(1条消息) 万字长文!二叉树入门和刷题看这篇就够了!
今天是小浩算法 “365刷题计划” 二叉树入门 - 整合篇。本篇作为入门整合篇,已经砍去难度较大的知识点,所有列出的内容,均为必须掌握。因为很长,写下目录:
二叉树是啥
二叉树的最大深度(DFS)
二叉树的层次遍历(BFS)
二叉搜索树验证
二叉搜索树查找
二叉搜索树删除
平衡二叉树
完全二叉树
二叉树的剪枝
01
PART
二叉树是啥
二叉树有多重要?单就面试而言,在 leetcode 中二叉树相关的题目占据了300多道,近三分之一。同时,二叉树在整个算法板块中还起到承上启下的作用:不但是数组和链表的延伸,又可以作为图的基础。总之,非常重要!
什么是二叉树?官方是这样定义的:在计算机科学中,二叉树是每个结点最多有两个子树的树结构。通常子树被称作“左子树”(left subtree)和“右子树”(right subtree)。
上面那是个玩笑,二叉树长这样:
二叉树常被用于实现二叉查找树和二叉堆。树比链表稍微复杂,因为链表是线性数据结构,而树不是。树的问题很多都可以由广度优先搜索或深度优先搜索解决。
一般而言,我们会看到下面这些与树相关的术语:
小浩概念
与树相关的术语
树的结点(node):包含一个数据元素及若干指向子树的分支;
孩子结点(child node):结点的子树的根称为该结点的孩子;
双亲结点:B 结点是A 结点的孩子,则A结点是B 结点的双亲;
兄弟结点:同一双亲的孩子结点;堂兄结点:同一层上结点;
祖先结点: 从根到该结点的所经分支上的所有结点
子孙结点:以某结点为根的子树中任一结点都称为该结点的子孙
结点层:根结点的层定义为1;根的孩子为第二层结点,依此类推;
树的深度:树中最大的结点层
结点的度:结点子树的个数
树的度:树中最大的结点度。
叶子结点:也叫终端结点,是度为 0 的结点;
分枝结点:度不为0的结点;
有序树:子树有序的树,比如家族树;
无序树:不考虑子树的顺序;
了解了上面的基本概念之后。我们将通过几道例题,为大家引入树的经典操作。
02
PART
二叉树最大深度
复习上面的概念:树的深度指的是树中最大的结点层。
第104题:给定一个二叉树,找出其最大深度。二叉树的深度为根节点到最远叶子节点的最长路径上的节点数。
说明: 叶子节点是指没有子节点的节点。
示例:
给定二叉树 [3,9,20,null,null,15,7],
3/ \9 20/ \15 7
基本概念掌握:每个节点的深度与它左右子树的深度有关,且等于其左右子树最大深度值加上 1。即:
maxDepth(root) = max(maxDepth(root.left),maxDepth(root.right)) + 1
以 [3,9,20,null,null,15,7] 为例:
我们要对根节点的最大深度求解,就要对其左右子树的深度进行求解
我们看出。以4为根节点的子树没有左右节点,其深度为1。而以20为根节点的子树的深度,同样取决于它的左右子树深度。
对于15和7的子树,我们可以一眼看出其深度为1。
由此我们可以得到根节点的最大深度为
maxDepth(root-3)
=max(maxDepth(sub-4),maxDepth(sub-20))+1
=max(1,max(maxDepth(sub-15),maxDepth(sub-7))+1)+1
=max(1,max(1,1)+1)+1
=max(1,2)+1
=3
根据分析,我们通过递归进行求解:
1//Go2func maxDepth(root *TreeNode) int {3 if root == nil {4 return 05 }6 return max(maxDepth(root.Left), maxDepth(root.Right)) + 17}89func max(a int, b int) int {10 if a > b {11 return a12 }13 return b14}
其实我们上面用的递归方式,本质上是使用了DFS的思想。所以这里就可以引出什么是DFS:深度优先搜索算法(Depth First Search),对于二叉树而言,它沿着树的深度遍历树的节点,尽可能深的搜索树的分支,这一过程一直进行到已发现从源节点可达的所有节点为止。( 注意,这里的前提是对二叉树而言。DFS本身作为图算法的一种,在后续我会单独拉出来和回溯放一起讲。)
如上图二叉树,它的访问顺序为:
A-B-D-E-C-F-G
到这里,我们思考一个问题?虽然我们用递归的方式根据DFS的思想顺利完成了题目。但是这种方式的缺点却显而易见。因为在递归中,如果层级过深,我们很可能保存过多的临时变量,导致栈溢出。这也是为什么我们一般不在后台代码中使用递归的原因。如果不理解,下面我们详细说明:
事实上,函数调用的参数是通过栈空间来传递的,在调用过程中会占用线程的栈资源。而递归调用,只有走到最后的结束点后函数才能依次退出,而未到达最后的结束点之前,占用的栈空间一直没有释放,如果递归调用次数过多,就可能导致占用的栈资源超过线程的最大值,从而导致栈溢出,导致程序的异常退出。
所以,我们引出下面的话题:如何将递归的代码转化成非递归的形式。这里请记住,基本所有的递归转非递归,都可以通过栈来进行实现。非递归的DFS,代码如下:
1//java2private List<TreeNode> traversal(TreeNode root) {3 List<TreeNode> res = new ArrayList<>();4 Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();5 stack.add(root);6 while (!stack.empty()) {7 TreeNode node = stack.peek();8 res.add(node);9 stack.pop();10 if (node.right != null) {11 stack.push(node.right);12 }13 if (node.left != null) {14 stack.push(node.left);15 }16 }17 return res;18}
上面的代码,唯一需要强调的是,为什么需要先右后左压入数据?是因为我们需要将先访问的数据,后压入栈(请思考栈的特点)。
如果不理解代码,请看下图:
说明:
1:首先将a压入栈
2:a弹栈,将c、b压入栈(注意顺序)
3:b弹栈,将e、d压入栈
4,5:d、e、c弹栈,将g、f压入栈
6:f、g弹栈
至此,非递归的 DFS 就讲解完毕了。那如何通过非递归DFS的方式,来对本题求解呢?相信已经很简单了,这个下去自己试试就ok了了。
03
PART
二叉树的层次遍历
在上文中,我们通过例题学习了二叉树的DFS(深度优先搜索),其实就是沿着一个方向一直向下遍历。那我们可不可以按照高度一层一层的访问树中的数据呢?当然可以,就是本节中我们要讲的BFS(宽度优先搜索),同时也被称为广度优先搜索。
第102题:给定一个二叉树,返回其按层次遍历的节点值。(即逐层地,从左到右访问所有节点)。
例如:
给定二叉树: [3,9,20,null,null,15,7],
3
/ \
9 20
/ \
15 7
返回其层次遍历结果:[[3],[9,20],[15,7]]
BFS,广度/宽度优先。说白了就是从上到下,先把每一层遍历完之后再遍历一下一层。假如我们的树如下:
按照BFS,访问顺序如下:
a->b->c->d->e->f->g
了解了BFS,我们开始对本题进行分析。同样,我们先考虑本题的递归解法。想到递归,我们一般先想到DFS。我们可以对该二叉树进行先序遍历(根左右的顺序),同时,记录节点所在的层次level,并且对每一层都定义一个数组,然后将访问到的节点值放入对应层的数组中。
假设给定二叉树为[3,9,20,null,null,15,7],图解如下:
根据分析,代码如下:
1//Go2func levelOrder(root *TreeNode) [][]int {3 return dfs(root, 0, [][]int{})4}56func dfs(root *TreeNode, level int, res [][]int) [][]int {7 if root == nil {8 return res9 }10 if len(res) == level {11 res = append(res, []int{root.Val})12 } else {13 res[level] = append(res[level], root.Val)14 }15 res = dfs(root.Left, level+1, res)16 res = dfs(root.Right, level+1, res)17 return res18}
上面的解法,其实相当于是用DFS的方法实现了二叉树的BFS。那我们能不能直接使用BFS的方式进行解题呢?当然可以。我们使用Queue的数据结构。我们将root节点初始化进队列,通过消耗尾部,插入头部的方式来完成BFS。
具体步骤如下图:
根据分析,完成代码:
1//Go2func levelOrder(root *TreeNode) [][]int {3 var result [][]int4 if root == nil {5 return result6 }7 // 定义一个双向队列8 queue := list.New()9 // 头部插入根节点10 queue.PushFront(root)11 // 进行广度搜索12 for queue.Len() > 0 {13 var currentLevel []int14 listLength := queue.Len()15 for i := 0; i < listLength; i++ {16 // queue.Back():返回队列中最后一个元素17 // queue.Remove(queue.Back()).(*TreeNode) : 移除队列中最后一个元素并将其转化为TreeNode类型18 node := queue.Remove(queue.Back()).(*TreeNode)19 currentLevel = append(currentLevel, node.Val)20 if node.Left != nil {21 queue.PushFront(node.Left)22 }23 if node.Right != nil {24 queue.PushFront(node.Right)25 }26 }27 result = append(result, currentLevel)28 }29 return result30}
04
PART
二叉搜索树
BST是二叉搜索树,很重要。BST是二叉搜索树,很重要。BST是二叉搜索树,很重要。重要的事情说三遍。
第98题:给定一个二叉树,判断其是否是一个有效的二叉搜索树。
示例 1:
输入:
5
/ \
1 4
/ \
3 6
输出: false
解释: 输入为: [5,1,4,null,null,3,6]。
根节点的值为 5 ,但是其右子节点值为 4 。
要验证二叉搜索树,首先得知道啥是二叉搜索树。二叉搜索树(Binary Search Tree),(又:二叉查找树,二叉排序树)它或者是一棵空树,或者是具有下列性质的二叉树:若它的左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值;若它的右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值;它的左、右子树也分别为二叉搜索树。
这里强调一下子树的概念:设T是有根树,a是T中的一个顶点,由a以及a的所有后裔(后代)导出的子图称为有向树T的子树。具体来说,子树就是树的其中一个节点以及其下面的所有的节点所构成的树。比如下面这就是一颗二叉搜索树:
下面这两个都不是:
图中4节点位置的数值应该大于根节点
图中3节点位置的数值应该大于根节点
回到题目,那我们如何来验证一颗二叉搜索树?首先看完题目,我们很容易想到 遍历整棵树,比较所有节点,通过 左节点值<节点值,右节点值>节点值 的方式来进行求解。但是这种解法是错误的,因为对于任意一个节点,我们不光需要左节点值小于该节点,并且左子树上的所有节点值都需要小于该节点。(右节点一致)所以我们在此引入上界与下界,用以保存之前的节点中出现的最大值与最小值。
代码其实很简单:
1//GO2func isValidBST(root *TreeNode) bool {3 if root == nil{4 return true5 }6 return isBST(root,math.MinInt64,math.MaxInt64)7}89func isBST(root *TreeNode,min, max int) bool{10 if root == nil{11 return true12 }13 if min >= root.Val || max <= root.Val{14 return false15 }16 return isBST(root.Left,min,root.Val) && isBST(root.Right,root.Val,max)17}
难就难在,可能大家看不懂这个递归!没事,祭出大杀器:
这里需要强调的是,在每次递归中,我们除了进行左右节点的校验,还需要与上下界进行判断。其余的就很简单了。
05
PART
BST的查找
在上文中,我们学习了二叉搜索树。那我们如何在二叉搜索树中查找一个元素呢?
第700题:给定二叉搜索树(BST)的根节点和一个值。你需要在BST中找到节点值等于给定值的节点。返回以该节点为根的子树。如果节点不存在,则返回 NULL。
例如,给定二叉搜索树:
4
/ \
2 7
/ \
1 3
搜索: 2
你应该返回如下子树:
2
/ \
1 3
在上述示例中,如果要找的值是 5,但因为没有节点值为 5,我们应该返回 NULL。
先复习一下,二叉搜索树(BST)的特性:
1.若它的左子树不为空,则所有左子树上的值均小于其根节点的值
2.若它的右子树不为空,则所有右子树上的值均大于其根节点得值
3.它的左右子树也分别为二叉搜索树
如下图就是一棵典型的BST:
现在我们来看题,假设目标值为 val。根据BST的特性,我们可以很容易想到查找过程(上面的验证比查找稍难一点):
如果val小于当前结点的值,转向其左子树继续搜索;
如果val大于当前结点的值,转向其右子树继续搜索;
如果已找到,则返回当前结点。
很简单,不是吗?然后我们可以给出迭代和递归两种解法(给个Java的吧!):
1//java23//递归4public TreeNode searchBST(TreeNode root, int val) {5 if (root == null)6 return null;7 if (root.val > val) {8 return searchBST(root.left, val);9 } else if (root.val < val) {10 return searchBST(root.right, val);11 } else {12 return root;13 }14}1516//迭代17public TreeNode searchBST(TreeNode root, int val) {18 while (root != null) {19 if (root.val == val) {20 return root;21 } else if (root.val > val) {22 root = root.left;23 } else {24 root = root.right;25 }26 }27 return null;28}
06
PART
BST的删除
查找有了,下面自然就要讲删除。(为啥说我要着重墨在BST上面,因为BST这两年在面试时非常高频。面试官不可能说问你一个普通二叉树的题目,要么就是问堆,要么就是问BST,或者就直接DFS考察回溯。)
第450题:给定一个二叉搜索树的根节点 root 和一个值 key,删除二叉搜索树中的 key 对应的节点,并保证二叉搜索树的性质不变。返回二叉搜索树(有可能被更新)的根节点的引用。
一般来说,删除节点可分为两个步骤:
首先找到需要删除的节点;
如果找到了,删除它。
说明:要求算法时间复杂度为 O(h),h 为树的高度。
示例:
root = [5,3,6,2,4,null,7]
key = 3
5
/ \
3 6
/ \ \
2 4 7
给定需要删除的节点值是 3,所以我们首先找到 3 这个节点,然后删除它。
一个正确的答案是 [5,4,6,2,null,null,7], 如下图所示。
5
/ \
4 6
/ \
2 7
另一个正确答案是 [5,2,6,null,4,null,7]。
5
/ \
2 6
\ \
4 7
如果你看到了这里,相信肯定知道BST是个啥了。所以直接分析题目。我们要删除BST的一个节点,首先需要找到该节点。而找到之后,会出现三种情况。
待删除的节点左子树为空,让待删除节点的右子树替代自己。
待删除的节点右子树为空,让待删除节点的左子树替代自己。
如果待删除的节点的左右子树都不为空。我们需要找到比当前节点小的最大节点(前驱),来替换自己
或者比当前节点大的最小节点(后继),来替换自己。
分析完毕,直接上代码。这里我们给出通过后继节点来替代自己的方案(可以自行实现另一种方案):
1//go2func deleteNode(root *TreeNode, key int) *TreeNode {3 if root == nil {4 return nil5 }6 if key < root.Val {7 root.Left = deleteNode( root.Left, key )8 return root9 }10 if key > root.Val {11 root.Right = deleteNode( root.Right, key )12 return root13 }14 //到这里意味已经查找到目标15 if root.Right == nil {16 //右子树为空17 return root.Left18 }19 if root.Left == nil {20 //左子树为空21 return root.Right22 }23 minNode := root.Right24 for minNode.Left != nil {25 //查找后继26 minNode = minNode.Left27 }28 root.Val = minNode.Val29 root.Right = deleteMinNode( root.Right )30 return root31}323334func deleteMinNode( root *TreeNode ) *TreeNode {35 if root.Left == nil {36 pRight := root.Right37 root.Right = nil38 return pRight39 }40 root.Left = deleteMinNode( root.Left )41 return root42}
07
PART
平衡二叉树
BST讲解完了。上面也说了,别人考察我们肯定是考察特殊的。那二叉树里还有啥特殊的东东嘞?平衡二叉树算是一个。
第110题:给定一个二叉树,判断它是否是高度平衡的二叉树。
本题中,一棵高度平衡二叉树定义为:
一个二叉树每个节点 的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1。
示例 1:
给定二叉树 [3,9,20,null,null,15,7]
3
/ \
9 20
/ \
15 7
返回 true 。
示例 2:
给定二叉树 [1,2,2,3,3,null,null,4,4]
1
/ \
2 2
/ \
3 3
/ \
4 4
返回 false 。
题其实是一道很简单的题,主要是拿来复习一下高度。我们想判断一棵树是否满足平衡二叉树,无非就是判断当前结点的两个孩子是否满足平衡,同时两个孩子的高度差是否超过1。那只要我们可以得到高度,再基于高度进行判断即可。
这里唯一要注意的是,当我们判定其中任意一个节点如果不满足平衡二叉树时,那说明整棵树已经不是一颗平衡二叉树,我们可以对其进行阻断,不需要继续递归下去。
然后还有一个初学者容易懵逼的:
这玩意,并不是平衡二叉树。上代码:
1//GO2func isBalanced(root *TreeNode) bool {3 if root == nil {4 return true5 }6 l := maxDepth(root.Left)7 r := maxDepth(root.Right)8 if abs(l-r)>1 {9 return false10 }11 if isBalanced(root.Left){12 return true13 }14 return isBalanced(root.Right)15}1617func maxDepth(root *TreeNode) int {18 if root == nil {19 return 020 }21 return max(maxDepth(root.Left),maxDepth(root.Right)) + 122}2324func max(a,b int) int {25 if a > b {26 return a27 }28 return b29}3031func abs(a int) int {32 if a < 0 {33 return -a34 }35 return a 36}
08
PART
完全二叉树
还有啥特殊的,要捞出来讲一讲的?
第222题:给出一个完全二叉树,求出该树的节点个数。
说明:
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:
输入:
1
/ \
2 3
/ \ /
4 5 6
输出: 6
老样子,我们得说说啥是完全二叉树。完全二叉树由满二叉树引出,先来了解一下什么是满二叉树。如果二叉树中除了叶子结点,每个结点的度都为 2,则此二叉树称为满二叉树。(二叉树的度代表某个结点的孩子或者说直接后继的个数,这个在上面已经说过了。对于二叉树而言,1度是只有一个孩子或者说单子树,2度是有两个孩子或者说左右子树都有。)
那什么又是完全二叉树呢:如果二叉树中除去最后一层节点为满二叉树,且最后一层的结点依次从左到右分布,则此二叉树被称为完全二叉树。比如下面这颗:
这个就不是:
上面做了这么多题了,你应该能想到我要说啥 --- 递归。二叉树的题目基本上都可以递归求解。
1func countNodes(root *TreeNode) int {2 if root != nil {3 return 045 }6 return 1 + countNodes(root.Right) + countNodes(root.Left)7}
但是很明显,出题者肯定不是要这种答案。因为这种答案和完全二叉树一毛钱关系都没有。所以我们继续思考。
由于题中已经告诉我们这是一颗完全二叉树,我们又已知了完全二叉树除了最后一层,其他层都是满的,并且最后一层的节点全部靠向了左边。那我们可以想到,可以将该完全二叉树可以分割成若干满二叉树和完全二叉树,满二叉树直接根据层高h计算出节点为2^h-1,然后继续计算子树中完全二叉树节点。那如何分割成若干满二叉树和完全二叉树呢?对任意一个子树,遍历其左子树层高left,右子树层高right,相等左子树则是满二叉树,否则右子树是满二叉树。这里可能不容易理解,我们看图。
假如我们有树如下:
我们看到根节点的左右子树高度都为3,那么说明左子树是一颗满二叉树。因为节点已经填充到右子树了,左子树必定已经填满了。所以左子树的节点总数我们可以直接得到,是2^left - 1,加上当前这个root节点,则正好是2^3,即 8。然后只需要再对右子树进行递归统计即可。
那假如我们的树是这样:
我们看到左子树高度为3,右子树高度为2。说明此时最后一层不满,但倒数第二层已经满了,可以直接得到右子树的节点个数。同理,右子树节点+root节点,总数为2^right,即2^2。再对左子树进行递归查找。
根据分析,得出代码:
1//java2class Solution {3 public int countNodes(TreeNode root) {4 if (root == null) {5 return 0;6 }7 int left = countLevel(root.left);8 int right = countLevel(root.right);9 if (left == right) {10 return countNodes(root.right) + (1 << left);11 } else {12 return countNodes(root.left) + (1 << right);13 }14 }1516 private int countLevel(TreeNode root) {17 int level = 0;18 while (root != null) {19 level++;20 root = root.left;21 }22 return level;23 }24}
09
PART
二叉树的剪枝
该讲的都讲了,突然想到忘了一个经典操作 - 剪枝。迅速补上!非常重要!这里额外说一点,就本人而言,对这个操作以及其衍化形式的使用会比较频繁。因为我是做反欺诈的,机器学习里有一个概念叫做决策树,那如果一颗决策树完全生长,就会带来比较大的过拟合问题。因为完全生长的决策树,每个节点只会包含一个样本。所以我们就需要对决策树进行剪枝操作,来提升整个决策模型的泛化能力... 听不懂也没关系,简单点讲,就是我觉得这个很重要,或者每道算法题都很重要。如果你在工作中没有用到,不是说明算法不重要,而可能是你还不够重要。
第814题:给定二叉树根结点 root ,此外树的每个结点的值要么是 0,要么是 1。返回移除了所有不包含 1 的子树的原二叉树。
( 节点 X 的子树为 X 本身,以及所有 X 的后代。)
示例1:
输入: [1,null,0,0,1]
输出: [1,null,0,null,1]
解释:
只有红色节点满足条件“所有不包含 1 的子树”。
右图为返回的答案。
示例2:
输入: [1,0,1,0,0,0,1]
输出: [1,null,1,null,1]
示例3:
输入: [1,1,0,1,1,0,1,0]
输出: [1,1,0,1,1,null,1]
说明:
给定的二叉树最多有 100 个节点。
每个节点的值只会为 0 或 1 。
还是先解释一下,啥是剪枝:假设有一棵树,最上层的是root节点,而父节点会依赖子节点。如果现在有一些节点已经标记为无效,我们要删除这些无效节点。如果无效节点的依赖的节点还有效,那么不应该删除,如果无效节点和它的子节点都无效,则可以删除。剪掉这些节点的过程,称为剪枝,目的是用来处理二叉树模型中的依赖问题。
说了好多遍了,二叉树的问题,大多都可以通过递归进行求解。直接分析。假设我们有二叉树如下:[0,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,0]:
长这样:
剪枝之后是这样:
剪什么大家应该都能理解。那关键是怎么剪?过程也很简单,在递归的过程中,如果当前结点的左右节点皆为空,且当前结点为0,我们就将当前节点剪掉即可。
其实很简单,直接看代码:
1func pruneTree(root *TreeNode) *TreeNode {2 return deal(root)3}45func deal(node *TreeNode) *TreeNode {6 if node == nil {7 return nil8 }9 node.Left = deal(node.Left)10 node.Right = deal(node.Right)11 if node.Left == nil && node.Right == nil && node.Val == 0 {12 return nil13 }14 return node15}
10
PART