本文摘自labuladong算法小抄,使用go语言描述
我们公众号的成名之作学习数据结构和算法的框架思维中多次强调,先刷二叉树的题目,先刷二叉树的题目,先刷二叉树的题目,因为很多经典算法,以及我们前文讲过的所有回溯、动归、分治算法,其实都是树的问题,而树的问题就永远逃不开树的递归遍历框架这几行破代码:
我先花一些篇幅说明二叉树算法的重要性。
举个例子,比如说我们的经典算法「快速排序」和「归并排序」,对于这两个算法,你有什么理解?如果你告诉我,快速排序就是个二叉树的前序遍历,归并排序就是个二叉树的后序遍历,那么我就知道你是个算法高手了。
为什么快速排序和归并排序能和二叉树扯上关系?我们来简单分析一下他们的算法思想和代码框架:
快速排序的逻辑是,若要对nums[lo..hi]进行排序,我们先找一个分界点p,通过交换元素使得nums[lo..p-1]都小于等于nums[p],且nums[p+1..hi]都大于nums[p],然后递归地去nums[lo..p-1]和nums[p+1..hi]中寻找新的分界点,最后整个数组就被排序了。
快速排序的代码框架如下:
funcsort(nums*[]int,loint,hiint){/******前序遍历位置******///通过交换元素构建分界点pp:=partition(nums,lo,hi)/************************/sort(nums,lo,p-1)sort(nums,p+1,hi)}先构造分界点,然后去左右子数组构造分界点,你看这不就是一个二叉树的前序遍历吗?
再说说归并排序的逻辑,若要对nums[lo..hi]进行排序,我们先对nums[lo..mid]排序,再对nums[mid+1..hi]排序,最后把这两个有序的子数组合并,整个数组就排好序了。
归并排序的代码框架如下:
funcsort(numsint[],loint,hiint){mid:=(lo+hi)/2sort(nums,lo,mid);sort(nums,mid+1,hi)/******后序遍历位置******///合并两个排好序的子数组merge(nums,lo,mid,hi)/************************/}先对左右子数组排序,然后合并(类似合并有序链表的逻辑),你看这是不是二叉树的后序遍历框架?另外,这不就是传说中的分治算法嘛,不过如此呀。
如果你一眼就识破这些排序算法的底细,还需要背这些算法代码吗?这不是手到擒来,从框架慢慢扩展就能写出算法了。
说了这么多,旨在说明,二叉树的算法思想的运用广泛,甚至可以说,只要涉及递归,都可以抽象成二叉树的问题,所以本文和后续的手把手带你刷二叉树(第二期)以及手把手刷二叉树(第三期),我们直接上几道比较有意思,且能体现出递归算法精妙的二叉树题目,东哥手把手教你怎么用算法框架搞定它们
我们前文二叉树的最近公共祖先写过,写递归算法的关键是要明确函数的「定义」是什么,然后相信这个定义,利用这个定义推导最终结果,绝不要跳入递归的细节。
怎么理解呢,我们用一个具体的例子来说,比如说让你计算一棵二叉树共有几个节点:
//定义:count(root)返回以root为根的树有多少节点funccount(root*TreeNode)int{//basecaseifroot==nil{return0}//自己加上子树的节点数就是整棵树的节点数return1+count(root.left)+count(root.right)}这个问题非常简单,大家应该都会写这段代码,root本身就是一个节点,加上左右子树的节点数就是以root为根的树的节点总数。
左右子树的节点数怎么算?其实就是计算根为root.left和root.right两棵树的节点数呗,按照定义,递归调用count函数即可算出来。
我们接下来看几道算法题目实操一下。
第一题、翻转二叉树
我们先从简单的题开始,看看力扣第226题「翻转二叉树」,输入一个二叉树根节点root,让你把整棵树镜像翻转,比如输入的二叉树如下:
4/\27/\/\1369算法原地翻转二叉树,使得以root为根的树变成:
4/\72/\/\9631通过观察,我们发现只要把二叉树上的每一个节点的左右子节点进行交换,最后的结果就是完全翻转之后的二叉树。
可以直接写出解法代码:
//将整棵树的节点翻转funcinvertTree(root*TreeNode)*TreeNode{//basecaseifroot==nil{returnnil}/****前序遍历位置****///root节点需要交换它的左右子节点tmp:=root.leftroot.left=root.rightroot.right=tmp//让左右子节点继续翻转它们的子节点invertTree(root.left)invertTree(root.right)returnroot}这道题目比较简单,关键思路在于我们发现翻转整棵树就是交换每个节点的左右子节点,于是我们把交换左右子节点的代码放在了前序遍历的位置。
值得一提的是,如果把交换左右子节点的代码放在后序遍历的位置也是可以的,但是放在中序遍历的位置是不行的,请你想一想为什么?这个应该不难想到,我会把答案置顶在公众号留言区。
首先讲这道题目是想告诉你,二叉树题目的一个难点就是,如何把题目的要求细化成每个节点需要做的事情。
这种洞察力需要多刷题训练,我们看下一道题。
第二题、填充二叉树节点的右侧指针
这是力扣第116题,看下题目:
而且题目说了,输入是一棵「完美二叉树」,形象地说整棵二叉树是一个正三角形,除了最右侧的节点next指针会指向null,其他节点的右侧一定有相邻的节点。
这道题怎么做呢?把每一层的节点穿起来,是不是只要把每个节点的左右子节点都穿起来就行了?
我们可以模仿上一道题,写出如下代码:
funcconnect(root*Node)*Node{ifroot==nil||root.left==nil{returnroot}root.left.next=root.rightconnect(root.left)connect(root.right)returnroot}这样其实有很大问题,再看看这张图:
节点5和节点6不属于同一个父节点,那么按照这段代码的逻辑,它俩就没办法被穿起来,这是不符合题意的。
回想刚才说的,二叉树的问题难点在于,如何把题目的要求细化成每个节点需要做的事情,但是如果只依赖一个节点的话,肯定是没办法连接「跨父节点」的两个相邻节点的。
那么,我们的做法就是增加函数参数,一个节点做不到,我们就给他安排两个节点,「将每一层二叉树节点连接起来」可以细化成「将每两个相邻节点都连接起来」:
//主函数funcconnect2(root*Node)*Node{ifroot==nil{returnnil}connectTwoNode(root.left,root.right)returnroot}//辅助函数funcconnectTwoNode(node1*Node,node2*Node){ifnode1==nil||node2==nil{return}/****前序遍历位置****///将传入的两个节点连接node1.next=node2//连接相同父节点的两个子节点connectTwoNode(node1.left,node1.right)connectTwoNode(node2.left,node2.right)//连接跨越父节点的两个子节点connectTwoNode(node1.right,node2.left)}这样,connectTwoNode函数不断递归,可以无死角覆盖整棵二叉树,将所有相邻节点都连接起来,也就避免了我们之前出现的问题,这道题就解决了。