LeetCode-Day97(C++) 117. 填充每个节点的下一个右侧节点指针 II

  1. 填充每个节点的下一个右侧节点指针 II
    给定一个二叉树

![

struct Node {
  int val;
  Node *left;
  Node *right;
  Node *next;
}

填充它的每个 next 指针,让这个指针指向其下一个右侧节点。如果找不到下一个右侧节点,则将 next 指针设置为 NULL。

初始状态下,所有 next 指针都被设置为 NULL。

进阶:

你只能使用常量级额外空间。
使用递归解题也符合要求,本题中递归程序占用的栈空间不算做额外的空间复杂度。

示例:

输入:root = [1,2,3,4,5,null,7]
输出:[1,#,2,3,#,4,5,7,#]
解释:给定二叉树如图 A 所示,你的函数应该填充它的每个 next 指针,以指向其下一个右侧节点,如图 B 所示。序列化输出按层序遍历顺序(由 next 指针连接),’#’ 表示每层的末尾。

提示:

树中的节点数小于 6000
-100 <= node.val <= 100

方法一:层次遍历
思路与算法

这道题希望我们把二叉树各个层的点组织成链表,一个非常直观的思路是层次遍历。树的层次遍历基于广度优先搜索,它按照层的顺序遍历二叉树,在遍历第 i 层前,一定会遍历完第i−1 层。

算法如下:初始化一个队列 q,将根结点放入队列中。当队列不为空的时候,记录当前队列大小为 n,从队列中以此取出 n 个元素并通过这 n 个元素拓展新节点。如此循环,直到队列为空。我们不难写出这样的代码:

q.push(root);
while(!q.empty()) {
    int n = q.size();
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        auto f = q.front();
        q.pop();
        // 拓展新节点
        if (f->left) {
            q.push(f->left);
        }
        if (f->right) {
            q.push(f->right);
        }
        // ... 遍历当前取出的 f
    }
}

这样做可以保证每次遍历的 n 个点都是同一层的。我们可以在遍历每一层的时候修改这一层节点的 next 指针,这样就可以把每一层都组织成链表。

代码

class Solution {
public:
    Node* connect(Node* root) {
        if (!root) {
            return nullptr;
        }
        queue<Node*> q;
        q.push(root);
        while (!q.empty()) {
            int n = q.size();
            Node *last = nullptr;
            for (int i = 1; i <= n; ++i) {
                Node *f = q.front();
                q.pop();
                if (f->left) {
                    q.push(f->left);
                }
                if (f->right) {
                    q.push(f->right);
                }
                if (i != 1) {
                    last->next = f;
                }
                last = f;
            }
        }
        return root;
    }
};

复杂度分析

记树上的点的个数为 N。

时间复杂度:O(N)。我们需要遍历这棵树上所有的点,时间复杂度为O(N)。

空间复杂度:O(N)。即队列的空间代价。

方法二:使用已建立的 next 指针
思路与算法

因为必须处理树上的所有节点,所以无法降低时间复杂度,但是可以尝试降低空间复杂度。

在方法一中,因为对树的结构一无所知,所以使用队列保证有序访问同一层的所有节点,并建立它们之间的连接。然而不难发现:一旦在某层的节点之间建立了next 指针,那这层节点实际上形成了一个链表。因此,如果先去建立某一层的 next 指针,再去遍历这一层,就无需再使用队列了。

基于该想法,提出降低空间复杂度的思路:如果第 ii 层节点之间已经建立 next 指针,就可以通过next 指针访问该层的所有节点,同时对于每个第 ii 层的节点,我们又可以通过它的 left 和 right 指针知道其第i+1 层的孩子节点是什么,所以遍历过程中就能够按顺序为第 i+1 层节点建立 next 指针。

具体来说:

从根节点开始。因为第 0 层只有一个节点,不需要处理。可以在上一层为下一层建立 next 指针。该方法最重要的一点是:位于第 x 层时为第x+1 层建立 next 指针。一旦完成这些连接操作,移至第 x+1 层为第x+2 层建立 next 指针。
当遍历到某层节点时,该层节点的 next 指针已经建立。这样就不需要队列从而节省空间。每次只要知道下一层的最左边的节点,就可以从该节点开始,像遍历链表一样遍历该层的所有节点。
代码

class Solution {
public:
    void handle(Node* &last, Node* &p, Node* &nextStart) {
        if (last) {
            last->next = p;
        } 
        if (!nextStart) {
            nextStart = p;
        }
        last = p;
    }

    Node* connect(Node* root) {
        if (!root) {
            return nullptr;
        }
        Node *start = root;
        while (start) {
            Node *last = nullptr, *nextStart = nullptr;
            for (Node *p = start; p != nullptr; p = p->next) {
                if (p->left) {
                    handle(last, p->left, nextStart);
                }
                if (p->right) {
                    handle(last, p->right, nextStart);
                }
            }
            start = nextStart;
        }
        return root;
    }
};

复杂度分析

时间复杂度:O(N)。分析同「方法一」。

空间复杂度:O(1)。

作者:LeetCode-Solution
链接:https://leetcode-cn.com/problems/populating-next-right-pointers-in-each-node-ii/solution/tian-chong-mei-ge-jie-dian-de-xia-yi-ge-you-ce-15/

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