二叉树 — 理论基础
种类:
- 满二叉树(所有层的节点都是满的,k:深度 节点数量:2^k - 1)
- 完全二叉树(除了最后一层,其余层全满,并且最后一层从左到右连续)
- 二叉搜索树(对于每一个父节点来说,左子树的所有节点都小于父节点,右子树的所有节点都大于父节点 时间复杂度 : log(n) )
- 平衡二叉搜索树(左子树和右子树的高度差不能大于1 时间复杂度:log(n)
存储方式:
- 链式存储(左指针、右指针)
- 线式存储(数组 父节点 i,左子节点 2i + 1,右子节点 2i + 2)
遍历方式:
- 深度优先搜索:递归方式实现(前序、中序、后序)、迭代法(使用栈)
- 广度优先搜索:一层一层的去遍历(迭代法,使用队列)(层序遍历)
前序:中左右 中序:左中右 后序:左右中
定义方法:
struct TreeNode{
int value;
TreeNode* left;
TreeNode* right;
TreeNode(int val) : value(val) left(NULL) right(NULL) {}
}
**二叉树节点的深度:**从根节点到该节点的最长简单路径边的条数(前序递归求深度)
**二叉树节点的高度:**从该节点到叶子节点(左右子节点都为空)的最长简单路径边的条数(后序递归求高度)
前序遍历求深度,后序遍历求高度
二叉树 — 递归遍历
递归遍历的三步骤:
- 确定递归函数的参数和返回值
- 确定终止条件
- 确定单层递归的逻辑
前序遍历
题目链接:144. 二叉树的前序遍历 - 力扣(LeetCode)
**题目要求:**给你二叉树的根节点 root
,返回它节点值的 前序 遍历。
示例 :
**输入:**root = [1,2,3,4,5,null,8,null,null,6,7,9]
输出:[1,2,4,5,6,7,3,8,9]
解释:
思路:
-
确定参数(根节点、vec数组)和返回值(void)
void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec)
-
确定终止条件(深度优先搜索,cur == NULL return)
if (cur == NULL) return;
-
确定单层递归的逻辑
vec.push_back(cur->val); // 中 traversal(cur->left, vec); // 左 traversal(cur->right, vec); // 右
解法:
- C++
class Solution {
public:
void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec){
if(cur == NULL) return;
vec.push_back(cur->val); // 中
traversal(cur->left, vec); // 左
traversal(cur->right, vec); // 右
}
vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
traversal(root, result); // 传入根节点和存放结果的数组
return result;
}
};
中序遍历
题目链接:94. 二叉树的中序遍历 - 力扣(LeetCode)
- C++
class Solution {
public:
void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec){
if(cur == NULL) return;
traversal(cur->left, vec); // 左
vec.push_back(cur->val); // 中
traversal(cur->right, vec); // 右
}
vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
traversal(root, result); // 传入根节点和存放结果的数组
return result;
}
};
后序遍历
题目链接:145. 二叉树的后序遍历 - 力扣(LeetCode)
- C++
class Solution {
public:
void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec){
if(cur == NULL) return;
traversal(cur->left, vec); // 左
traversal(cur->right, vec); // 右
vec.push_back(cur->val); // 中
}
vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
traversal(root, result); // 传入根节点和存放结果的数组
return result;
}
};
二叉树 — 迭代遍历
**递归的实现:**每一次递归调用都会把函数的局部变量、参数值和返回地址等压入调用栈中,然后递归返回的时候,从栈顶弹出上一次递归的各项参数,所以这就是递归为什么可以返回上一层位置的原因
所以,我们使用栈也可以实现二叉树的前中后序遍历
前序遍历
**思路:**用栈存放节点,用数组存放结果
先将根节点放入栈中,进入循环直到栈为空,取出栈顶结点作为中间节点(中左右),放入这个节点的右子节点,再放入这个节点的左子节点(取出时是先取左子节点)(如果为空则不放入)
解法:
- C++
class Solution {
public:
vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
stack<TreeNode*> st;
if(root == NULL) return result;
st.push(root); // 先将根节点放入栈中
while(!st.empty()){
TreeNode* cur = st.top(); // 取出栈顶结点作为这次的中间节点
st.pop();
result.push_back(cur->val);
if(cur->right) st.push(cur->right); // 向栈中放入右子节点,如果为空则不放入
if(cur->left) st.push(cur->left); // 向栈中放入左子节点
}
return result;
}
};
后序遍历
**思路:**跟前序遍历相同,只不过调转了左右子节点入栈的顺序,此时输出的结果为 中右左,所以需要调换顺序输出 左右中
解法:
- C++
class Solution {
public:
vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
stack<TreeNode*> st;
if(root == NULL) return result;
st.push(root); // 先将根节点放入栈中
while(!st.empty()){
TreeNode* cur = st.top(); // 取出栈顶结点作为这次的中间节点
st.pop();
result.push_back(cur->val);
if(cur->left) st.push(cur->left); // 向栈中放入左子节点
if(cur->right) st.push(cur->right); // 向栈中放入右子节点,如果为空则不放入
}
reverse(result.begin(), result.end()); // 中右左 -> 左右中
return result;
}
};
中序遍历
思路:
写法与前序遍历、后序遍历不同,因为前序遍历和后序遍历的顺序是中左右、中右左(最后反转),要访问的元素和要处理的元素顺序是一致的,但是中序遍历 左中右 处理顺序和访问顺序是不一致的
所以,在使用迭代法写中序遍历的时候,就需要借用指针的遍历来帮助访问节点,栈则用来处理节点上的元素
解法:
- C++
class Solution {
public:
vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
vector<int> result;
stack<TreeNode*> st;
TreeNode* cur = root;
while(cur || !st.empty()){
if(cur){ // 向该子节点的左子节点一直遍历,直到为空
st.push(cur); // 将所有节点放入栈中
cur = cur->left;
}else{ // 若已经遍历到底
cur = st.top(); // 取出栈顶元素(最左子节点)
st.pop();
result.push_back(cur->val); // 放入左子节点
cur = cur->right; // 取出右子节点重复操作
}
}
return result;
}
};
二叉树 — 层序遍历
层序遍历 I
题目链接:102. 二叉树的层序遍历 - 力扣(LeetCode)
**题目要求:**给你二叉树的根节点 root
,返回其节点值的 层序遍历 。 (即逐层地,从左到右访问所有节点)。
示例1:
输入:root = [3,9,20,null,null,15,7]
输出:[[3],[9,20],[15,7]]
示例 2:
输入:root = [1]
输出:[[1]]
示例 3:
输入:root = []
输出:[]
**思路:**借助队列保存每一层中遍历的元素
解法:
- C++
class Solution {
public:
vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) {
queue<TreeNode*> que;
vector<vector<int>> result;
if(root == NULL) return result;
que.push(root);
while(!que.empty()){
vector<int> vec; // 保存每一层的节点数据
int size = que.size(); // 记录每一层节点的数量
for(int i = 0; i < size; i++){
TreeNode* cur = que.front(); // 访问队列的头部元素
que.pop();
vec.push_back(cur->val);
if(cur->left) que.push(cur->left);
if(cur->right) que.push(cur->right);
}
result.push_back(vec);
}
return result;
}
};
二叉树的最大深度
题目链接:104. 二叉树的最大深度 - 力扣(LeetCode)
题目要求:
给定一个二叉树 root
,返回其最大深度。
二叉树的 最大深度 是指从根节点到最远叶子节点的最长路径上的节点数。
**思路:**仍然是使用队列保存每一层的数据,不过在进行层切换时要计数
解法:
- C++
class Solution {
public:
int maxDepth(TreeNode* root) {
queue<TreeNode*> que;
int result = 0;
if(!root) return result;
que.push(root);
while(!que.empty()){
result++;
int size = que.size();
while(size--){
TreeNode* cur = que.front();
que.pop();
if(cur->left) que.push(cur->left);
if(cur->right) que.push(cur->right);
}
}
return result;
}
};
二叉树的最小深度
题目链接:111. 二叉树的最小深度 - 力扣(LeetCode)
题目要求:
给定一个二叉树,找出其最小深度。
最小深度是从根节点到最近叶子节点(左右子节点都为 NULL 的节点)的最短路径上的节点数量。
**说明:**叶子节点是指没有子节点的节点。
示例 1:
输入:root = [3,9,20,null,null,15,7]
输出:2
示例 2:
输入:root = [2,null,3,null,4,null,5,null,6]
输出:5
解法:
- C++
class Solution {
public:
int minDepth(TreeNode* root) {
queue<TreeNode*> que;
int result = 0;
if(!root) return result;
que.push(root);
while(!que.empty()){
result++;
int size = que.size();
while(size--){
TreeNode* cur = que.front();
que.pop();
if(cur->left) que.push(cur->left);
if(cur->right) que.push(cur->right);
if(!cur->left && !cur->right) // 当左子节点与右子节点都为空时就代表最小深度
return result;
}
}
return result;
}
};
二叉树 — 翻转二叉树
题目链接:226. 翻转二叉树 - 力扣(LeetCode)
**题目要求:**给你一棵二叉树的根节点 root
,翻转这棵二叉树,并返回其根节点。
示例 1:
输入:root = [4,2,7,1,3,6,9]
输出:[4,7,2,9,6,3,1]
示例 2:
输入:root = [2,1,3]
输出:[2,3,1]
示例 3:
输入:root = []
输出:[]
思路:
只要将每一个节点的左右子节点翻转一下,就可以达到整体翻转的效果
使用 前序/后续 对二叉树进行递归遍历,中序(会将某些节点的左右子节点翻转两次)
1、递归函数的参数(TreeNode *),返回值(TreeNode *)
TreeNode* invertTree(TreeNode* cur)
2、终止条件(root == NULL)
if (root == NULL) return NULL;
3、单层递归逻辑(交换传入节点的左右子节点)
swap(root->left, root->right); // 交换两个变量的值
invertTree(root->left);
invertTree(root->right);
解法:
- C++(前序遍历 递归)
class Solution {
public:
TreeNode* invertTree(TreeNode* root) {
if(!root) return NULL;
swap(root->left,root->right); // 中
invertTree(root->left); // 左
invertTree(root->right); // 右
return root;
}
};
- C++(后序遍历 递归)
class Solution {
public:
TreeNode* invertTree(TreeNode* root) {
if(!root) return NULL;
invertTree(root->left); // 左
invertTree(root->right); // 右
swap(root->left,root->right); // 中
return root;
}
};
二叉树 — 对称二叉树
题目链接:101. 对称二叉树 - 力扣(LeetCode)
**题目要求:**给你一个二叉树的根节点 root
, 检查它是否轴对称。
示例 1:
输入:root = [1,2,2,3,4,4,3]
输出:true
示例 2:
输入:root = [1,2,2,null,3,null,3]
输出:false
思路:
判断是否为对称二叉树,其实就是判断左子树和右子树是否可以相互翻转,真正要比较的是两个树(根节点的左右子树)(比较两个子树的里侧和外侧元素是否相等),所以在递归遍历的过程中,也是要同时遍历两棵树
只能使用后续遍历(左右中)
正因为要遍历两棵树而且要比较内测和外侧节点,所以准确来说是一个树的遍历顺序是左右中,一个树的遍历顺序是右左中
1、递归函数的参数(TreeNode* left TreeNode* right),返回值(bool)
bool compare(TreeNode* left, TreeNode* right)
2、确定终止条件
if (left == NULL && right != NULL) return false;
else if (left != NULL && right == NULL) return false;
else if (left == NULL && right == NULL) return true;
else if (left->val != right->val) return false;
3、确定单层递归的逻辑
bool outside = compare(left->left, right->right); // 左子树:左、 右子树:右
bool inside = compare(left->right, right->left); // 左子树:右、 右子树:左
bool isSame = outside && inside; // 左子树:中、 右子树:中(逻辑处理)
return isSame;
解法:
- C++
class Solution {
public:
bool compare(TreeNode* left, TreeNode* right){
if(left == NULL && right == NULL) return true;
else if(left != NULL && right == NULL) return false;
else if(left == NULL && right != NULL) return false;
else if(left->val != right->val) return false; // 这个条件已经比较了每一个节点的值
bool cmp_left = compare(left->left, right->right);
bool cmp_right = compare(left->right, right->left);
return cmp_left && cmp_right;
}
bool isSymmetric(TreeNode* root) {
if(root == NULL) return true;
return compare(root->left, root->right);
}
};
二叉树 — 二叉树的最大深度
题目链接:104. 二叉树的最大深度 - 力扣(LeetCode)
**思路:**这里使用递归法,也可以使用层序遍历
使用前序递归求深度,使用后序递归求高度,而根节点的高度就是整个二叉树的深度,所以这道题实际上是使用后续递归求根节点的高度
1、确定递归的参数和返回值
int maxDepth(TreeNode* node)
2、确定终止条件(如果为空节点,就返回0,表示高度为0)
if (node == NULL) return 0;
3、单层递归的逻辑:先求它的左子树的深度,再求右子树的深度,最后取左右深度最大的数值 再+1 (加1是因为算上当前中间节点)就是目前节点为根节点的树的深度
int leftdepth = getdepth(node->left); // 左
int rightdepth = getdepth(node->right); // 右
int depth = 1 + max(leftdepth, rightdepth); // 中
return depth;
解法:
- C++
class Solution {
public:
int maxDepth(TreeNode* root) {
if (root == NULL) return 0;
int leftdepth = maxDepth(root->left); // 左
int rightdepth = maxDepth(root->right); // 右
int depth = 1 + max(leftdepth, rightdepth); // 中
return depth;
}
};
二叉树 — 二叉树的最小深度
题目链接:111. 二叉树的最小深度 - 力扣(LeetCode)
**思路:**依旧是前序递归遍历求深度,后序递归遍历求高度
这里使用后序遍历求最小深度
最小深度是从根节点到最近叶子节点(左右子节点都为空)的最短路径上的节点数量。
1、确定递归函数的参数和返回值
int minDepth(TreeNode* node)
2、确定终止条件(遇到空节点,返回 0)
if(node == NULL) return 0;
3、确定单层递归的逻辑
int leftDepth = getDepth(node->left);
int rightDepth = getDepth(node->right);
// 当只有一个子节点时,就顺着这个子节点继续往下查
if(node->left == NULL && node->right != NULL){
return 1 + rightDepth;
}
if(node->left != NULL && node->right == NULL){
return 1 + leftDepth;
}
int result = 1 + min(leftDepth, rightDepth);
return result;
解法:
- C++
class Solution {
public:
int minDepth(TreeNode* root) {
int result = 0;
if(root == NULL) return 0;
int leftDepth = minDepth(root->left); // 左
int rightDepth = minDepth(root->right); // 右
if(root->left == NULL && root->right != NULL){
return rightDepth + 1;
}
if(root->left != NULL && root->right == NULL){
return leftDepth + 1;
}
result = 1 + min(leftDepth, rightDepth);
return result;
}
};
二叉树 — 完全二叉树的节点数量
题目链接:222. 完全二叉树的节点个数 - 力扣(LeetCode)
题目要求:
给你一棵 完全二叉树 的根节点 root
,求出该树的节点个数。
完全二叉树 的定义如下:在完全二叉树中,除了最底层节点可能没填满外,其余每层节点数都达到最大值,并且最下面一层的节点都集中在该层最左边的若干位置。若最底层为第 h
层,则该层包含 1~ 2h
个节点。
示例 1:
输入:root = [1,2,3,4,5,6]
输出:6
示例 2:
输入:root = []
输出:0
示例 3:
输入:root = [1]
输出:1
**思路:**可以使用层序遍历(只需要在遍历每一层时,记录节点的个数就可以),
使用递归的写法和求二叉树的深度写法类似,顺序依旧是后序(左右中)
1、确定递归的参数和返回值
int getNodesNum(TreeNode* cur)
2、确定终止条件(如果为空姐点的话,就返回 0,表示节点数量为 0)
if(cur == NULL) return 0;
3、确定单层递归的逻辑
int leftNum = getNodesNum(cur->left); // 左
int rightNum = getNodesNum(cur->right); // 右
int treeNum = leftNum + rightNum + 1; // 中
return treeNum;
解法:
- C++
class Solution {
public:
int countNodes(TreeNode* root) {
if(root == NULL) return 0;
int leftNum = countNodes(root->left);
int rightNum = countNodes(root->right);
int result = leftNum + rightNum + 1;
return result;
}
};
示例 3:*
输入:root = [1]
输出:1
**思路:**可以使用层序遍历(只需要在遍历每一层时,记录节点的个数就可以),
使用递归的写法和求二叉树的深度写法类似,顺序依旧是后序(左右中)
1、确定递归的参数和返回值
int getNodesNum(TreeNode* cur)
2、确定终止条件(如果为空姐点的话,就返回 0,表示节点数量为 0)
if(cur == NULL) return 0;
3、确定单层递归的逻辑
int leftNum = getNodesNum(cur->left); // 左
int rightNum = getNodesNum(cur->right); // 右
int treeNum = leftNum + rightNum + 1; // 中
return treeNum;
解法:
- C++
class Solution {
public:
int countNodes(TreeNode* root) {
if(root == NULL) return 0;
int leftNum = countNodes(root->left);
int rightNum = countNodes(root->right);
int result = leftNum + rightNum + 1;
return result;
}
};