder();

    tree.root = tree.deserialize(tree.root);
    //tree.traverseInOrder();

    // deserialize into a new tree
    SerDesBinTree<Integer> newTree = new SerDesBinTree<>();
    newTree.root = tree.deserialize(newTree.root);
    newTree.traverseInOrder();


}

}

Answer 5

Вот поздний ответ в Python. Он использует (в первую очередь глубину) сериализацию предзаказа и возвращает список strings. Десериализация возвращает дерево.

class Node:

    def __init__(self, val, left=None, right=None):

        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right


# This method serializes the tree into a string

def serialize(root):

    vals = []

    def encode(node):

        vals.append(str(node.val))

        if node.left is not None:

            encode(node.left)
        else:
            vals.append("L")

        if node.right is not None:

            encode(node.right)
        else:
            vals.append("R")

    encode(root)

    print(vals)
    return vals

# This method deserializes the string back into the tree

def deserialize(string_list):

    def create_a_tree(sub_list):

        if sub_list[0] == 'L' or sub_list[0] == 'R':
            del sub_list[0]
            return

        parent = Node(sub_list[0])
        del sub_list[0]

        parent.left = create_a_tree(sub_list)

        parent.right = create_a_tree(sub_list)

        return parent

    if len(string_list) != 0:

        root_node = create_a_tree(string_list)
    else:
        print("ERROR - empty string!")
        return 0

    return root_node

Для проверки:

tree1 = Node('root', Node('left'), Node('right'))
t = deserialize(serialize(tree1))
print(str(t.right.val))

Answer 6

Вот еще один способ сериализации двоичного дерева с использованием (модифицированного) обхода порядка уровней. [Просто скопируйте вставить, это работает] Покрывает все несбалансированное, сбалансированное, наклоненное вправо, наклонное дерево влево.

class TreeNode():
    def __init__(self, val):
        self.val = val
        self.left = None
        self.right = None

def getHeight(root):
    if root == None:
        return 0
    return max(getHeight(root.left), getHeight(root.right)) + 1

treeArray = []

def levelOrderTraversal(root, level, numOfNodes):
    if level <= 0 and numOfNodes <=0:
        return

    numOfNodes -= 1

    if root != None and level == 1:
        treeArray.append(root.val)
    elif root == None and level == 1:
        treeArray.append("$")

    if root != None:
        levelOrderTraversal(root.left, level-1, numOfNodes)
        levelOrderTraversal(root.right, level-1, numOfNodes)
    else:
        levelOrderTraversal(root, level-1, numOfNodes)
        levelOrderTraversal(root, level-1, numOfNodes)



def treeToIntArray(root):
    h = getHeight(root)

    for i in range(1, h+1):
        levelOrderTraversal(root,i, i*2)

    return treeArray


def intArrayToTree():
    n = len(treeArray)

    treeArrayOfObjects = [0]*len(treeArray)
    for i in range(n):
        if treeArray[i] != "$":
            root = TreeNode(treeArray[i])
            treeArrayOfObjects[i] = root


    #Linking the child nodes
    for i in range(n):
        if treeArray[i] != "$":
            root = treeArrayOfObjects[i]
            if 2 * i + 1 < n:
                root.left = treeArrayOfObjects[2*i + 1]
            if 2 * i + 2 < n:
                root.right = treeArrayOfObjects[2*i + 2]
            treeArray[i] = root
    return treeArrayOfObjects[0]

"""
root = TreeNode(7)
root.left = TreeNode(3)
root.right = TreeNode(9)
root.left.left = TreeNode(1)
root.left.right = None
root.right.left = None
root.right.right = TreeNode(4)
"""
root = TreeNode(7)
root.right = TreeNode(9)
root.right.right = TreeNode(4)
root.right.right.right = TreeNode(5)

print treeToIntArray(root)
root = intArrayToTree()

print root.val
print root.right.val
print root.right.right.val
print root.right.right.right.val

Answer 7

Лучший способ - использовать специальный символ (например, #, как упоминалось в предыдущем комментарии) в качестве стража. Это лучше, чем создание массива обхода по порядку и массива обхода по предзаказу / после заказа, как с точки зрения сложности пространства, так и сложности времени. это также намного проще реализовать.

Связанный список здесь не подходит, поскольку для восстановления дерева лучше иметь время доступа к элементу const

Answer 8

Как насчет выполнения упорядоченного обхода и помещения корневого ключа и всех ключей узла в std :: list или другой контейнер по вашему выбору, который выравнивает дерево.Затем просто сериализуйте std :: list или контейнер по вашему выбору, используя библиотеку boost.

Обратное просто и затем перестройте дерево, используя стандартную вставку в двоичное дерево.Это может быть не совсем эффективно для очень большого дерева, но время выполнения для преобразования дерева в std :: list - самое большее O (n), а для перестройки дерева - самое большее O (log n).

Я собираюсь сделать это для сериализации дерева, которое я только что закодировал в c ++, когда я конвертирую свою базу данных из Java в C ++.