代码随想录 二叉树 Java （一）
文章目录
- （简单）144. 二叉树的前序遍历
- （简单）94. 二叉树的中序遍历
- （简单）145. 二叉树的后序遍历
- 二叉树的统一遍历方法（参考代码随想录）
- （中等）102. 二叉树的层序遍历
- （中等）107. 二叉树的层序遍历II
- （中等）199. 二叉树的右视图
- （简单）637. 二叉树的层平均值
- （中等）429. N叉树的层序遍历
- （中等）在每个树行中找最大值
- （中等）116. 填充每个节点的下一个右侧节点指针
- （中等）117. 填充每个节点的下一个右侧节点指针II
- （简单）104. 二叉树的最大深度
- （简单）111. 二叉树的最小深度
- （简单 经典）226. 翻转二叉树
- （简单）101. 对称二叉树
- （简单）100. 相同的树
- （简单）572. 另一棵树的子树
- （简单）559. N叉树的最大深度
（简单）144. 二叉树的前序遍历
递归方式
class Solution {
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
preOrder(root, list);
return list;
}
public void preOrder(TreeNode root, List<Integer> list) {
if (root == null) {
return;
}
list.add(root.val);
preOrder(root.left, list);
preOrder(root.right, list);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是二叉树的节点数。每一个节点恰好被遍历一次。
- 空间复杂度：O(n)，为递归过程中栈的开销，平均情况下为O(logn)，最坏情况下树呈现链状，为O(n)。
非递归方式，使用Stack
class Solution {
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
stack.push(root);
list.add(root.val);
TreeNode node = root.left;
while (!stack.isEmpty() || node != null) {
while (node != null) {
list.add(node.val);
stack.push(node);
node = node.left;
}
node = stack.pop().right;
}
return list;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是二叉树的节点数。每一个节点恰好被遍历一次。
- 空间复杂度：O(n)，为递归过程中栈的开销，平均情况下为O(logn)，最坏情况下树呈现链状，为O(n)。
使用BFS的思想，利用栈，实现二叉树的前序遍历
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
stack.push(root);
while (!stack.isEmpty()) {
TreeNode node = stack.pop();
list.add(node.val);
if (node.right != null) {
stack.push(node.right);
}
if (node.left != null) {
stack.push(node.left);
}
}
return list;
}
}
（简单）94. 二叉树的中序遍历
递归方式
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
inOrder(root, list);
return list;
}
public void inOrder(TreeNode root, List<Integer> list) {
if (root == null) {
return;
}
inOrder(root.left, list);
list.add(root.val);
inOrder(root.right, list);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为二叉树节点的个数。二叉树的遍历中每个节点会被访问一次且只会被访问一次。
- 空间复杂度：O(n)。空间复杂度取决于递归的栈深度，而栈深度在二叉树为一条链的情况下会达到O(n)的级别。
非递归方式
class Solution {
public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
stack.push(root);
TreeNode node = root.left;
while (!stack.isEmpty() || node != null) {
while (node != null) {
stack.push(node);
node = node.left;
}
node = stack.pop();
list.add(node.val);
node = node.right;
}
return list;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为二叉树节点的个数。二叉树的遍历中每个节点会被访问一次且只会被访问一次。
- 空间复杂度：O(n)。空间复杂度取决于递归的栈深度，而栈深度在二叉树为一条链的情况下会达到O(n)的级别。
（简单）145. 二叉树的后序遍历
递归方式
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class Solution {
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
postOrder(root, list);
return list;
}
public void postOrder(TreeNode root, List<Integer> list) {
if (root == null) {
return;
}
postOrder(root.left, list);
postOrder(root.right, list);
list.add(root.val);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是二叉搜索树的节点数。每一个节点恰好被遍历一遍
- 空间复杂度：O(n)，为递归过程中栈的开销，平均情况下为O(logn)，最坏情况下呈现链状，为O(n)
非递归形式
后序遍历的顺序是，左，右，根
后序遍历和前序、中序遍历略微有点不同，因为每一棵子树的根节点可能需要二次入栈。从栈中弹出某一根节点时，需要判断该节点的右子树是否为空，如果为空，或者该节点的右子树已经遍历过，则将该根节点的值加入list中。如果没有遍历过该节点的右子树，则重新将根节点入栈，并开始遍历右子树。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;
class Solution {
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return list;
}
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
stack.push(root);
TreeNode node = root.left;
TreeNode prev = null;
while (!stack.isEmpty() || node != null) {
while (node != null) {
stack.push(node);
node = node.left;
}
node = stack.pop();
//root.right==prev，表示该节点的右子树一定遍历完成
if (node.right == null || node.right == prev) {
list.add(node.val);
prev = node;
node = null;
} else {
//还没有遍历右子树
stack.push(node);
node = node.right;
}
}
return list;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是二叉搜索树的节点数。每一个节点恰好被遍历一遍
- 空间复杂度：O(n)，为递归过程中栈的开销，平均情况下为O(logn)，最坏情况下呈现链状，为O(n)
前一个非递归实现的后续遍历是深度有限搜索DFS的思想
在代码随想录中还提到一种后序遍历的方式，先序遍历时根左右、后序遍历的左右根，只需要调整一下先序遍历的代码顺序，就变成了根右左的顺序，然后反转result数组，输出的结果顺序就是左右中了
这种方法是广度优先遍历BFS的思想，依照该思想，也可以实现前序遍历，已在上面的前序遍历题目中进行补充
下面代码从栈中弹出来的顺序是：根、右、左，然后将结果list反转一下即可
class Solution {
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> result = new ArrayList<>();
if (root == null){
return result;
}
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
stack.push(root);
while (!stack.isEmpty()){
TreeNode node = stack.pop();
result.add(node.val);
if (node.left != null){
stack.push(node.left);
}
if (node.right != null){
stack.push(node.right);
}
}
Collections.reverse(result);
return result;
}
}
二叉树的统一遍历方法（参考代码随想录）
非递归方式，也称作迭代法
在DFS的思想下，前序遍历和中序遍历的代码类似，只需要调整代码中节点值加入结果list的位置即可，和后序遍历的代码差别较大
使用BFS的思想，前序遍历和后序遍历的代码类似，只需要修改左子节点和右子节点入栈的先后顺序即可，和中序遍历的代码差别较大
但是，使用递归的方式，前序遍历、中序遍历、后序遍历都只需要微微调整一下代码就可以，代码随想录中给出了一种统一风格的代码
以中序遍历为例，使用栈，无法同时解决访问节点（遍历节点）和处理节点（将元素放进结果集）不一致的情况。
对上面这段话的简单解释：
中序遍历是左根右，先访问二叉树顶部的节点，然后一层一层向下访问，直到到达树左面的最底部，再开始处理节点（也就是把节点的数值放进result数组中），这就造成了处理顺序与访问顺序不一致的情况
为了解决这个不一致，将访问的节点放入栈中，把要处理的节点也放入栈中但是要做标记。标记的方法是把要处理的节点放入栈中之后，紧接着放入一个空指针作为标记。
使用“统一”的方式写中序遍历
再进行了一两次单步调试后，有点理解这种方式，首先，依赖栈后进先出的特性，按照右、中、左的顺序将节点压入栈中，其次是，对于已经访问过，但是还没有处理的根节点，使用null进行标记。
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;
class Solution {
public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> result = new LinkedList<>();
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
if (root != null) {
stack.push(root);
}
while (!stack.isEmpty()) {
TreeNode node = stack.peek();
stack.pop();
if (node != null) {
if (node.right != null) {
stack.push(node.right);//右
}
stack.push(node);//中
stack.push(null);
if (node.left != null) {
stack.push(node.left);//左
}
} else {
node = stack.peek();
result.add(node.val);
stack.pop();
}
}
return result;
}
}
使用同样的方法，前序遍历代码
class Solution {
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> result = new LinkedList<>();
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
if (root != null) {
stack.push(root);
}
while (!stack.isEmpty()) {
TreeNode node = stack.peek();
stack.pop();
if (node != null) {
if (node.right != null) {
stack.push(node.right);
}
if (node.left != null) {
stack.push(node.left);
}
stack.push(node);
stack.push(null);
} else {
node = stack.peek();
result.add(node.val);
stack.pop();
}
}
return result;
}
}
使用类似的方法，实现后序遍历
class Solution {
public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
List<Integer> result = new LinkedList<>();
Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
if (root != null) {
stack.push(root);
}
while (!stack.isEmpty()) {
TreeNode node = stack.peek();
stack.pop();
if (node != null) {
stack.push(node);
stack.push(null);
if (node.right != null) {
stack.push(node.right);
}
if (node.left != null) {
stack.push(node.left);
}
} else {
node = stack.peek();
result.add(node.val);
stack.pop();
}
}
return result;
}
}
（中等）102. 二叉树的层序遍历
在处理某一层的节点之前，先记录一下队列中元素的个数，也就是这一层的节点个数，然后依次弹出这一层的节点，然后再向队列中添加该节点的左子节点和右子节点（如果有的话）
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return result;
}
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
TreeNode node;
while (!queue.isEmpty()) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
int size = queue.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
node = queue.poll();
list.add(node.val);
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
result.add(list);
}
return result;
}
}
（中等）107. 二叉树的层序遍历II
因为返回的结果只要是实现了List接口就可以，所以，ArrayList、LinkedList都可以，本题中要求层序遍历是自底向上的层序遍历，依然可以按照102题中的方法去写，只不过每一次往结果List中添加结果时，需要添加在头部的位置，ArrayList底层是数组实现，所以总是从头部插入元素效率较低，所以使用LinkedList，底层使用双向链表，在头部插入元素在O(1)的时间内即可完成
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public List<List<Integer>> levelOrderBottom(TreeNode root) {
LinkedList<List<Integer>> result = new LinkedList<>();
if (root == null) {
return result;
}
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
int size = 0;
TreeNode tmp;
queue.offer(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < size; i++) {
tmp = queue.poll();
list.addLast(tmp.val);
if (tmp.left != null) {
queue.add(tmp.left);
}
if (tmp.right != null) {
queue.add(tmp.right);
}
}
result.addFirst(list);
}
return result;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是二叉树节点的个数。每个节点访问一次，结果列表使用链表的结构时，在结果列表头部添加一层节点值的列表的时间复杂度是O(1)，因此总时间复杂度是O(n)。
- 空间复杂度：O(n)，其中n是二叉树中的节点个数。空间复杂度取决于队列开销，队列中的节点个数不会超过n。
（中等）199. 二叉树的右视图
还是使用层次遍历的思想（BFS），只不过结果列表中添加的是每一层的最右边的节点
class Solution {
public List<Integer> rightSideView(TreeNode root) {
List<Integer> result = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return result;
}
int size = 0;
TreeNode node;
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
for (int i = 1; i <= size; i++) {
node = queue.poll();
if (i == size) {
result.add(node.val);
}
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
}
return result;
}
}
看题解，也可以使用DFS的思路
按照 根节点、右子树、左子树的顺序访问，就可以保证每层都是最先访问最右边的节点的。
（与先序遍历 根节点、左子树、右子树 正好相反，先序遍历每层最先访问的是最左边节点）
时间复杂度：O(N)，每个节点都被访问过1次
空间复杂度：O(N)，因为这不是一棵平衡二叉树，二叉树的深度至少是logN，最坏的情况下会退化成一条链表，深度为N，因此递归使用的栈空间O(N)的。
class Solution {
List<Integer> result = new ArrayList<>();
public List<Integer> rightSideView(TreeNode root) {
dfs(root, 0);
return result;
}
public void dfs(TreeNode root, int depth) {
if (root == null) {
return;
}
if (depth == result.size()) {
result.add(root.val);
}
depth++;
dfs(root.right, depth);
dfs(root.left, depth);
}
}
（简单）637. 二叉树的层平均值
广度优先搜索BFS
还是层次遍历的思路，在弹出每一层节点之前，记录队列当前的size，在弹出这一层每一个节点时，对它们的值进行累加求和，当这一层的节点全部弹出时，将求和的结果除以size，就是这一层的平均值，添加到结果列表中
class Solution {
public List<Double> averageOfLevels(TreeNode root) {
List<Double> res = new ArrayList<>();
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
double sum = 0.0;
for (int i = 0; i < size; i++) {
TreeNode node = queue.poll();
sum += node.val;
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
sum /= size;
res.add(sum);
}
return res;
}
}
复杂度分析：
-
时间复杂度：O(n)，其中n是二叉树中的节点个数
- 广度优先搜索需要对每个节点访问一次，时间复杂度是O(n)。
- 需要对二叉树的每一层计算平均值，时间复杂度是O(h)，其中h是二叉树的高度，在任何情况下都满足h<=n。
- 因此总时间复杂度是O(n)
-
空间复杂度：O(n)，其中n是二叉树中的节点个数。空间复杂度取决于队列开销，队列中的节点个数不会超过n。
深度优先搜索DFS
使用深度优先搜索计算二叉树的层平均值，需要维护两个数组，counts用于存储二叉树的每一层的节点数，sums用于存储二叉树的每一层的节点值之和。搜索过程中需要记录当前节点所在层，如果访问到的节点在第i层，则将counts[i]的值加1，并将该节点的值加到sums[i]。
遍历结束之后，第i层的平均值即为sums[i]/counts[i]。
class Solution {
public List<Double> averageOfLevels(TreeNode root) {
ArrayList<Integer> counts = new ArrayList<>();
ArrayList<Double> sums = new ArrayList<>();
dfs(root, 0, counts, sums);
ArrayList<Double> res = new ArrayList<>();
//size表示该二叉树有多少层
dfs(root, 0, counts, sums);
int size = sums.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
res.add(sums.get(i) / counts.get(i));
}
return res;
}
private void dfs(TreeNode root, int depth, ArrayList<Integer> counts, ArrayList<Double> sums) {
if (root == null) {
return;
}
if (depth < sums.size()) {
sums.set(depth, sums.get(depth) + root.val);
counts.set(depth, counts.get(depth) + 1);
} else {
sums.add(1.0 * root.val);
counts.add(1);
}
dfs(root.left, depth + 1, counts, sums);
dfs(root.right, depth + 1, counts, sums);
}
}
（中等）429. N叉树的层序遍历
这一题和二叉树的层序遍历思想一样，区别在于，二叉树的层序遍历，向结果列表中添加当前节点的值以后，需要判断该节点的左子节点和右子节点是否为空，不为空的话加入队列。对于N叉树，则需要判断当前Node对象的children属性，如果里面有不为空的子节点，需要将它们加入队列
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public int val;
public List children;
public Node() {}
public Node(int _val) {
val = _val;
}
public Node(int _val, List _children) {
val = _val;
children = _children;
}
};
*/
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Queue;
class Solution {
public List<List<Integer>> levelOrder(Node root) {
ArrayList<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return res;
}
Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
int size;
Node node;
List<Integer> list;
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < size; i++) {
node = queue.poll();
list.add(node.val);
for (Node child : node.children) {
if (child != null) {
queue.add(child);
}
}
}
res.add(list);
}
return res;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是树中包含的节点个数。在广度优先搜索的过程中，我们需要遍历每个节点恰好一次。
- 空间复杂度：O(n)，即为队列需要使用的空间。在最坏的情况下，树只有两层，且最后一层有n-1个节点，此时就需要O(n)的空间。
（中等）在每个树行中找最大值
采用层序遍历的思想，使用一个变量tmp来记录当前层的最大值，在比较完当前层的所有值以后，将其添加到结果列表中
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Queue;
class Solution {
public List<Integer> largestValues(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return res;
}
int tmp;
int size;
TreeNode node;
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
tmp = Integer.MIN_VALUE;
for (int i = 0; i < size; i++) {
node = queue.poll();
tmp = Math.max(tmp, node.val);
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
res.add(tmp);
}
return res;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为二叉树节点个数，每一个节点仅会进出队列一次。
- 空间复杂度：O(n)，存储二叉树节点的空间开销。
深度优先搜索DFS
用树的【先序遍历】来进行【深度优先搜索】处理，并用curHeight来标记遍历到的当前节点的高度。当遍历到curHeight高度的节点就判断是否更新该节点的最大值。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class Solution {
public List<Integer> largestValues(TreeNode root) {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
if (root == null) {
return res;
}
dfs(root, 0, res);
return res;
}
private void dfs(TreeNode root, int curHeight, List<Integer> res) {
if (root == null) {
return;
}
if (curHeight == res.size()) {
res.add(root.val);
} else {
res.set(curHeight, Math.max(root.val, res.get(curHeight)));
}
dfs(root.left, curHeight + 1, res);
dfs(root.right, curHeight + 1, res);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为二叉树节点个数。二叉树的遍历中每个节点都会被访问一次且只会被访问一次。
- 空间复杂度：O(height)，其中height表示二叉树的高度。递归函数需要栈空间，而栈空间取决于递归的深度，因此空间复杂度等价于二叉树的高度。
（中等）116. 填充每个节点的下一个右侧节点指针
层序遍历的思路。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public Node connect(Node root) {
if (root == null) {
return null;
}
Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
int size;
Node node;
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
for (int i = 1; i <= size; i++) {
node = queue.poll();
if (i == size) {
node.next = null;
} else {
node.next = queue.peek();
}
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
}
return root;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)。每个节点会被访问一次，即从队列中弹出，并建立next指针。
- 空间复杂度：O(N)。这是一棵完美二叉树，它的最后一个层级包含N/2个节点。广度优先遍历的复杂度取决于一个层级上的最大元素数量。
官方提供的另一种方法，使用已建立的next指针
思路：
一棵树中存在两种类型的next指针
- 第一种情况是连接同一个父节点的两个子节点。它们可以通过同一个节点直接访问到，因此直接可以执行下面的操作即可完成连接。
node.left.next = node.right;
- 第二种情况在不同父亲的子节点之间建立连接，这种情况不能直接连接。
- 如果每个节点有指向父节点的指针，可以通过该指针找到next节点。第N层节点之间建立next指针后，再建立第N+1层节点的next指针。可以通过next指针访问同一层的所有节点，因此可以使用第N层的next指针，为第N+1层节点建立next指针。
node.right.next = node.next.left;
从根节点开始，由于第0层只有一个节点，所以不需要连接，直接为第一层节点建立next指针即可。该算法中需要注意一点是，当我们为第N层节点建立next指针时，处于第N-1层。当第N层节点的next指针全部建立完成后，移至第N+1层节点的next指针。
遍历某一层的节点时，这层节点的next指针已经建立。因此我们只需要知道这一层的最左节点，就可以按照链表方式遍历，不需要使用队列。
完成当前层的连接后，进入下一层重复操作，直到所有的节点全部连接。进入下一层后需要更新最左节点，然后从新的最左结点开始遍历该层所有节点。因为是完美二叉树，因此最左节点一定是当前最左节点的左孩子。如果当前最左节点的左孩子不存在，说明已经到达该树的最后一层，完成了所有节点的连接。
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public int val;
public Node left;
public Node right;
public Node next;
public Node() {}
public Node(int _val) {
val = _val;
}
public Node(int _val, Node _left, Node _right, Node _next) {
val = _val;
left = _left;
right = _right;
next = _next;
}
};
*/
class Solution {
public Node connect(Node root) {
if (root == null) {
return null;
}
//从根节点开始
Node leftmost = root;
while (leftmost.left != null) {
Node head = leftmost;
while (head != null) {
//连接1
head.left.next = head.right;
//连接2
if (head.next != null) {
head.right.next = head.next.left;
}
//指针向后移动
head = head.next;
}
//去往下一层
leftmost = leftmost.left;
}
return root;
}
}
指针永远指向的是被操作行的上一层，因为上一层的next指针已经建立完毕
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，每个节点只访问一次。
- 空间复杂度：O(1)，不需要存储额外的节点。
（中等）117. 填充每个节点的下一个右侧节点指针II
这一题和上一题116的区别是，上一题是完美二叉树，这一题是普通二叉树，其实思路是一样的。
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public int val;
public Node left;
public Node right;
public Node next;
public Node() {}
public Node(int _val) {
val = _val;
}
public Node(int _val, Node _left, Node _right, Node _next) {
val = _val;
left = _left;
right = _right;
next = _next;
}
};
*/
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public Node connect(Node root) {
if (root == null) {
return null;
}
Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
for (int i = 1; i <= size; i++) {
Node node = queue.poll();
if (i == size) {
node.next = null;
} else {
node.next = queue.peek();
}
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
}
return root;
}
}
上面代码的运行效率并不是很高，这是因为我们把节点不停地入队，然后不停地出队，其实可以不需要队列，每一行都可以看成一个链表比如第一行就只有一个节点的链表，第二行是只有两个节点的链表（假如根节点的左右两个子节点都不为空）…
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public int val;
public Node left;
public Node right;
public Node next;
public Node() {}
public Node(int _val) {
val = _val;
}
public Node(int _val, Node _left, Node _right, Node _next) {
val = _val;
left = _left;
right = _right;
next = _next;
}
};
*/
class Solution {
public Node connect(Node root) {
if (root == null) {
return null;
}
//cur可以把它看作是每一层的链表
Node cur = root;
while (cur != null) {
//遍历当前层的时候
//为了方便操作在下一层前面添加一个哑节点
//（注意，这里是访问当前层的节点，然后把下一层的节点串起来）
Node dummy = new Node(0);
Node pre = dummy;
//开始遍历当前层的链表
while (cur != null) {
if (cur.left != null) {
//如果当前节点的左子节点不为空
//就让pre节点的next指向它，把它串起来
pre.next = cur.left;
pre = pre.next;
}
//同理
if (cur.right != null) {
pre.next = cur.right;
pre = pre.next;
}
//继续访问这一行的下一个节点
cur = cur.next;
}
//把下一层串联成一个链表之后，让他赋值给cur
//后续继续循环，直到cur为空为止
cur = dummy.next;
}
return root;
}
}
因为上一题的二叉树是完美二叉树，也就是二叉树每一层都是满的状态。不过这一题就不是了，所以需要引入一个哑节点来，该节点的next指针指向的就是当前层的第一个二叉树节点。
（简单）104. 二叉树的最大深度
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public int maxDepth(TreeNode root) {
if (root == null) {
return 0;
}
return Math.max(maxDepth(root.left), maxDepth(root.right)) + 1;
}
}
如果知道了左子树和右子树的最大深度l和r，那么该二叉树的最大深度即为max(l,r)+1
而左子树和右子树的最大深度又可以以同样的方式进行计算。因此可以用【深度优先搜索】的方法来计算二叉树的最大深度。具体而言，再计算当前二叉树的最大深度时，可以先递归计算出其左子树和右子树的最大深度，然后再O(1)时间内算出当前二叉树的最大深度。递归再访问到空节点时退出。
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为二叉树节点的个数。每个节点在递归中只被遍历一次。
- 空间复杂度：O(height)，其中height表示二叉树的高度。递归函数需要栈空间，而栈空间取决于递归的深度，因此空间复杂度等价于二叉树的高度。
另一种思路：广度优先搜索
层序遍历的思路，队列中存放的是当前层的所有节点。每次扩展下一层的时候，不同于广度优先搜索的每次只从队列中拿出一个节点，而是需要将队列里所有节点都拿出来进行扩展，这样能保证每次拓展完的时候队列里存放的是当前层的所有节点，即是一层一层地进行拓展，最后用一个变量ans来维护拓展地次数，该二叉树地最大深度即为ans。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public int maxDepth(TreeNode root) {
if (root == null) {
return 0;
}
//res记录要返回的结果
int res = 0;
//size表示当前层的节点个数
int size = 0;
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
size = queue.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
TreeNode node = queue.poll();
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
//该层的所有节点都已经扩展完毕，深度+1
res++;
}
return res;
}
}
（简单）111. 二叉树的最小深度
深度优先搜索
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public int minDepth(TreeNode root) {
if (root == null) {
return 0;
}
//该节点的左右子树都不为空
if (root.left != null && root.right != null) {
return Math.min(minDepth(root.left), minDepth(root.right)) + 1;
} else if (root.left == null && root.right != null) {
//该节点的左子树为空，右子树不为空
return minDepth(root.right) + 1;
} else if (root.left != null) {
//该节点的左子树不为空，右子树为空
return minDepth(root.left) + 1;
} else {
//该节点为叶子节点，左子树右子树均为空
return 1;
}
}
}
对于每一个非叶子节点，只需要分别计算其左右子树的最小叶子节点深度。
class Solution {
public int minDepth(TreeNode root) {
if (root == null) {
return 0;
}
if (root.left == null && root.right == null) {
return 1;
}
int min_depth = Integer.MAX_VALUE;
if (root.left != null) {
min_depth = Math.min(minDepth(root.left), min_depth);
}
if (root.right != null) {
min_depth = Math.min(minDepth(root.right), min_depth);
}
return min_depth + 1;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(N)，其中N是树的节点数。对每个节点访问一次。
- 空间复杂度：O(H)，其中H是树的高度。空间复杂度主要取决于递归时栈空间的开销，最坏情况下，树呈现链状，空间复杂度为O(N)。平均情况下树的高度与节点数的对数正相关，空间复杂度为O(logN)
广度优先搜索
遍历整棵二叉树，除了可以用深度优先搜索的方法，还可以使用广度优先遍历。
当找到一个叶子节点时，直接返回这个叶子节点的深度。广度优先搜索的性质保证了最先搜索到的叶子节点的深度一定最小。
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public int minDepth(TreeNode root) {
if (root == null) {
return 0;
}
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
int depth = 0;
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
depth++;
for (int i = 0; i < size; i++) {
TreeNode node = queue.poll();
if (node.left == null && node.right == null) {
return depth;
}
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
}
return depth;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(N)，其中N是树的节点数。对每个节点访问一次。
- 空间复杂度：O(N)，其中N是树的节点数。空间复杂度主要取决于队列的开销，队列中的元素个数不会超过树的节点数。
（简单 经典）226. 翻转二叉树
一看到这个题，我就觉得要用递归，逐层分解
从根节点开始，递归地对树进行遍历，并从叶子节点先开始翻转，如果当前遍历到的节点root的左右两棵子树都已经翻转，那么只需要交换两棵子树的位置，即可完成以root为根节点的整棵子树的翻转。
class Solution {
public TreeNode invertTree(TreeNode root) {
if (root == null) {
return null;
}
if (root.left == null && root.right == null) {
return root;
}
TreeNode left = invertTree(root.left);
TreeNode right = invertTree(root.right);
root.left = right;
root.right = left;
return root;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(N)，其中N为二叉树节点的数目。需要遍历二叉树种的每一个节点，对每个节点而言，再常数时间内就可以完成交换两棵子树的操作。
- 空间复杂度：O(N)，使用的空间由递归栈的深度决定，它等于当前节点在二叉树中的高度。在平均情况下，二叉树的高度与节点个数为对数关系，即O(logN)。而在最情况下，树形成链状，空间复杂度为O(N)
广度优先遍历
动画演示，参考链接
广度优先遍历需要额外的数据结构——队列，来存放临时遍历到的元素
首先需要将根节点放入到队列中，然后不断地迭代队列中的元素。
对当前元素调换其左右子树的位置，然后：
- 判断其左子树是否为空，不为空就放入队列中
- 判断其右子树是否为空，不为空就放入队列中
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public TreeNode invertTree(TreeNode root) {
if (root == null) {
return null;
}
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
TreeNode node = queue.poll();
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
if (node.right != null || node.left != null) {
TreeNode tmp = node.left;
node.left = node.right;
node.right = tmp;
}
}
}
return root;
}
}
（简单）101. 对称二叉树
写这一题的时候，我想的是，要判断一个二叉树是否对称，则需要判断它的左子树和右子树是否对称，如果只有左子树或者只有右子树，那么就肯定不是对称的，如果左右子树都存在，那么如果左子树的根节点的值与右子树根节点的值不一样，也不是对称的，如果值一样，则需要比较该左子树的左孩子和右子树的右孩子，以及左子树的右孩子和右子树的左孩子是否是对称的。
所以和求最大深度不同，不能只靠原有的那个方法进行递归，而是需要另外写一个方法。
class Solution {
public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
return checkLeftAndRight(root.left, root.right);
}
public boolean checkLeftAndRight(TreeNode leftNode, TreeNode rightNode) {
//左子树为空，右子树不为空
if (leftNode == null && rightNode != null) {
return false;
}
//左子树不为空，右子树为空
if (leftNode != null && rightNode == null) {
return false;
}
//左子树为空，右子树为空
if (leftNode == null) {
return true;
}
//左右子树都不为空
//如果他们的值不相等
if (leftNode.val != rightNode.val) {
return false;
}
return checkLeftAndRight(leftNode.left, rightNode.right)
&& checkLeftAndRight(leftNode.right, rightNode.left);
}
}
复杂度分析：
假设树上一共有n个节点。
- 时间复杂度：O(n)，因为遍历了整棵树
- 空间复杂度：O(n)，空间复杂度和递归使用的栈空间有关，这里递归层数不超过n。
官方对递归方法的总结：
如果一个左子树与右子树镜像对称，那么这个树是对称的。那么问题就转化为，两棵树在什么情况下互为镜像？
同时满足下面两个条件，两棵树互为镜像：
- 它们的两个根节点具有相同的值
- 每个树的右子树与另一个树的左子树镜像对称
另一种解题思路：迭代
引入一个队列，这是把递归程序改写成迭代程序的常用方法。初始化时我们把根节点入队两次。每次提取两个节点比较它们的值（队列中每两个连续的节点应该是相等的，而且它们的子树互为镜像），然后将两个节点的左右子节点按相反的顺序插入队列中。当队列为空时，或者检测到树不对称（即从队列中取出两个不相等的连续节点）时，该算法结束。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode node1 = queue.poll();
TreeNode node2 = queue.poll();
if (node1 == null && node2 == null) {
continue;
}
if (node1==null || node2==null) {
return false;
}
if (node1.val != node2.val) {
return false;
}
queue.add(node1.left);
queue.add(node2.right);
queue.add(node1.right);
queue.add(node2.left);
}
return true;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，n为二叉树中的节点，需要遍历整个二叉树
- 空间复杂度：O(n)，这里需要用一个队列来维护节点，每个节点最多进队一次，出队一次，队列中最多不会超过n个点。
（简单）100. 相同的树
DFS思路
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
if (p == null && q == null) {
return true;
}
if (p == null || q == null) {
return false;
}
if (p.val != q.val) {
return false;
}
return isSameTree(p.left, q.left) && isSameTree(p.right, q.right);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(min(m,n))，其中m和n分别是两个二叉树的节点数。对两个二叉树同时进行深度优先搜索，只有当两个二叉树中的对应节点都不为空时才会访问到该节点，因此被访问到的节点数不会超过较小的二叉树的节点数。
- 空间复杂度：O(min(m,n))，其中m和n是两个二叉树的节点数。空间复杂度取决于递归调用的层数，递归调用的层数不会超过较小的二叉树的最大高度，最坏情况下，二叉树的高度等于节点数。
BFS思路
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
if (p == null && q == null) {
return true;
}
if (p == null || q == null) {
return false;
}
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(p);
queue.add(q);
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode n1 = queue.poll();
TreeNode n2 = queue.poll();
if (n1 == null && n2 == null) {
continue;
}
if (n1 == null || n2 == null) {
return false;
}
if (n1.val != n2.val) {
return false;
}
queue.add(n1.left);
queue.add(n2.left);
queue.add(n1.right);
queue.add(n2.right);
}
return true;
}
}
复杂度分析：和上面的DFS思路一样。
（简单）572. 另一棵树的子树
我的思路是：使用层次遍历的方式，遍历二叉树，当遇到某一根节点的val与subRoot根节点的val相同的时候，就判断这两棵二叉树是否长得一样，这块的代码和LeetCode 第100题 相同的树的代码是一样的。
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public boolean isSubtree(TreeNode root, TreeNode subRoot) {
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
TreeNode node = queue.poll();
if (node.val == subRoot.val && isSame(node, subRoot)) {
return true;
}
if (node.left != null) {
queue.add(node.left);
}
if (node.right != null) {
queue.add(node.right);
}
}
}
return false;
}
public boolean isSame(TreeNode root, TreeNode subRoot) {
if (root == null && subRoot == null) {
return true;
}
if (root == null || subRoot == null) {
return false;
}
if (root.val != subRoot.val) {
return false;
}
return isSame(root.left, subRoot.left) && isSame(root.right, subRoot.right);
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(s x t)，s是二叉树中的节点的个数，t是子树中的节点的个数。对于每一个s上的点，都需要做一次深度优先搜索来和t匹配，匹配一次的时间代价是O(t)，那么总时间就是O(s x t)
- 空间复杂度：假设s深度为ds，t的深度为dt，任意时刻栈空间的最大使用代价是O(max(ds,dt))。
官方提供的另一种思路，KMP
（简单）559. N叉树的最大深度
采用层序遍历的方式计算N叉树的最大深度，广度优先搜索
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public int val;
public List children;
public Node() {}
public Node(int _val) {
val = _val;
}
public Node(int _val, List _children) {
val = _val;
children = _children;
}
};
*/
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class Solution {
public int maxDepth(Node root) {
if (root == null) {
return 0;
}
int depth = 0;
Queue<Node> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
while (!queue.isEmpty()) {
int size = queue.size();
depth++;
for (int i = 0; i < size; i++) {
Node node = queue.poll();
for (Node n : node.children) {
if (n != null) {
queue.add(n);
}
}
}
}
return depth;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n是N叉树的节点个数。每个节点只会被访问一次。
- 空间复杂度：此方法空间的消耗取决于队列存储的元素数量，其在最坏情况下会达到O(n)
另一种方法，深度优先搜索DFS
如果根节点有N个子节点，则这N个子节点对应N个子树。记N个子树的最大深度中的最大值为maxChildDepth，则该N叉树的最大深度为maxChildDepth+1。
每个子树的最大深度又可以以同样的方式进行计算。因此，可以使用【深度优先搜索】的方法计算N叉树的最大深度。具体而言，在计算当前N叉树的最大深度时，可以先递归计算出其每个子树的最大深度，然后在O(1)的时间内计算出当前N叉树的最大深度。递归在访问到空节点时退出。
class Solution {
public int maxDepth(Node root) {
if (root == null) {
return 0;
}
int maxChildDepth = 0;
for (Node n : root.children) {
maxChildDepth = Math.max(maxChildDepth, maxDepth(n));
}
return maxChildDepth + 1;
}
}
复杂度分析：
- 时间复杂度：O(n)，其中n为N叉树节点的个数。每个节点在递归中只被遍历一次。
- 空间复杂度：O(height)，其中height表示N叉树的高度。递归函数需要栈空间，而栈空间取决于递归的深度，因此空间复杂度等价于N叉树的高度。