C++ 二叉树OJ题

news2024/11/18 10:40:58

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1、606. 根据二叉树创建字符串

2、102. 二叉树的层序遍历 

3、107. 二叉树的层序遍历 II

4、236. 二叉树的最近公共祖先

5、JZ36 二叉搜索树与双向链表

6、105. 从前序与中序遍历序列构造二叉树

7、106. 从中序与后序遍历序列构造二叉树

8、144. 二叉树的前序遍历

9、94. 二叉树的中序遍历

10、145. 二叉树的后序遍历

1、606. 根据二叉树创建字符串

思路：

  1. 首先判断当前节点是否为空，为空则返回空字符串，不为空则将节点的值转换成字符串，并将其赋值给str。
  2. 接着判断如果节点的左右子节点至少有一个不为空，将左括号添加到str中，然后递归调tree2str函数处理左子树，并将结果添加到str中，最后添加右括号。接着检查当前节点是否有右子节点。
  3. 如果有右子节点，表示当前节点无论是否有左子节点和右子节点，都需要添加括号。
class Solution {
public:
    string tree2str(TreeNode* root) {
        if (root == nullptr)
            return "";
        string str = to_string(root->val);
        if (root->left || root->right) {
            str += '(';
            str += tree2str(root->left);
            str += ')';
        }
        if (root->right) {
            str += '(';
            str += tree2str(root->right);
            str += ')';
        }
        return str;
    }
};

拓展： 

在C++中，std::stoi函数是一个非常有用的函数，它可以将字符串转换为整数。类似的，我们还有std::stol，std::stoll，std::stof，std::stod，std::stold等函数，它们分别用于将字符串转换为长整型，长长整型，浮点型，双精度浮点型和长双精度浮点型。

#include <string>
#include <iostream>

int main() {
    std::string str1 = "42";
    std::string str2 = "3.14159";
    std::string str3 = "1234567890123456789";
    std::string str4 = "0x7f";

    int num1 = std::stoi(str1);
    float num2 = std::stof(str2);
    long long num3 = std::stoll(str3);
    int num4 = std::stoi(str4, 0, 16); // 使用16进制

    std::cout << "num1: " << num1 << "\n";
    std::cout << "num2: " << num2 << "\n";
    std::cout << "num3: " << num3 << "\n";
    std::cout << "num4: " << num4 << "\n";

    return 0;
}

在这个例子中，我们首先定义了四个字符串，然后使用不同的函数将它们转换为不同类型的数字。注意，std::stoi和std::stoll等函数的第二个和第三个参数是可选的，它们分别用于指定转换的基数（例如，10表示十进制，16表示十六进制）和存储转换停止的位置。 

std::stoi(str4, 0, 16)时出现的0实际上是第三个参数，它表示转换的基数。这个例子中，基数被设置为0，这意味着函数会根据字符串的格式自动确定基数。

输出：

num1: 42
num2: 3.14159
num3: 1234567890123456789
num4: 127

to_string函数：to_string函数用于将数字转换为字符串。它接受一个数字作为参数，并返回相应的字符串表示。这个函数对于将数字与其他字符串连接起来或者在输出中使用数字非常有用。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    int num = 12345;
    std::string str = std::to_string(num);
    std::cout << "Converted string: " << str << std::endl;
    return 0;
}

 输出：

Converted string: 12345

2、102. 二叉树的层序遍历 

思路：使用队列来实现层序遍历，每次遍历一层的节点，并将节点的值存储在一个二维向量中返回。 

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) {
        queue<TreeNode*> q;
        int levelSize = 0;
        if (root) {
            q.push(root);
            levelSize = 1;
        }
        vector<vector<int>> vv;
        while (!q.empty()) {
            vector<int> v;
            while (levelSize--) {
                TreeNode* front = q.front();
                q.pop();
                v.push_back(front->val);
                if (front->left)
                    q.push(front->left);
                if (front->right)
                    q.push(front->right);
            }
            vv.push_back(v);
            levelSize = q.size();
        }
        return vv;
    }
};

  1. 首先定义了一个Solution类，其中包含了一个levelOrder函数，用于执行层序遍历操作。

  2. 在levelOrder函数中，创建了一个队列q，用于存储待遍历的节点。同时，定义了一个变量levelSize，用于记录当前层的节点数量。

  3. 如果根节点root存在，将其加入队列q，并将levelSize设置为1。

  4. 创建一个二维向量vv，用于存储遍历结果。

  5. 进入while循环，当队列q不为空时，执行以下操作：

    a. 创建一个一维向量v，用于存储当前层的节点值。

    b. 在内层while循环中，通过levelSize--来遍历当前层的节点。每次循环，从队列q中取出一个节点front，并将其值加入到v中。

    c. 如果front的左子节点存在，将其加入队列q。

    d. 如果front的右子节点存在，将其加入队列q。

    e. 将v加入到vv中，表示当前层的节点值已经遍历完毕。

    f. 将levelSize更新为队列q的大小，即下一层的节点数量。

  6. 循环结束后，返回二维向量vv，即为二叉树的层序遍历结果。

3、107. 二叉树的层序遍历 II

思路：与上题思路一样，仅需将结果数组逆置即可。 

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> levelOrderBottom(TreeNode* root) {
        queue<TreeNode*> q;
        int levelSize = 0;
        vector<vector<int>> vv;
        if (root) {
            q.push(root);
            levelSize = 1;
        }
        while (!q.empty()) {
            vector<int> v;
            while (levelSize--) {
                TreeNode* front = q.front();
                q.pop();
                v.push_back(front->val);
                if (front->left)
                    q.push(front->left);
                if (front->right)
                    q.push(front->right);
            }
            vv.push_back(v);
            levelSize = q.size();
        }
        reverse(vv.begin(), vv.end());
        return vv;
    }
};

 

4、236. 二叉树的最近公共祖先

第一种思路：

  • 如果一个在节点的左树一个在节点的右树，那这个节点就是公共祖先。
  • 如果二者都在根节点的同一颗子树（左子树或右子树），转换为子问题，到对应子树找公共祖先。
class Solution {
public:
    bool InsInTree(TreeNode* root, TreeNode* x) {
        if (root == nullptr)
            return false;

        return root == x || InsInTree(root->left, x) ||
               InsInTree(root->right, x);
    }

    TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
        if (root == nullptr)
            return nullptr;

        if (p == root || q == root)
            return root;

        bool pInleft = InsInTree(root->left, p);
        bool pInRight = !pInleft;

        bool qInleft = InsInTree(root->left, q);
        bool qInRight = !qInleft;

        if ((pInLeft && qInRight) || (qInLeft && pInRight))
            return root;
        else if (pInLeft && qInLeft)
            return lowestCommonAncestor(root->left, p, q);
        else
            return lowestCommonAncestor(root->right, p, q);
    }
};
  1. 如果根节点是空的，那么返回空。
  2. 如果根节点就是我们要找的其中一个节点，那么返回根节点。
  3. 然后，我们检查两个节点是否在根节点的左子树或右子树中。这是通过调用IsInTree函数实现的，这个函数会递归地在子树中查找目标节点。
  4. 如果两个节点分别在根节点的左子树和右子树中，那么根节点就是他们的最低公共祖先。
  5. 如果两个节点都在左子树中，那么我们在左子树中递归地查找他们的最低公共祖先。
  6. 如果两个节点都在右子树中，那么我们在右子树中递归地查找他们的最低公共祖先。

这个算法的时间复杂度是O(N^2)，其中N是二叉树的节点数。这是因为对于每个节点，我们都可能需要在其子树中查找目标节点，这需要O(N)的时间。而我们可能需要对每个节点都做这样的操作，所以总的时间复杂度是O(N^2)。

空间复杂度是O(N)，这是因为在最坏的情况下，我们可能需要递归地访问所有的节点，这会在调用栈上产生O(N)的空间。

这个算法的时间复杂度可以进一步优化，时间复杂度可以降低到O(N)。

第二种思路：计算二者路径进行比较。时间复杂度：O(N)。

通过获取两个节点的路径，然后比较路径上的节点，找到最低公共祖先节点。它使用了栈来存储路径，通过递归遍历二叉树来获取路径。最后，通过比较栈中的节点，找到最低公共祖先节点并返回。

class Solution {
public:
    bool GetPath(TreeNode* root, TreeNode* x, stack<TreeNode*>& path) {
        if (root == nullptr)
            return false;
        path.push(root);
        if (root == x)
            return true;
        if (GetPath(root->left, x, path))
            return true;
        if (GetPath(root->right, x, path))
            return true;
        path.pop();
        return false;
    }
    TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
        stack<TreeNode*> pPath, qPath;
        GetPath(root, p, pPath);
        GetPath(root, q, qPath);
        while (qPath.size() != pPath.size()) {
            if (pPath.size() > qPath.size())
                pPath.pop();
            else
                qPath.pop();
        }
        while (pPath.top() != qPath.top()) {
            pPath.pop();
            qPath.pop();
        }
        return qPath.top();
    }
};

  1. GetPath 函数用于获取从根节点到目标节点的路径，并将路径上的节点存储在一个栈中。它采用递归的方式进行遍历。

  2. lowestCommonAncestor 函数是主要的解决方案函数。它首先创建两个栈 pPath 和 qPath，分别用于存储节点 p 和节点 q 的路径。

  3. 调用 GetPath 函数两次，分别获取节点 p 和节点 q 的路径，并将路径存储在对应的栈中。

  4. 接下来，使用一个循环来比较两个路径的长度，直到它们的长度相等为止。如果 pPath 的长度大于 qPath 的长度，则从 pPath 栈中弹出顶部节点；否则，从 qPath 栈中弹出顶部节点。这样，两个栈的长度将相等。

  5. 最后，使用另一个循环来比较 pPath 和 qPath 栈顶的节点，直到找到最低公共祖先节点为止。每次比较时，都从两个栈中同时弹出顶部节点。

  6. 返回 qPath 栈顶的节点作为最低公共祖先节点。

5、JZ36 二叉搜索树与双向链表

class Solution {
  public:
    void InOrder(TreeNode* cur, TreeNode*& prev) {
        if (cur == nullptr)
            return;
        InOrder(cur->left, prev);
        cur->left = prev;
        if (prev)
            prev->right = cur;
        prev = cur;
        InOrder(cur->right, prev);
    }
    TreeNode* Convert(TreeNode* pRootOfTree) {
        TreeNode* prev = nullptr;
        InOrder(pRootOfTree, prev);
        TreeNode* head = pRootOfTree;
        while (head && head->left) {
            head = head->left;
        }
        return head;
    }
};
  • 首先，我们定义了一个TreeNode结构体，它包含一个整数值val，以及左右子节点的指针left和right。这个结构体用于表示二叉树的节点。
  • 接下来是Solution类，其中包含了两个函数：InOrder和Convert。
  • InOrder函数是一个递归函数，用于进行中序遍历并完成转换。它接受两个参数：当前节点cur和前一个节点prev的引用。
    • 在函数内部，首先进行递归调用InOrder函数来处理当前节点的左子树。然后，将当前节点的左指针指向prev，将prev的右指针指向当前节点（如果prev不为空）。最后，更新prev为当前节点。接着，继续递归调用InOrdert函数来处理当前节点的右子树。
  • 在Convert函数内部，首先定义一个指针prev，并初始化为nullptr。然后调用InOrder函数来完成中序遍历和转换。最后，通过循环找到双向链表的头节点，即最左侧的节点，将其赋值给head，并返回head。

6、105. 从前序与中序遍历序列构造二叉树

思路： 根据前序遍历结果创建根节点，然后根据中序遍历结果确定左子树和右子树的范围，再递归构建左子树和右子树，最后返回构建好的二叉树根节点。

class Solution {
public:
    TreeNode* _buildTree(vector<int>& preorder, vector<int>& inorder, int& prei,
                         int inbegin, int inend) {
        if (inbegin > inend)
            return nullptr;
        TreeNode* root = new TreeNode(preorder[prei]);
        int rooti = inbegin;
        while (rooti <= inend) {
            if (inorder[rooti] == preorder[prei])
                break;
            else
                rooti++;
        }
        ++prei;
        root->left = _buildTree(preorder, inorder, prei, inbegin, rooti - 1);
        root->right = _buildTree(preorder, inorder, prei, rooti + 1, inend);
        return root;
    }
    TreeNode* buildTree(vector<int>& preorder, vector<int>& inorder) {
        int i = 0;
        return _buildTree(preorder, inorder, i, 0, inorder.size() - 1);
    }
};

  1. _buildTree 函数是一个递归函数，用于构建二叉树。它接受前序遍历结果 preorder、中序遍历结果 inorder、前序遍历索引 prei、中序遍历起始索引 inbegin 和中序遍历结束索引 inend 作为参数。

  2. 首先，检查中序遍历的起始索引 inbegin 是否大于结束索引 inend，如果是，则返回空指针，表示当前子树为空。

  3. 创建一个新的节点 root，节点的值为前序遍历索引 prei 对应的值。

  4. 初始化一个变量 rooti，用于记录当前节点在中序遍历结果中的索引。从 inbegin 开始遍历中序遍历结果，直到找到与当前节点值相等的节点为止。

  5. 增加前序遍历索引 prei 的值，以便下一次递归调用时可以获取下一个节点的值。

  6. 递归调用 _buildTree 函数构建当前节点的左子树，传入前序遍历结果 preorder、中序遍历结果 inorder、前序遍历索引 prei、中序遍历起始索引 inbegin 和 rooti - 1。

  7. 递归调用 _buildTree 函数构建当前节点的右子树，传入前序遍历结果 preorder、中序遍历结果 inorder、前序遍历索引 prei、rooti + 1 和中序遍历结束索引 inend。

  8. 返回当前节点 root。

  9. buildTree 函数是主要的解决方案函数。它初始化一个变量 i 为 0，并调用 _buildTree 函数来构建整个二叉树，传入前序遍历结果 preorder、中序遍历结果 inorder、前序遍历索引 i、中序遍历起始索引 0 和中序遍历结束索引 inorder.size() - 1。

  10. 返回构建好的二叉树的根节点。

 

7、106. 从中序与后序遍历序列构造二叉树

思路：根据后续遍历结果创建根节点，然后根据中序遍历结果确定左子树和右子树的范围，再递归构建左子树和右子树，最后返回构建好的二叉树根节点。 

class Solution {
public:
    TreeNode* _buildTree(vector<int>& postorder, vector<int>& inorder,
                         int& posi, int inbegin, int inend) {
        if (inbegin > inend)
            return nullptr;
        TreeNode* root = new TreeNode(postorder[posi]);
        int rooti = inbegin;
        while (rooti <= inend) {
            if (inorder[rooti] == postorder[posi])
                break;
            else
                rooti++;
        }
        --posi;
        root->right = _buildTree(postorder, inorder, posi, rooti + 1, inend);
        root->left = _buildTree(postorder, inorder, posi, inbegin, rooti - 1);
        return root;
    }
    TreeNode* buildTree(vector<int>& inorder, vector<int>& postorder) {
        int i = postorder.size() - 1;
        return _buildTree(postorder, inorder, i, 0, inorder.size() - 1);
    }
};

  1. _buildTree 函数是一个递归函数，用于构建二叉树。它接受后序遍历结果 postorder、中序遍历结果 inorder、后序遍历索引 posi、中序遍历起始索引 inbegin 和中序遍历结束索引 inend 作为参数。

  2. 首先，检查中序遍历的起始索引 inbegin 是否大于结束索引 inend，如果是，则返回空指针，表示当前子树为空。

  3. 创建一个新的节点 root，节点的值为后序遍历索引 posi 对应的值。

  4. 初始化一个变量 rooti，用于记录当前节点在中序遍历结果中的索引。从 inbegin 开始遍历中序遍历结果，直到找到与当前节点值相等的节点为止。

  5. 减小后序遍历索引 posi 的值，以便下一次递归调用时可以获取下一个节点的值。

  6. 递归调用 _buildTree 函数构建当前节点的右子树，传入后序遍历结果 postorder、中序遍历结果 inorder、后序遍历索引 posi、rooti + 1 和中序遍历结束索引 inend。

  7. 递归调用 _buildTree 函数构建当前节点的左子树，传入后序遍历结果 postorder、中序遍历结果 inorder、后序遍历索引 posi、中序遍历起始索引 inbegin 和 rooti - 1。

  8. 返回当前节点 root。

  9. buildTree 函数是主要的解决方案函数。它初始化一个变量 i 为后序遍历结果的最后一个索引，并调用 _buildTree 函数来构建整个二叉树，传入后序遍历结果 postorder、中序遍历结果 inorder、后序遍历索引 i、中序遍历起始索引 0 和中序遍历结束索引 inorder.size() - 1。

  10. 返回构建好的二叉树的根节点

8、144. 二叉树的前序遍历

非递归： 

思路：

  • 首先，我们创建一个栈 st 来存储节点。我们将根节点 root 赋值给当前节点 cur。
  • 然后，我们使用一个循环来遍历树，条件是当前节点不为空或者栈不为空。在循环中，我们首先进入一个内部循环，将当前节点及其值加入栈 st 和结果向量 v 中，并将当前节点更新为其左子节点，直到当前节点的左子树为空。
  • 当内部循环结束后，我们取出栈顶的节点 top，将其右子节点赋值给当前节点 cur。这样，我们就完成了对当前节点的左子树的遍历。
  • 整个过程会一直持续到当前节点为空且栈为空，即遍历完整个二叉树。
  • 最后，我们返回结果向量 v，其中存储了前序遍历的结果。 
class Solution {
public:
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> st;
        TreeNode* cur = root;
        vector<int> v;
        while (cur || !st.empty()) {
            while (cur) {
                v.push_back(cur->val);
                st.push(cur);
                cur = cur->left;
            }
            TreeNode* top = st.top();
            st.pop();
            cur = top->right;
        }
        return v;
    }
};

​

递归：

class Solution {
public:
    void preorder(TreeNode* root, vector<int>& ret) {
        if (root == nullptr) {
            return;
        }
        ret.push_back(root->val);
        preorder(root->left, ret);
        preorder(root->right, ret);
    }

    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> ret;
        preorder(root, ret);
        return ret;
    }
};

9、94. 二叉树的中序遍历

非递归： 

思路：继承非递归的前序遍历思路，存入数组的时机需要更改。 

class Solution {
public:
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> st;
        TreeNode* cur = root;
        vector<int> v;
        while (cur || !st.empty()) {
            while (cur) {
                st.push(cur);
                cur = cur->left;
            }
            TreeNode* top = st.top();
            st.pop();
            v.push_back(top->val);
            cur = top->right;
        }
        return v;
    }
};

​

递归： 

class Solution {
public:
    void inorder(TreeNode* root, vector<int>& ret) {
        if (root == nullptr)
            return;
        inorder(root->left, ret);
        ret.push_back(root->val);
        inorder(root->right, ret);
    }
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> ret;
        inorder(root, ret);
        return ret;
    }
};

10、145. 二叉树的后序遍历

非递归：  

 思路：通过栈来模拟递归的过程。先遍历左子树，然后遍历右子树，最后访问根节点。通过维护一个 prev 指针来判断右子树是否已经被访问过，从而确定是否可以访问当前的根节点。

class Solution {
public:
    vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> st;
        TreeNode* cur = root;
        vector<int> v;
        TreeNode* prev = nullptr;
        while (cur || !st.empty()) {
            while (cur) {
                st.push(cur);
                cur = cur->left;
            }
            
            TreeNode* top = st.top();

            //右为空，或者 右子树已经访问过了(上一个访问的节点是右子树的根)，可以访问根节点
            if (top->right == nullptr || top->right == prev) {
                v.push_back(top->val);
                st.pop();
                prev = top;
            } else {
                cur = top->right;
            }
        }
        return v;
    }
};

递归： 

class Solution {
public:
    void postorder(TreeNode *root, vector<int> &ret) {
        if (root == nullptr) {
            return;
        }
        postorder(root->left, ret);
        postorder(root->right, ret);
        ret.push_back(root->val);
    }

    vector<int> postorderTraversal(TreeNode *root) {
        vector<int> ret;
        postorder(root, ret);
        return ret;
    }
};

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