Estructura de datos de árbol en C #

Estaba buscando una estructura de datos de árbol o gráfico en C #, pero supongo que no se proporciona ninguno. Un extenso examen de las estructuras de datos con C # 2.0 explica un poco sobre por qué. ¿Existe una biblioteca conveniente que se usa comúnmente para proporcionar esta funcionalidad? Quizás a través de un patrón de estrategia para resolver los problemas presentados en el artículo.

Me siento un poco tonto implementando mi propio árbol, tal como lo haría con mi propia ArrayList.

Solo quiero un árbol genérico que pueda estar desequilibrado. Piensa en un árbol de directorios. C5 parece ingenioso, pero sus estructuras de árbol parecen implementarse como árboles equilibrados rojo-negros más adecuados para la búsqueda que para representar una jerarquía de nodos.

Mi mejor consejo sería que no exista una estructura de datos de árbol estándar porque hay tantas maneras de implementarla que sería imposible cubrir todas las bases con una sola solución. Cuanto más específica sea una solución, es menos probable que sea aplicable a cualquier problema dado. Incluso me molesta con LinkedList, ¿qué pasa si quiero una lista circular vinculada?

La estructura básica que necesitará implementar será una colección de nodos, y aquí hay algunas opciones para comenzar. Supongamos que la clase Node es la clase base de toda la solución.

Si solo necesita navegar por el árbol, una clase Node necesita una Lista de hijos.

Si necesita navegar por el árbol, la clase Node necesita un enlace a su nodo padre.

Cree un método AddChild que se ocupe de todos los detalles de estos dos puntos y de cualquier otra lógica de negocios que deba implementarse (límites secundarios, clasificación de los elementos secundarios, etc.)

delegate void TreeVisitor<T>(T nodeData);

class NTree<T>
{
    private T data;
    private LinkedList<NTree<T>> children;

    public NTree(T data)
    {
         this.data = data;
        children = new LinkedList<NTree<T>>();
    }

    public void AddChild(T data)
    {
        children.AddFirst(new NTree<T>(data));
    }

    public NTree<T> GetChild(int i)
    {
        foreach (NTree<T> n in children)
            if (--i == 0)
                return n;
        return null;
    }

    public void Traverse(NTree<T> node, TreeVisitor<T> visitor)
    {
        visitor(node.data);
        foreach (NTree<T> kid in node.children)
            Traverse(kid, visitor);
    }
}

Implementación recursiva simple ... <40 líneas de código ... Solo necesita mantener una referencia a la raíz del árbol fuera de la clase, o envolverla en otra clase, ¿tal vez cambiar el nombre a TreeNode?

Aquí está el mío, que es muy similar al de Aaron Gage , un poco más convencional, en mi opinión. Para mis propósitos, no me he encontrado con ningún problema de rendimiento con List<T>. Sería bastante fácil cambiar a LinkedList si fuera necesario.

namespace Overby.Collections
{
    public class TreeNode<T>
    {
        private readonly T _value;
        private readonly List<TreeNode<T>> _children = new List<TreeNode<T>>();

        public TreeNode(T value)
        {
            _value = value;
        }

        public TreeNode<T> this[int i]
        {
            get { return _children[i]; }
        }

        public TreeNode<T> Parent { get; private set; }

        public T Value { get { return _value; } }

        public ReadOnlyCollection<TreeNode<T>> Children
        {
            get { return _children.AsReadOnly(); }
        }

        public TreeNode<T> AddChild(T value)
        {
            var node = new TreeNode<T>(value) {Parent = this};
            _children.Add(node);
            return node;
        }

        public TreeNode<T>[] AddChildren(params T[] values)
        {
            return values.Select(AddChild).ToArray();
        }

        public bool RemoveChild(TreeNode<T> node)
        {
            return _children.Remove(node);
        }

        public void Traverse(Action<T> action)
        {
            action(Value);
            foreach (var child in _children)
                child.Traverse(action);
        }

        public IEnumerable<T> Flatten()
        {
            return new[] {Value}.Concat(_children.SelectMany(x => x.Flatten()));
        }
    }
}

Otra estructura de árbol más:

public class TreeNode<T> : IEnumerable<TreeNode<T>>
{

    public T Data { get; set; }
    public TreeNode<T> Parent { get; set; }
    public ICollection<TreeNode<T>> Children { get; set; }

    public TreeNode(T data)
    {
        this.Data = data;
        this.Children = new LinkedList<TreeNode<T>>();
    }

    public TreeNode<T> AddChild(T child)
    {
        TreeNode<T> childNode = new TreeNode<T>(child) { Parent = this };
        this.Children.Add(childNode);
        return childNode;
    }

    ... // for iterator details see below link
}

Uso de la muestra:

TreeNode<string> root = new TreeNode<string>("root");
{
    TreeNode<string> node0 = root.AddChild("node0");
    TreeNode<string> node1 = root.AddChild("node1");
    TreeNode<string> node2 = root.AddChild("node2");
    {
        TreeNode<string> node20 = node2.AddChild(null);
        TreeNode<string> node21 = node2.AddChild("node21");
        {
            TreeNode<string> node210 = node21.AddChild("node210");
            TreeNode<string> node211 = node21.AddChild("node211");
        }
    }
    TreeNode<string> node3 = root.AddChild("node3");
    {
        TreeNode<string> node30 = node3.AddChild("node30");
    }
}

BONIFICACIÓN
Ver árbol de pleno derecho con:

• iterador
• buscando
• Java / C #

https://github.com/gt4dev/yet-another-tree-structure

La generalmente excelente Biblioteca de colecciones genéricas C5 tiene varias estructuras de datos diferentes basadas en árboles, incluidos conjuntos, bolsas y diccionarios. El código fuente está disponible si desea estudiar los detalles de su implementación. (He usado colecciones C5 en código de producción con buenos resultados, aunque no he usado ninguna de las estructuras de árbol específicamente).

Ver http://quickgraph.codeplex.com/

QuickGraph proporciona estructuras de datos y algoritmos de gráficos genéricos dirigidos / no dirigidos para .Net 2.0 y versiones posteriores. QuickGraph viene con algoritmos tales como búsqueda de profundidad, búsqueda de respiración, búsqueda A *, ruta más corta, ruta k-más corta, flujo máximo, árbol de expansión mínimo, antepasados ​​menos comunes, etc. QuickGraph admite MSAGL, GLEE y Graphviz para renderizar los gráficos, la serialización a GraphML, etc.

Si desea escribir el suyo, puede comenzar con este documento de seis partes que detalla el uso efectivo de las estructuras de datos de C # 2.0 y cómo analizar su implementación de estructuras de datos en C #. Cada artículo tiene ejemplos y un instalador con ejemplos que puede seguir.

"Un extenso examen de las estructuras de datos utilizando C # 2.0" por Scott Mitchell

Tengo una pequeña extensión a las soluciones.

Usando una declaración genérica recursiva y una subclase derivada, puede concentrarse mejor en su objetivo real.

Tenga en cuenta que es diferente de una implementación no genérica, no necesita emitir 'nodo' en 'NodeWorker'.

Aquí está mi ejemplo:

public class GenericTree<T> where T : GenericTree<T> // recursive constraint  
{
  // no specific data declaration  

  protected List<T> children;

  public GenericTree()
  {
    this.children = new List<T>();
  }

  public virtual void AddChild(T newChild)
  {
    this.children.Add(newChild);
  }

  public void Traverse(Action<int, T> visitor)
  {
    this.traverse(0, visitor);
  }

  protected virtual void traverse(int depth, Action<int, T> visitor)
  {
    visitor(depth, (T)this);
    foreach (T child in this.children)
      child.traverse(depth + 1, visitor);
  }
}

public class GenericTreeNext : GenericTree<GenericTreeNext> // concrete derivation
{
  public string Name {get; set;} // user-data example

  public GenericTreeNext(string name)
  {
    this.Name = name;
  }
}

static void Main(string[] args)  
{  
  GenericTreeNext tree = new GenericTreeNext("Main-Harry");  
  tree.AddChild(new GenericTreeNext("Main-Sub-Willy"));  
  GenericTreeNext inter = new GenericTreeNext("Main-Inter-Willy");  
  inter.AddChild(new GenericTreeNext("Inter-Sub-Tom"));  
  inter.AddChild(new GenericTreeNext("Inter-Sub-Magda"));  
  tree.AddChild(inter);  
  tree.AddChild(new GenericTreeNext("Main-Sub-Chantal"));  
  tree.Traverse(NodeWorker);  
}  

static void NodeWorker(int depth, GenericTreeNext node)  
{                                // a little one-line string-concatenation (n-times)
  Console.WriteLine("{0}{1}: {2}", String.Join("   ", new string[depth + 1]), depth, node.Name);  
}  

Aquí está el mío:

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var tree = new Tree<string>()
            .Begin("Fastfood")
                .Begin("Pizza")
                    .Add("Margherita")
                    .Add("Marinara")
                .End()
                .Begin("Burger")
                    .Add("Cheese burger")
                    .Add("Chili burger")
                    .Add("Rice burger")
                .End()
            .End();

        tree.Nodes.ForEach(p => PrintNode(p, 0));
        Console.ReadKey();
    }

    static void PrintNode<T>(TreeNode<T> node, int level)
    {
        Console.WriteLine("{0}{1}", new string(' ', level * 3), node.Value);
        level++;
        node.Children.ForEach(p => PrintNode(p, level));
    }
}

public class Tree<T>
{
    private Stack<TreeNode<T>> m_Stack = new Stack<TreeNode<T>>();

    public List<TreeNode<T>> Nodes { get; } = new List<TreeNode<T>>();

    public Tree<T> Begin(T val)
    {
        if (m_Stack.Count == 0)
        {
            var node = new TreeNode<T>(val, null);
            Nodes.Add(node);
            m_Stack.Push(node);
        }
        else
        {
            var node = m_Stack.Peek().Add(val);
            m_Stack.Push(node);
        }

        return this;
    }

    public Tree<T> Add(T val)
    {
        m_Stack.Peek().Add(val);
        return this;
    }

    public Tree<T> End()
    {
        m_Stack.Pop();
        return this;
    }
}

public class TreeNode<T>
{
    public T Value { get; }
    public TreeNode<T> Parent { get; }
    public List<TreeNode<T>> Children { get; }

    public TreeNode(T val, TreeNode<T> parent)
    {
        Value = val;
        Parent = parent;
        Children = new List<TreeNode<T>>();
    }

    public TreeNode<T> Add(T val)
    {
        var node = new TreeNode<T>(val, this);
        Children.Add(node);
        return node;
    }
}

Salida:

Fastfood
   Pizza
      Margherita
      Marinara
   Burger
      Cheese burger
      Chili burger
      Rice burger

Prueba esta simple muestra.

public class TreeNode<TValue>
{
    #region Properties
    public TValue Value { get; set; }
    public List<TreeNode<TValue>> Children { get; private set; }
    public bool HasChild { get { return Children.Any(); } }
    #endregion
    #region Constructor
    public TreeNode()
    {
        this.Children = new List<TreeNode<TValue>>();
    }
    public TreeNode(TValue value)
        : this()
    {
        this.Value = value;
    }
    #endregion
    #region Methods
    public void AddChild(TreeNode<TValue> treeNode)
    {
        Children.Add(treeNode);
    }
    public void AddChild(TValue value)
    {
        var treeNode = new TreeNode<TValue>(value);
        AddChild(treeNode);
    }
    #endregion
}

Creo una clase Node que podría ser útil para otras personas. La clase tiene propiedades como:

• Niños
• Antepasados
• Descendientes
• Hermanos
• Nivel del nodo
• Padre
• Raíz
• Etc.

También existe la posibilidad de convertir una lista plana de elementos con un Id y un ParentId en un árbol. Los nodos tienen una referencia tanto a los hijos como a los padres, por lo que los nodos iterativos son bastante rápidos.

Como no se menciona, me gustaría llamar la atención sobre la base de código .net ahora lanzada: específicamente el código para un SortedSetque implementa un Árbol Rojo-Negro:

https://github.com/Microsoft/referencesource/blob/master/System/compmod/system/collections/generic/sortedset.cs

Sin embargo, esta es una estructura de árbol equilibrada. Entonces, mi respuesta es más una referencia a lo que creo que es la única estructura de árbol nativa en la biblioteca principal de .net.

He completado el código que @Berezh ha compartido.

  public class TreeNode<T> : IEnumerable<TreeNode<T>>
    {

        public T Data { get; set; }
        public TreeNode<T> Parent { get; set; }
        public ICollection<TreeNode<T>> Children { get; set; }

        public TreeNode(T data)
        {
            this.Data = data;
            this.Children = new LinkedList<TreeNode<T>>();
        }

        public TreeNode<T> AddChild(T child)
        {
            TreeNode<T> childNode = new TreeNode<T>(child) { Parent = this };
            this.Children.Add(childNode);
            return childNode;
        }

        public IEnumerator<TreeNode<T>> GetEnumerator()
        {
            throw new NotImplementedException();
        }

        IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
        {
            return (IEnumerator)GetEnumerator();
        }
    }
    public class TreeNodeEnum<T> : IEnumerator<TreeNode<T>>
    {

        int position = -1;
        public List<TreeNode<T>> Nodes { get; set; }

        public TreeNode<T> Current
        {
            get
            {
                try
                {
                    return Nodes[position];
                }
                catch (IndexOutOfRangeException)
                {
                    throw new InvalidOperationException();
                }
            }
        }


        object IEnumerator.Current
        {
            get
            {
                return Current;
            }
        }


        public TreeNodeEnum(List<TreeNode<T>> nodes)
        {
            Nodes = nodes;
        }

        public void Dispose()
        {
        }

        public bool MoveNext()
        {
            position++;
            return (position < Nodes.Count);
        }

        public void Reset()
        {
            position = -1;
        }
    }

Aquí hay un árbol

public class Tree<T> : List<Tree<T>>
{
    public  T Data { get; private set; }

    public Tree(T data)
    {
        this.Data = data;
    }

    public Tree<T> Add(T data)
    {
        var node = new Tree<T>(data);
        this.Add(node);
        return node;
    }
}

Incluso puedes usar inicializadores:

    var tree = new Tree<string>("root")
    {
        new Tree<string>("sample")
        {
            "console1"
        }
    };

La mayoría de los árboles están formados por los datos que está procesando.

Digamos que tiene una personclase que incluye detalles de alguien parents, ¿preferiría tener la estructura de árbol como parte de su "clase de dominio", o usar una clase de árbol separada que contuviera enlaces a sus objetos personales? Piense en una operación simple como obtener todo el grandchildrena person, ¿debería este código estar en la person clase, o el usuario de la personclase debe saber sobre una clase de árbol separada?

Otro ejemplo es un árbol de análisis en un compilador ...

Lo que muestran estos dos ejemplos es que el concepto de árbol es parte del dominio de los datos y el uso de un árbol de propósito general separado al menos duplica el número de objetos que se crean y hace que la API sea más difícil de programar nuevamente.

Lo que queremos es una forma de reutilizar las operaciones de árbol estándar, sin tener que volver a implementarlas para todos los árboles, al mismo tiempo, sin tener que usar una clase de árbol estándar. Boost ha intentado resolver este tipo de problema para C ++, pero aún no he visto ningún efecto para .NET adaptarse.

He agregado una solución completa y un ejemplo usando la clase NTree anterior, también agregué el método "AddChild" ...

    public class NTree<T>
    {
        public T data;
        public LinkedList<NTree<T>> children;

        public NTree(T data)
        {
            this.data = data;
            children = new LinkedList<NTree<T>>();
        }

        public void AddChild(T data)
        {
            var node = new NTree<T>(data) { Parent = this };
            children.AddFirst(node);
        }

        public NTree<T> Parent { get; private set; }

        public NTree<T> GetChild(int i)
        {
            foreach (NTree<T> n in children)
                if (--i == 0)
                    return n;
            return null;
        }

        public void Traverse(NTree<T> node, TreeVisitor<T> visitor, string t, ref NTree<T> r)
        {
            visitor(node.data, node, t, ref r);
            foreach (NTree<T> kid in node.children)
                Traverse(kid, visitor, t, ref r);
        }
    }
    public static void DelegateMethod(KeyValuePair<string, string> data, NTree<KeyValuePair<string, string>> node, string t, ref NTree<KeyValuePair<string, string>> r)
    {
        string a = string.Empty;
        if (node.data.Key == t)
        {
            r = node;
            return;
        }
    }

utilizando

 NTree<KeyValuePair<string, string>> ret = null;
 tree.Traverse(tree, DelegateMethod, node["categoryId"].InnerText, ref ret);

Aquí está mi implementación de BST

class BST
{
    public class Node
    {
        public Node Left { get; set; }
        public object Data { get; set; }
        public Node Right { get; set; }

        public Node()
        {
            Data = null;
        }

        public Node(int Data)
        {
            this.Data = (object)Data;
        }

        public void Insert(int Data)
        {
            if (this.Data == null)
            {
                this.Data = (object)Data;
                return;
            }
            if (Data > (int)this.Data)
            {
                if (this.Right == null)
                {
                    this.Right = new Node(Data);
                }
                else
                {
                    this.Right.Insert(Data);
                }
            }
            if (Data <= (int)this.Data)
            {
                if (this.Left == null)
                {
                    this.Left = new Node(Data);
                }
                else
                {
                    this.Left.Insert(Data);
                }
            }
        }

        public void TraverseInOrder()
        {
            if(this.Left != null)
                this.Left.TraverseInOrder();
            Console.Write("{0} ", this.Data);
            if (this.Right != null)
                this.Right.TraverseInOrder();
        }
    }

    public Node Root { get; set; }
    public BST()
    {
        Root = new Node();
    }
}

Si va a mostrar este árbol en la GUI, puede usar TreeView y TreeNode . (Supongo que técnicamente puede crear un TreeNode sin ponerlo en una GUI, pero tiene más sobrecarga que una simple implementación de TreeNode propia).

En caso de que necesite una implementación de estructura de datos de árbol enraizada que use menos memoria, puede escribir su clase de nodo de la siguiente manera (implementación de C ++):

class Node {
       Node* parent;
       int item; // depending on your needs

       Node* firstChild; //pointer to left most child of node
       Node* nextSibling; //pointer to the sibling to the right
}