[算法系列]递归应用——二叉树（1）：二叉树遍历详解解+LeetCode经典题目+模板总结
本文是递归算法系列文的第7篇，依然沿着递归的脉络，介绍了常常运用递归处理问题的一个典型数据结构——二叉树。分析总结了LeetCode中的相关习题在解法上的思路和模板。
本文内容如下：
- 树的前、中、后序、层次遍历的递归和非递归写法
- LeetCode上树的问题分类（基本遍历、路径、计数、加和、深宽、构造、BST等）
- 两种遍历为思想的问题（
判定、比较结点或子树以及路径[ 和 ]、累计） - 【小结】在解决树的遍历相关问题时，我们是如何使用基本遍历方法，进行递归设计的？
由于树的相关问题题目较多，本文介绍第一部分，其余部分后续更新。（又挖了一个坑）
0.LeetCode中二叉树定义
class TreeNode {
int val;
TreeNode left;
TreeNode right;
TreeNode(int x) { val = x; }
}
1.四种遍历（递归+非递归）
1.1递归遍历
LC144前序
List<Integer> res = new ArrayList<>();
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
if(root == null) return res;
res.add(root.val);
preorderTraversal(root.left);
preorderTraversal(root.right);
return res;
}
LC94中序
List<Integer> res = new ArrayList<>();
public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
if(root == null) return res;
inorderTraversal(root.left);
res.add(root.val);
inorderTraversal(root.right);
return res;
}
LC145后序
List<Integer> res = new ArrayList<>();
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
if(root == null) return res;
postorderTraversal(root.left);
postorderTraversal(root.right);
res.add(root.val);
return res;
}
1.2非递归遍历
前序
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<TreeNode> stack = new ArrayDeque<>();
TreeNode p = root;
while(!stack.isEmpty() || p != null){
while(p!= null){ //一口气走到左下最后一个，一边走一边入栈、同时加入结果集
stack.push(p);
res.add(p.val);
p = p.left;
}
p = stack.pop().right; //逐个往上、然后遍历右子树
}
return res;
}
注：前序还有一种写法：这种写法具有结构对称美哦~后序就知道了
- 根不空时，根入栈
- 当栈非空时：
- 根出栈，加入res。
- 若右子树非空，右子树入栈
- 若左子树非空，左子树入栈
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<TreeNode> stack = new ArrayDeque<>();
TreeNode p = root;
stack.push(p); //根节点入栈
while(!stack.isEmpty()){ //当根节点不空时，出栈一个根节点，然后加入res中
p = stack.pop();
res.add(p.val);
if(p.right != null) //加入右子树入栈
stack.push(p.right);
if(p.left != null) //左子树入栈
stack.push(p.left);
}
return res;
}
中序
public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<TreeNode> stack = new ArrayDeque<>();
TreeNode p = root;
while(!stack.isEmpty() || p != null){ //一口气走到左下角一边走，一边入栈，
while(p != null){ //但是是在出栈后才加到结果集
stack.push(p);
p = p.left;
}
p = stack.pop();
res.add(p.val);
p = p.right;
}
return res;
}
后序
后序遍历使用了一个小技巧：
- 后序遍历是右 =》左 =》 根， 那么我们可以先按照根 =》左 =》右（前序）进行遍历，然后将得到的结果进行翻转
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<TreeNode> stack = new ArrayDeque<>();
// Deque temp_res = new ArrayDeque<>();
TreeNode p = root;
stack.push(p);
while(!stack.isEmpty()){
p = stack.pop();
res.add(p.val);
if(p.left != null)
stack.push(p.left);
if(p.right != null)
stack.push(p.right);
}
Collections.reverse(res); //将结果翻转，这一步也可以用栈
return res;
}
1.3层次遍历
以LC102为例：输入二叉树数组，输出层次遍历结果，并且每一层为一个list，整体为二维list
https://leetcode-cn.com/problems/binary-tree-level-order-traversal/
public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<TreeNode> queue = new ArrayDeque<>();
queue.offer(root);
while(!queue.isEmpty()){
List<Integer> item = new ArrayList<>();
for(int i = queue.size() ; i > 0 ; i --){
TreeNode node = queue.poll();
item.add(node.val);
if(node.left!= null) queue.offer(node.left);
if(node.right!= null) queue.offer(node.right);
}
res.add(item);
}
return res;
}
2.常见问题分类汇总
LC中树标签下的前60来道题经过总结，从问题角度，大概如下包括类别：【标红为本次涉及内容，未标红为后续文章内容】
-
遍历树进行比较（结点、子树）
-
深度、路径（和）、计数
-
（修改）构造相关
- 根据遍历构造（前中构造，后中构造）
- 前序后继、链表转化
- AVL（这个与深度关系也大）
- 翻转、修改等构造
- 序列化反序列化
-
二叉搜索树相关（可能会运用BST性质来解题）
-
明显带有层次遍历的暗示
- 宽度、锯齿遍历、层平均值、最大值、左右视图、右侧指针
-
顺序（前继后继）
暂且大概将其分为这些类别
其实这样分类也不是太好，一是有些题的从解法层面有多种，二是有些虽然题虽然属于这一类，但是解法更像另一类。。能力有限还请见谅
树的遍历（判定、比较子树或节点间的关系）
LC100相同的树
思路：
判断树相同等价于：对两棵树的每一对应节点左如下判断：
- 若p，q同时为空，则为true
- 若一个空一个非空，则为false
- 若p、q两个非空：
- p.val 与 q.val 不等，则false
- 若相等，对其左右子树进行上述相同判断（递归），且当左右子树同时满足时，返回true
public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
if(p == null && q == null) return true;
if(p == null || q == null || p.val != q.val) return false;
return isSameTree(p.left , q.left) && isSameTree(p.right, q.right);
}
LC101对称二叉树
1
/ \
2 2
/ \ / \
3 4 4 3
思路：按照对称条件，对应节点相等(左子树的左子树与右子树的右子树、左子树的右子树与右子树的左子树)
- 若根为空直接返回true
- 比较根的左子树和右子树（值是否相等）
- 左右子树同为null ==> true
- 左右子树只有一个为null，或者都不为null但值不同 ==> false
- 递归对：左子树的左子树与右子树的右子树、左子树的右子树与右子树的左子树 进行考察
public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
if(root == null) return true;
return compare(root.left , root.right);
}
private boolean compare(TreeNode node1, TreeNode node2){
if(node1 == null && node2 == null) return true;
if(node1 == null || node2 == null || node1.val != node2.val)
return false;
return compare(node1.left , node2.right) && compare(node1.right , node2.left);
}
LC110平衡二叉树
思路1
平衡二叉树 等价于下面两个条件都满足：
- 左子树高度与右子树高度差为1
- 左右子树也为平衡二叉树
public boolean isBalanced(TreeNode root){
if (root == null) return true;
return Math.abs(depth(root.left) - depth(root.right))
<=1 && isBalanced(root.left) && isBalanced(root.right);
}
//就是求高度
private int depth(TreeNode node){
if(node == null) return 0;
if(node.left == null && node.right == null)
return 1;
return Math.max(depth(node.left) , depth(node.right)) +1;
}
思路2：
- 精妙之处在于用-1表示非平衡，0、1分别表示两棵树（为平衡时）的高度差，大于1也表示非平衡
- 向左递归到最左得到左边结果left （表示的是以所有左子树的判断结果）
- 向右递归到最右得到右边结果right（表示的是以所有右子树的判断结果）
- 返回结果：即考察左右两子树差值是否小于2
public boolean isBalanced(TreeNode root){
if(root == null) return true;
return checkBalanced(root) != -1;
}
private int checkBalanced(TreeNode node){
if(node == null) return 0;
int left = checkBalanced(node.left);
if(left == -1) return -1;
int right = checkBalanced(node.right);
if(right == -1) return -1;
return Math.abs(left - right) < 2? Math.max(left , right) + 1: -1;
}
572另一个树的子树
思路：
- 递归比对s中所有结点与t的根
- 当s某结点值等于t的根的值时，递归比较两子树
boolean flag = false;
public boolean isSubtree(TreeNode s, TreeNode t) {
if(s == null && t == null) return true;
if(s == null || t == null) return false;
if(s .val == t.val) flag = verty(s, t);
if(flag) return true; //当前节点已经找到了，直接返回truetrue
//当前节点没找到，需要递归去左右节点找
flag = isSubtree(s.left , t) || isSubtree(s.right, t);
return flag;
}
//判断以s和t两个节点为根的两个树是否全等
private boolean verty(TreeNode s, TreeNode t) {
if(s == null && t == null) return true;
if(s == null || t == null) return false;
if(s.val != t.val) return false;
return verty(s.left , t.left) && verty(s.right , t.right);
}
LC671二叉树中第二小的节点
思路：通过题意可以看出，该二叉树的最小值即为根，因此我们只需要找到和根值不同的那个最小值即可，它可能在左子树也可能在右子树。
因此，设计递归函数helper(root, root.val)
分别在左子树和右子树中去寻找大于根的值的结点，返回二者中的较小值
public int findSecondMinimumValue(TreeNode root) {
if(root == null) return -1;
return helper(root, root.val);
}
private int helper(TreeNode root , int min){
if(root == null) return -1;
if(root.val > min) return root.val; //这里表示找到了
int left = helper(root.left , min);
int right = helper(root.right , min);
if(left == -1) return right;
if(right == -1) return left;
return Math.min(left , right);
}
深度、路径（和）、计数、加和
LC104.二叉树的最大深度
思路：该树深度即为左子树和右子树深度大的那个值加1。 对于其左子树和右子树同样如此，因此进行递归求解
public int maxDepth(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left_height = maxDepth(root.left);
int right_height = maxDepth(root.right);
return Math.max(left_height, right_height)+1;
}
LC111.二叉树的最小深度
思路：二叉树最小深度即为左子树和右子树中深度小的那个
public int minDepth(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
if(root.left == null && root.right == null)
return 1;
//注意此处，当左或右子树边没有时，需要在另一边加1
if(root.left == null)
return minDepth(root.right) +1;
if(root.right == null)
return minDepth(root.left) +1;
return Math.min(minDepth(root.left) , minDepth(root.right)) +1;
}
LC124二叉树中的最大路径和
思路：求从任意一个节点到另一个节点的最大路径。我们需要在递归函数中需要做两件事：
- 返回从该节点到下方某节点（也有可能就是自身不动）的路径最大值
- 对该节点，比较更新 res 和（当前节点值+左路径最大值 + 右路径最大值）
-10 25 （34）
/ \ / \
9 20 ==》 9（9） 35 （35）
/ \ / \
15 -7 15（15） 0（-7）
- 对于9，15，-7叶子节点，其返回9,15,0 （负数返回0，表示上面的节点不会来这）
- 对20节点来说，返回其与左孩子节点和35，根节点类似
- 上图中，无括号的表示每个位置处返回的最大往下的路径； 括号中表示此时的最终结果（res）
int res = Integer.MIN_VALUE;
public int maxPathSum(TreeNode root) {
dfs(root);
return res;
}
private int dfs(TreeNode root){
if(root == null) return 0;
int left = dfs(root.left);
int right = dfs(root.right);
res = Math.max(res , left + root.val + right);
return Math.max(0 , root.val + Math.max(left,right));
}
LC129求根到叶子节点数字之和
思路：在进行递归遍历时，保存一个curr，用于存放目前为止的结果，因此在递归遍历中，对每个结点
int res ;
public int sumNumbers(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
dfs(root , 0);
return res;
}
private void dfs(TreeNode node , int curr){
if(node == null) return;
curr += node.val;
if(node.left == null && node.right == null )
res += curr;
dfs(node.left , curr*10);
dfs(node.right , curr*10);
}
LC112路径总和
思路：判断在树中存在一条和为未指定值的路径，递归遍历，每次将sum减去当前val即可
public boolean hasPathSum(TreeNode root, int sum) {
if(root == null) return false;
if(sum == root.val && root.left == null && root.right == null)
return true;
boolean left = false, right = false;
//if(root.left != null ) 前面已经对root进行判空
left = hasPathSum(root.left , sum - root.val) ;
//if(root.right != null)
right = hasPathSum(root.right , sum - root.val);
return left || right;
}
LC113路径之和2
public List<List<Integer>> pathSum(TreeNode root, int sum) {
List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
Deque<Integer> item = new ArrayDeque<>();
dfs(root, sum , res ,item);
return res;
}
private void dfs(TreeNode node , int sum , List<List<Integer>> res ,Deque<Integer> item ){
if(node == null ) return;
item.add(node.val);
if(sum == node.val && node.left == null && node.right == null){
res.add(new ArrayList<Integer>(item));
item.removeLast(); //回溯,返回上一个节点
return;
}
dfs(node.left , sum - node.val , res , item);
dfs(node.right , sum - node.val , res, item);
item.removeLast(); //回溯
}
LC437路径总和3
思路：该题在111的基础上扩充了两点：
- 111从根出发，该题是从任意节点出发
- 针对该问题，我们需要将每个节点视为根进行遍历一次。
- 111到达叶子，该题可到任意下方节点
- 结束条件不用再判断是否为叶子
public int pathSum(TreeNode root, int sum) {
if(root == null ) return 0;
//求以该节点为根的路径个数
int res = findPath(root, sum);
//对每个节点，都作为根进行寻找路径
int left = pathSum(root.left , sum);
int right = pathSum(root.right , sum);
//最后返回：当前节点出发的路径数+左子树所有满足的路径+右子树所有路径
return left + res + right;
}
//求以这个节点为根的路径个数的具体实现
private int findPath(TreeNode node, int sum){
if(node == null) return 0;
int count = sum == node.val ? 1 : 0; //若到达此处时，sum刚好还剩node.val，count计为1
return count + findPath(node.left ,sum - node.val) + findPath(node.right, sum -node.val);
}
LC257二叉树的所有路径
public List<String> binaryTreePaths(TreeNode root) {
List<String> res = new ArrayList<>();
if(root == null) return res;
dfs(root, res , new StringBuilder());
return res;
}
private void dfs(TreeNode root, List<String> res ,StringBuilder stringBuilder){
if(root == null ) return ;
if(root.left == null && root.right == null){
res.add(stringBuilder.toString() + root.val);
}else{
String temStr = root.val + "->";
stringBuilder.append(temStr);
dfs(root.left , res , stringBuilder);
dfs(root.right , res ,stringBuilder);
//回溯
stringBuilder.delete(stringBuilder.length() - temStr.length(),
stringBuilder.length());
}
}
LC687最长同值路径
思路：此题和124,类似，都是在递归同时要干两件事：
- 返回的是该节点作为根时树中的最长同值路径
- 比较
int res;
public int longestUnivaluePath(TreeNode root) {
res = 0;
getLength(root);
return res;
}
private int getLength(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left = getLength(root.left);//递归求解左子树的结果
int right = getLength(root.right);
int tem_left = 0 , tem_right = 0;
if(root.left != null && root.val == root.left.val)
tem_left += left+1; //左边结果值为左边递归返回的结果加1
if(root.right != null && root.val == root.right.val)
tem_right += right +1;
res = Math.max(res , tem_left +tem_right);
return Math.max(tem_left,tem_right);
}
LC404左子树之和
思路：可以中途传值
public int sumOfLeftLeaves(TreeNode root) {
if(root == null ) return 0;
int sum = 0;
if(root.left != null && root.left.left ==null && root.left.right == null)
sum += root.left.val;
return sum + sumOfLeftLeaves(root.left) + sumOfLeftLeaves(root.right);
}
LC508出现次数最多的子树元素和
思路：
- 对每个结点，求其子树和，放到一个HashMap<子树和，次数>，
Map<Integer,Integer> hasMap = new HashMap<>();
public int[] findFrequentTreeSum(TreeNode root) {
dfs_starNode(root );
//此时hashMap中存放各个顶点的子树和及其出现的次数
//遍历得到出现最多值的次数
int maxCount = 0;
for(Map.Entry<Integer, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
if(entry.getValue() > maxCount)
maxCount = entry.getValue();
}
//根据次数，再次遍历，得到和
List<Integer> resList = new ArrayList<>();
for(Map.Entry<Integer, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
if(entry.getValue() == maxCount)
resList.add(entry.getKey());
}
//list => int[]
int res[] = new int[resList.size()];
for(int i = 0 ; i < resList.size() ; i++) {
res[i] = resList.get(i);
}
return res;
}
//从每个点存放 其作为根时子树的和
private void dfs_starNode(TreeNode root) {
if(root == null) return ;
int val = dfs_getSum(root);
// resList.add(val);
if(hashMap.containsKey(val))
hashMap.put(val, hashMap.get(val)+1);
else
hashMap.put(val, 1);
dfs_starNode(root.left);
dfs_starNode(root.right);
}
//求和
private int dfs_getSum(TreeNode root) {
// System.out.println("+");
if(root == null) return 0;
return root.val +dfs_getSum(root.left) +dfs_getSum(root.right);
}
LC222.完全二叉树的结点个数
思路：
-
在countNodes递归函数中，做如下事情：
-
计算当前结点的左子树层数left
-
计算当前结点的右子树层数right
-
若left = right ：
则说明就当前结点而言，左子树一定是满的（完全二叉树性质），返回时加上
-
若left != right
右子树满，返回时加上递归求左子树的结点数
-
public int countNodes(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left= countLevel(root.left);
int right = countLevel(root.right);
if(left == right)
return countNodes(root.right) + ( 1<<left); //左子树满
else
return countNodes(root.left) + (1 << right); //右子树满
}
private int countLevel(TreeNode node) {
int level = 0;
while(node!= null) {
level ++;
node = node.left ; //完全二叉树左子树具有代表性
}
return level;
}
小结
上面的两类题型（比较判定、路径累计）从本质上来说都是属于遍历性问题的，只不过在遍历过程中，比基本遍历的操作更为麻烦（辅助变量、集合列表） 和/或 逻辑更为复杂（左右子树加和、bool运算、回溯、剪枝） 。
那么，以前序遍历的模板为例，我们可以总结归纳很多相类似问题的解题规律和套路（希望如此）：
（1）基础遍历模板：
public void preorder(TreeNode root) {
if(root == null) return； //判空条件不可少，因为下面要取root的左右子树，也可能取val
/* 这里每一轮遍历需要做的事情 */
//TODO
preorder(root.left); //递归对其左子树做相同的事情
preorder(root.right); //递归对其右子树做相同的事情
}
在每一个结点的关键处理步骤中：
/* 这里每一轮遍历需要做的事情 */
我们可能用一个变量去累计每个结点的和（已达到我们需要的结果）
也可能会用一个集合去收集，那么这些个集合作为参数在递归过程中传递就好，这一点在前面文章中有详细介绍：
public void dfs(TreeNode root, ArrayList<Integer> item, ... ) {
//下面操作类似，每一轮可能会有添加，移除等试探回溯的操作
注意到这种返回类型是void，其实我们一般会在外部声明好一些变量（累计和、结果集合等），在遍历过程中对其进行改变，因此这种往往作为一些辅助函数，比如：
//LC671二叉树中第二小的节点
public int findSecondMinimumValue(TreeNode root) {
if(root == null) return -1;
return helper(root, root.val);
}
...
//LC127
public List<String> binaryTreePaths(TreeNode root) {
List<String> res = new ArrayList<>(); //外部变量，在递归中进行修改
if(root == null) return res;
dfs(root, res , new StringBuilder()); //主要进行递归的函数
return res;
}
...
（2）带返回值的遍历模板：
有时我们会设计递归函数返回我们所需要的结果，比如：
-
返回 数值 类型：
往往出现在求某些满足条件的结果，累计（深度、个数等）、路径（和）
-
返回 布尔 类型：
往往出现在对于结点的判断（比较相等、是否满足条件）
数值型遍历模板如下：
public int dfs(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left = dfs(root.left); //递归对root的左子树求取结果
int right = dfs(root.right); //递归对root的右子树求取结果
/* 一些对左右子树的操作、比较、统计等 */
//TODO
return 与left和right有关的操作结果
}
上面那种也可以看做是一股脑走到叶子结点，然后再逐个返回其结果，然后根据返回的结果进行相应的操作。
例如：返回一棵树中所有结点值的和
private int dfs_getSum(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left = dfs(root.left);
int right = dfs(root.right);
return root.val +left + right;
}
例如：LC104求二叉树的最大深度：
public int maxDepth(TreeNode root) {
if(root == null) return 0;
int left_height = maxDepth(root.left);
int right_height = maxDepth(root.right);
return Math.max(left_height, right_height)+1; //取左右子树中深的那个，再加1
}
判断：检查是否平衡（通过返回值的绝对值小于等于1来判断）：
private int checkBalanced(TreeNode node){
if(node == null) return 0;
int left = checkBalanced(node.left); //递归求左子树
if(left == -1) return -1;
int right = checkBalanced(node.right);
if(right == -1) return -1;
//关键：判断每个结点的左右子树的高度差绝对值是否小于2
//若是，则加上自身的高度（返回:子树高度+1）
//若否：直接返回-1
return Math.abs(left - right) < 2? Math.max(left , right) + 1: -1;
}
bool型遍历模板类似，只是在操作中更多的是比较：
public boolean dfs(TreeNode root){
if(root == null) return false;
/*这里往往有一些满足结果的结束条件，也有可能有一些剪枝条件*/
//TODO
boolean left = false , right = false;
left = dfs(root.left); //递归对左子树进行判断
right = dfs(root.right); //递归对右子树进行判断
return 对左右结果left和right进行操作，这里往往就是bool操作
}
例如：LC112路径总和
判断棵树中是否有一条从根到叶子的路径，使得其结点val的和等于sum。
public boolean hasPathSum(TreeNode root, int sum) {
if(root == null) return false;
if(sum == root.val && root.left == null && root.right == null)
return true;
boolean left = false, right = false;
left = hasPathSum(root.left , sum - root.val) ;
right = hasPathSum(root.right , sum - root.val);
return left || right;
}
当然，也可以是对两棵树之间进行比较
例如：LC100相同的树
public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
if(p == null && q == null) return true;
if(p == null || q == null || p.val != q.val) return false;
return isSameTree(p.left , q.left) && isSameTree(p.right, q.right); //递归对p树的左节点和q数的左节点比较，以及p树的右节点和q树的右节点比较，结果取交集
}
以及对称二叉树。
（3）一些复杂或是混合的遍历
这种往往也是由上述两种构成，拆分就好。比如有时我们会进行下列考察：
- 对树每一个结点，都作为一棵树去递归考察其中结点，如上面[LC572另一个树的子树]和[LC437路径总和3]
- 有时递归中返回的结果值并非是我们想要的，而是在递归函数过程中“其它操作”才是想要的结果。在此类问题中，递归函数往往会做两件事：1、操作a以返回递归结果。2、递归过程中进行一些另外的操作b，操作b与递归结果相结合才能得到该问题结果。。有点绕，参考上面[LC124二叉树中的最大路径和]的解法。
本文介绍了二叉树问题中以递归遍历为主的习题以及解法思路。重点剖析了相关遍历模板类型和应用。有关递归设计思路以及其他应用可看如下文章：
- [算法系列] 搞懂递归, 看这篇就够了 !! 递归设计思路 + 经典例题层层递进
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