Кодирование двоичного дерева

Предположим, у вас есть полное двоичное дерево (т.е. каждый внутренний узел имеет ровно двух непустых потомков). Каждый узел содержит ненулевое целое число. Вам дано задание кодировать и декодировать дерево в / из списка целых чисел.

Дерево хранится внутри что-то вроде:

struct node {
  int data;
  struct node *left, *right;
};

И вам нужно реализовать две функции:

int *encode(struct node *root);
struct node *decode(int *array);

Это зависит от вас, как вы кодируете и декодируете.

Очки за:

• минимальная длина кодирования
• сложность (идеально линейная по количеству узлов)
• оригинальность

Нет баллов за длину исходного кода, и вы не ограничены C.

Пример дерева:

     5
    / \
   3   2
      / \
     2   1
    / \
   9   9

~ 1,03 Н

Кажется, что все ответы до сих пор занимают минимум 2 * N * 32-бит для хранения. (За исключением решений на языках, которые допускают целочисленные значения длиннее 32 бит, как, например, решения на Haskell и Ruby - но они по-прежнему будут требовать дополнительных байтов для кодирования всякий раз, когда данные больше 16K.)

Вот решение, которое занимает только N + потолок (N / 32) +1 дюйм хранения. Это приближается к 1,03125 N для больших N и меньше 1,1 N для всех N больше 20.

Идея состоит в том, чтобы сохранить дополнительный бит для каждого узла, где 1 - это hasChildren. Эти биты упакованы в N / 32 слова заранее.

int* encodeHelper(Node* n, int* code, int* pos, int* flag)
{
   int hasKids = (n->left!=0);
   code[*flag/32]|=hasKids<<(*flag&31);
   *flag+=1;
   if (hasKids) bencodeHelper(n->left, code, pos, flag);
   code[*pos]=n->data;
   *pos+=1;
   if (hasKids) bencodeHelper(n->right, code, pos, flag);
   return code;
}

int* encode(Node* h, int* sizeOut)
{
   int nnodes=countNodes(h);
   int nflags = (int)ceil(nnodes/32.0);
   int pos=nflags+1;
   int flag=32;
   int* out;
   *sizeOut = 1+nnodes+nflags;
   out = calloc(*sizeOut, sizeof(int));
   if (!h) return out;
   out[0]=nflags+1; //store start of data
   return encodeHelper(h,out,&pos,&flag);
}

Node* decodeHelper(int* code, int* pos, int* flag)
{
   Node*n = calloc(1, sizeof(Node));
   int hasKids = code[*flag/32]>>(*flag&31)&1;
   *flag+=1;
   if (hasKids) n->left = bdecodeHelper(code, pos, flag);
   n->data = code[*pos];
   *pos+=1;
   if (hasKids) n->right = bdecodeHelper(code, pos, flag);
   return n;
}

Node* decode(int* code)
{
   int flag=32;
   int pos=code[0];
   if (!pos) return NULL;
   return decodeHelper(code, &pos, &flag);
}

(отличная реализация здесь)

Эта программа на Haskell кодирует дерево из n узлов в n целых числах. Хитрость заключается в том, что он кодирует данные узла в два раза, а затем использует младший бит, чтобы указать, является ли это листовым узлом или внутренним узлом.

Технически, Parserмонада здесь чрезмерная, так как создан только один парсер, decoderи я мог бы поместить логику цепочки парсера прямо туда. Но в этом случае декодер очень понятен, и, Parserнесмотря на его небольшой размер, представляет собой разумную простую структуру синтаксического анализа.

import Control.Monad (ap)

data Tree = Leaf Integer | Node Integer Tree Tree
  deriving (Eq, Show)

encode :: Tree -> [Integer]
encode (Leaf n)     = [n*2]
encode (Node n t u) = (n*2+1) : encode t ++ encode u

decode :: [Integer] -> Maybe Tree
decode = fullyParse decoder
  where
    decoder :: Parser Integer Tree
    decoder = do
      i <- next
      let n = i `div` 2
      if even i
        then return (Leaf n)
        else return (Node n) `ap` decoder `ap` decoder

-- A simple Parsing Monad
data Parser a b = P { runParser :: [a] -> Maybe (b, [a]) }

instance Monad (Parser a) where
  return a = P ( \ts -> Just (a, ts) )
  p >>= q  = P ( \ts -> runParser p ts >>= (\(v,ts') -> runParser (q v) ts') )
  fail _   = P ( const Nothing )

next :: Parser a a
next = P n
 where n (t:ts) = Just (t,ts)
       n _      = Nothing

fullyParse :: Parser a b -> [a] -> Maybe b
fullyParse p ts = runParser p ts >>= consumedResult
  where
    consumedResult (v,[]) = Just v
    consumedResult _      = Nothing

-- Example
main :: IO ()
main = do
    putStrLn $ "example:  " ++ show ex
    putStrLn $ "encoding: " ++ show encEx
    putStrLn $ "decoding: " ++ show decEx
    putStrLn $ "worked?   " ++ show worked
  where
    ex = Node 5
          (Leaf 3)
          (Node 2
            (Node 2
              (Leaf 9)
              (Leaf 9)
            )
            (Leaf 1)
          )
    encEx = encode ex
    decEx = decode encEx
    worked = maybe False (ex ==) decEx

Запуск этого получает вас:

> runhaskell TreeEncoding.hs 
example:  Node 5 (Leaf 3) (Node 2 (Node 2 (Leaf 9) (Leaf 9)) (Leaf 1))
encoding: [11,6,5,5,18,18,2]
decoding: Just (Node 5 (Leaf 3) (Node 2 (Node 2 (Leaf 9) (Leaf 9)) (Leaf 1)))
worked?   True

В С

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

struct Node;
typedef struct Node Node;

struct Node
{
    int   data;
    Node* left;
    Node* right;
};
/* Private Functions */
static int*  encodeNode(Node* tree, int* store);
static Node* decodeNode(int** store);

/* Public Functions */
Node*   newNode(int data,Node* left,Node* right);
void    deleteTree(Node* tree);
int     countNodesTree(Node* tree);
int*    encode(Node *tree);
Node*   decode(int* store);
void    printTree(Node* tree);

Node* newNode(int data,Node* left,Node* right)
{
    Node* result    = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    result->data    = data;
    result->left    = left;
    result->right   = right;

    return result;
}

void deleteTree(Node* tree)
{
    if (tree == NULL)
    {   return;
    }

    deleteTree(tree->left);
    deleteTree(tree->right);
    free(tree);
}

int countNodesTree(Node* tree)
{
    if (tree == NULL)
    {   return 0;
    }

    return    countNodesTree(tree->left)
            + countNodesTree(tree->right)
            + 1;
}

void printTree(Node* tree)
{
    if (tree == NULL)
    {
        fprintf(stdout, "- ");
    }
    else
    {
        fprintf(stdout, "%d ", tree->data);
        printTree(tree->left);
        printTree(tree->right);
    }
};

Кодировать:

int* encode(Node *tree)
{
    int     nodeCount   = countNodesTree(tree);
    int*    result      = (int*)malloc(sizeof(int) * (nodeCount * 2 + 1));

    // Put the node count in the first element.
    // This makes it easy to also serialize this object for transport
    // i.e. you can put it in a file or a stream (socket) and easily recover it.
    result[0]           = nodeCount;
    encodeNode(tree, result + 1);
    return result;
}

int* encodeNode(Node* tree, int* store)
{
    if (tree != NULL)
    {
        store[0]    = tree->data;
        /*
         * Slight overkill. for this question.
         * But works and makes future enhancement easy
         */
        store[1]    = (tree->left  == NULL ? 0 : 1)
                    + (tree->right == NULL ? 0 : 2);
        store += 2;

        store       = encodeNode(tree->left,  store);
        store       = encodeNode(tree->right, store);
    }
    return store;
}

Расшифровка:

Node* decode(int* store)
{
    if (store == NULL)
    { fprintf(stderr, "Bad Input terminating: encode() always return non NULL\n");
      exit(1);
    }

    if (store[0] == 0)
    {
        return NULL;
    }

    store++;
    return decodeNode(&store);
}

Node* decodeNode(int** store)
{
    int     value   = (*store)[0];
    int     flag    = (*store)[1];
    (*store) += 2;

    Node*   left    = flag & 1 ? decodeNode(store) : NULL;
    Node*   right   = flag & 2 ? decodeNode(store) : NULL;

    return newNode(value, left, right);
}

Основной:

int main()
{
    Node*   t = newNode(5,
                        newNode(3, NULL, NULL),
                        newNode(2,
                                newNode(2,
                                        newNode(9, NULL, NULL),
                                        newNode(9, NULL, NULL)
                                       ),
                                newNode(1, NULL, NULL)
                               )
                       );

    printTree(t);
    fprintf(stdout,"\n");

    int*    e   = encode(t);
    Node*   d   = decode(e);
    printTree(d);
    fprintf(stdout,"\n");

    free(e);
    deleteTree(d);
    deleteTree(t);
}

Заметка. Каждый узел кодируется как два целых числа (плюс одно целое для количества узлов).
Таким образом, поставляемое дерево кодируется так:

 7, 5, 3, 3, 0, 2, 3, 2, 3, 9, 0, 9, 0 1, 0
 ^  ^
 ^  ^ Node 1
 ^
 Count

В Ruby с той же кодировкой, что и у @MtnViewMark :

class Node
        def initialize(data, left = nil, right = nil)
                @data, @left, @right = data, left, right
        end

        def encode
                "%d %s %s" % [@data<<1|1, @left.encode, @right.encode]
        end

        class << self
                def decode(str)
                        _decode(str.split.map &:to_i)
                end

                private

                def _decode(a)
                        n = a.shift
                        if n & 1 == 1
                                Node.new(n>>1, _decode(a), _decode(a))
                        else
                                Leaf.new(n>>1)
                        end
                end
        end
end

class Leaf < Node
        def encode
                (@data<<1).to_s
        end
end

tree=Node.decode("11 6 5 5 18 18 2")
print tree.encode

Стоимость составляет одно целое число на узел ( data << 1 | has_childs):

11 6 5 5 18 18 2

Дано двоичное дерево с nузлами, это кодирует его в список 2n + 1целых чисел. Оба алгоритма кодирования и декодирования имеют O(n)сложность.

Я использую целое число 0 в качестве часового маркера при кодировании, указывая, когда я раскрываю рекурсию. Затем, когда я декодирую, я помещаю создаваемые мной узлы дерева в стек (своего рода) и использую 0 в списке, чтобы отслеживать, куда добавить следующий узел. Я не пробовал, но я уверен, что декодирование сломалось бы, если бы дерево не было завершено.

#include <math.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// Prototypes
struct BTnode;
struct BTnode * bt_add_left(struct BTnode * node, int data);
struct BTnode * bt_add_right(struct BTnode * node, int data);
int             bt_depth(struct BTnode * tree);
int             bt_encode_preorder(int * list, struct BTnode * tree, int index);
struct BTnode * bt_node_create(int data);
int             bt_node_delete(struct BTnode * node);
void            bt_print_preorder(struct BTnode * tree);
int *           encode(struct BTnode * tree);
struct BTnode * decode(int * list);

// Binary tree node
struct BTnode
{
  int data;
  struct BTnode *left, *right;
};

// Add node to this node's left
struct BTnode * bt_add_left(struct BTnode * node, int data)
{
  struct BTnode * newnode = bt_node_create(data);
  node->left = newnode;
  return newnode;
}

// Add node to this node's right
struct BTnode * bt_add_right(struct BTnode * node, int data)
{
  struct BTnode * newnode = bt_node_create(data);
  node->right = newnode;
  return newnode;
}

// Determine depth of the tree
int bt_depth(struct BTnode * tree)
{
  int depth;
  int leftdepth = 0;
  int  rightdepth = 0;
  if( tree == NULL ) return 0;

  if( tree->left != NULL )
    leftdepth = bt_depth(tree->left);
  if( tree->right != NULL )
    rightdepth = bt_depth(tree->right);

  depth = leftdepth;
  if(rightdepth > leftdepth)
    depth = rightdepth;

  return depth + 1;
}

// Recursively add node values to integer list, using 0 as an unfolding sentinel
int bt_encode_preorder(int * list, struct BTnode * tree, int index)
{
  list[ index++ ] = tree->data;

  // This assumes the tree is complete (i.e., if the current node does not have
  // a left child, then it does not have a right child either)
  if( tree->left != NULL )
  {
    index = bt_encode_preorder(list, tree->left, index);
    index = bt_encode_preorder(list, tree->right, index);
  }

  // Add sentinel
  list[ index++ ] = 0;
  return index;
}

// Allocate memory for a node
struct BTnode * bt_node_create(int data)
{
  struct BTnode * newnode = (struct BTnode *) malloc(sizeof(struct BTnode));
  newnode->left = NULL;
  newnode->right = NULL;
  newnode->data = data;
  return newnode;
}

// Free node memory
int bt_node_delete(struct BTnode * node)
{
  int data;
  if(node == NULL)
    return 0;
  data = node->data;

  if(node->left != NULL)
    bt_node_delete(node->left);
  if(node->right != NULL)
    bt_node_delete(node->right);

  free(node);
  return data;
}

// Print all values from the tree in pre-order
void bt_print_preorder(struct BTnode * tree)
{
  printf("%d ", tree->data);
  if(tree->left != NULL)
    bt_print_preorder(tree->left);
  if(tree->right != NULL)
    bt_print_preorder(tree->right);
}

// Decode binary tree structure from a list of integers
struct BTnode * decode(int * list)
{
  struct BTnode * tree;
  struct BTnode * nodestack[ list[0] ];
  int i,j;

  // Handle trivial case
  if( list == NULL ) return NULL;

  tree = bt_node_create( list[1] );
  nodestack[ 1 ] = tree;

  j = 1;
  for(i = 2; i < list[0]; i++)
  {
    if( list[i] == 0 )
    {
      //printf("popping\n");
      j--;
    }
    else
    {
      if( nodestack[j]->left == NULL )
      {
        //printf("Adding %d to left of %d\n", list[i], nodestack[j]->data);
        nodestack[ j+1 ] = bt_add_left(nodestack[j], list[i]);
        j++;
      }
      else
      {
        //printf("Adding %d to right of %d\n", list[i], nodestack[j]->data);
        nodestack[ j+1 ] = bt_add_right(nodestack[j], list[i]);
        j++;
      }
    }
  }

  return tree;
}

// Encode binary tree structure as a list of integers
int * encode(struct BTnode * tree)
{
  int maxnodes, depth, length;
  int * list;
  int j;

  // Handle trivial case
  if(tree == NULL) return NULL;

  // Calculate maximum number of nodes in the tree from the tree depth
  maxnodes = 1;
  depth = bt_depth(tree);
  for(j = 0; j < depth; j++)
  {
    maxnodes += pow(2, j);
  }

  // Allocate memory for the list; we need two ints for each value plus the
  // first value in the list to indicate length
  list = (int *) malloc( ((maxnodes * 2)+1) * sizeof(int));
  length = bt_encode_preorder(list, tree, 1);
  list[ 0 ] = length;
  return list;
}

int main()
{
  struct BTnode * tree;
  struct BTnode * newtree;
  int * list;
  int i;

  /* Provided example

        5
       / \
      3   2
         / \
        2   1
       / \
      9   9
  */
  tree = bt_node_create(5);
  bt_add_left(tree, 3);
  struct BTnode * temp = bt_add_right(tree, 2);
  bt_add_right(temp, 1);
  temp = bt_add_left(temp, 2);
  bt_add_left(temp, 9);
  bt_add_right(temp, 9);
  printf("T (traversed in pre-order):  ");
  bt_print_preorder(tree);
  printf("\n");

  list = encode(tree);
  printf("T (encoded as integer list): ");
  for(i = 1; i < list[0]; i++)
    printf("%d ", list[i]);
  printf("\n");

  newtree = decode(list);
  printf("T' (decoded from int list):  ");
  bt_print_preorder(newtree);
  printf("\n\n");


  // Free memory
  bt_node_delete(tree);
  bt_node_delete(newtree);
  free(list);
  return 0;
}

Сохранено это как encode.cпотом скомпилировано и выполнено. Эта программа использует предоставленное вами дерево примеров, и я успешно протестировал его на нескольких других.

$ gcc -Wall -lm -o encode encode.c
$ ./encode 
T (traversed in pre-order):  5 3 2 2 9 9 1 
T (encoded as integer list): 5 3 0 2 2 9 0 9 0 0 1 0 0 0 
T' (decoded from int list):  5 3 2 2 9 9 1

Мой код кодирует дерево в обходе предзаказа, каждый лист в два целых (его данные следуют за 0) и каждый внутренний узел в одном int (за его данными следует левый потомок, затем его правый). Для полного двоичного дерева (как вы его определяете) с n узлами, n должно быть нечетным, и есть (n + 1) / 2 листьев и (n-1) / 2 внутренних узла, так что это 3n / 2 + 1 / 2 целых числа для кодирования.

предупреждение: не проверено, просто набрал его

struct node {
  int data;
  struct node *left, *right;
};

void encodeInternal(struct node *root, vector<int> *buf) {
  buf->push_back(root->data);
  if (root->left) {
    encodeInternal(root->left, buf);
    encodeInternal(root->right, buf);
  } else {
    buf->push_back(0);
  }
}
int *encode(struct node *root) {
  vector<int> buf;
  encodeInternal(root, &buf);
  return &buf[0];
}

struct decodeResult {
  int encoded_size;
  struct node *n;
}
struct decodeResult decodeInternal(int *array) {
  struct node *n = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
  n->data = array[0];
  if (array[1] == 0) {
    n->left = n->right = NULL;
    return (decodeResult){2, n};
  } else {
    decodeResult L = decodeInternal(array + 1);
    decodeResult R = decodeInternal(array + 1 + L.encoded_size);
    n->left = L.n;
    n->right = R.n;
    return (decodeResult){1 + L.encoded_size + R.encoded_size, n};
  }
}
struct node *decode(int *array) {
  return decodeInternal(array).n;
}

Вот моя попытка. Он хранит дерево в массиве размером 2 ** глубина + 1. Он используется a[0]для хранения размера и a[size]для хранения индекса первого «пустого узла», с которым он сталкивается при прохождении в глубину. (Пустой узел - это место, где будет храниться дочерний элемент, если у него был родитель). Каждый пустой узел содержит индекс следующего пустого узла, который будет встречен.

Эта схема позволяет избежать резервирования битов для обозначения присутствующих потомков, поэтому каждый узел может использовать полный диапазон целых чисел. Также допускаются несбалансированные деревья - у родителя может быть только один ребенок.

выход:

empty tree:  [0]
head node only:  [2,5,0]
example tree: [16,5,3,2,5,14,2,1,0,0, 0,0,9,9,15,0,4];

Кодировщик:

//utility
 int findDepth(Node* n) {
    int l = 0 ,r = 0;
    if (n) {
       l = 1 + findDepth(n->left);
       r = 1 + findDepth(n->right);
    }
    return ( l > r ) ? l : r;
 }

//Encode Function
 int* encodeTree(Node* head) {
    int* out;
    int depth = findDepth(head);
    int size = depth>0;
    while (depth--) size*=2;
    out = calloc(size+1,sizeof(int));
    out[0]=size;
    encodeNode(head, out,1, out+size);
    return out;
 }

 void encodeNode(Node* n, int* a, int idx, int* pEmpty) {
    if (n) {
       a[idx]=n->data;
       encodeNode(n->left,a,idx*2,pEmpty);
       encodeNode(n->right,a,idx*2+1,pEmpty);
    }
    else if (idx<a[0]) {
       *pEmpty = idx;
       pEmpty = a+idx;
    }
 }

Декодер:

 //Decode Function
 Node* decodeArray(int* a) {
    return (a[0]) ?  decodeNode(a,1,a+a[0]) : NULL;
 }

 Node* decodeNode(int* a, int idx, int* pEmpty) {
    Node* n = NULL;
    if (idx== *pEmpty)
       *pEmpty=a[idx];
    else {
       n = calloc(1,sizeof(Node));
       n->data = a[idx];
       if (idx*2<a[0]) {
          n->left = decodeNode(a, idx*2, pEmpty);
          n->right = decodeNode(a, idx*2+1, pEmpty);
       }
    }
    return n;
 }

(спасибо @daniel sobral за исправление форматирования)

Scala:

trait Node {
  def encode (): Array[Int]
}

case object Node {
  def decode (a: Array[Int]): InnerNode = {
    if (a.length == 1) InnerNode (a(0)) else {
      val r = InnerNode (a(1)) 
      val l = decode (a.tail.tail) 
      InnerNode (a(0), l, r) 
    }
  }
}

case object Leaf extends Node {
  def encode (): Array[Int] = Array.empty
}

case class InnerNode (val data: Int, var l: Node=Leaf, var r: Node=Leaf) extends Node {
  def encode (): Array[Int] = Array (data) ++ r.encode () ++ l.encode () 
}

object BinTreeTest extends App {
  println (Node.decode (Array (1, 2, 3, 4, 5)).encode.mkString (", "))
}

Это подход, который использует устаревший синтаксис, но компилируется без ошибок в Scala 2.9.1. Он генерирует дерево и декодирует каждое закодированное дерево в тот же массив, который используется для кодирования. Может быть, я каким-то образом избавился от устаревших предупреждений сегодня.

Вау - это было просто. Первая идея сработала сразу.