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[Java知识库]3.4 二叉树递归套路

1. 判断是否是平衡二叉树

它是一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1,并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树

    class Info {
        public int height;
        public boolean balanced;

        public Info(int height, boolean balanced) {
            this.height = height;
            this.balanced = balanced;
        }
    }

    public boolean isBalanced(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return true;
        }
        return processBalance(node).balanced;
    }

    private Info processBalance(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return new Info(0, true);
        }
        Info leftInfo = processBalance(node.left);
        Info rightInfo = processBalance(node.right);
        return new Info(
                Math.max(leftInfo.height, rightInfo.height) + 1,
                leftInfo.balanced && rightInfo.balanced && Math.abs(leftInfo.height - rightInfo.height) <= 1
        );
    }

    public boolean isBalancedCompare(BiNode node) {
        boolean[] ans = new boolean[1];
        ans[0] = true;
        processBalance1(node, ans);
        return ans[0];
    }

    private int processBalance1(BiNode node, boolean[] ans) {
        if (!ans[0]) {
            return -1;
        }
        if (node == null) {
            return 0;
        }
        int l = processBalance1(node.left, ans);
        int r = processBalance1(node.right, ans);
        if (Math.abs(l - r) > 1) {
            ans[0] = false;
        }
        return Math.max(r, l) + 1;
    }

    @Test
    public void test1() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            BiNode node = Reduce.binaryTree(5, 100);
            boolean r1 = isBalanced(node);
            boolean r2 = isBalancedCompare(node);
            if (r1 != r2) {
                System.out.println(Printer.print(node));
                System.out.println(r1);
                System.out.println(r2);
                return;
            }
        }
    }

2. 判断树是否是搜索二叉树

任一一棵子树, 左树的所有节点都比根节点小,右树所有节点都比根节点大


    class Info1 {
        public boolean isSearch;
        public int max;
        public int min;

        public Info1(boolean isSearch, int max, int min) {
            this.isSearch = isSearch;
            this.max = max;
            this.min = min;
        }
    }
    // BST 搜索二叉树
    public boolean isSearchTree(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return true;
        }
        return processSearch(node).isSearch;
    }

    private Info1 processSearch(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return new Info1(true, Integer.MIN_VALUE, Integer.MAX_VALUE);
        }
        Info1 left = processSearch(node.left);
        Info1 right = processSearch(node.right);
        return new Info1(
                left.isSearch && right.isSearch 
                && left.max < node.value && right.min > node.value,
                Math.max(left.max, Math.max(right.max, node.value)),
                Math.min(Math.min(right.min, left.min), node.value)
        );
    }
    public int isSearchTreeCompare(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return 0;
        }
        // 中序遍历,值变大
        Stack<BiNode> nodes = new Stack<>();
        BiNode curr = node;
        int res = 0;
        int max = Integer.MIN_VALUE;
        while ((curr != null || !nodes.isEmpty())) {
            if (curr == null) {
                curr = nodes.pop();
                res++;
                if (curr.value <= max) {
                    return -1;
                }
                max = curr.value;
                curr = curr.right;
                continue;
            }
            nodes.push(curr);
            curr = curr.left;
        }
        return res;
    }
    @Test
    public void test2() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            BiNode node = Reduce.binaryTree(10, 100);
            boolean r1 = isSearchTree(node);
            boolean r2 = isSearchTreeCompare(node) >= 0;
            if (r1 != r2) {
                System.out.println(Printer.print(node));
                System.out.println(r1);
                System.out.println(r2);
                return;
            }
        }
    }

4. 求两节点之间的最大距离

给定一个头结点head, 任何两个基点之间都存在距离,返回整颗二叉树的最大距离


    // https://leetcode-cn.com/problems/diameter-of-binary-tree/
    class Info2 {
        // 高度
        public int height;
        // 最大距离
        public int maxLength;

        public Info2(int height, int maxLength) {
            this.height = height;
            this.maxLength = maxLength;
        }
    }

    public int maxDistance(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return 0;
        }
        return processDistance(node).maxLength;
    }

    private Info2 processDistance(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return new Info2(0, 0);
        }
        Info2 left = processDistance(node.left);
        Info2 right = processDistance(node.right);
        return new Info2(
                Math.max(left.height, right.height) + 1,
                Math.max(Math.max(left.maxLength, right.maxLength), 
                    left.height + right.height + 1)
        );
    }

    public int maxDistanceCompare(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return 0;
        }
        int max = 1;
        Map<BiNode, BiNode> node2parent = new HashMap<>();
        Stack<BiNode> stack = new Stack<>();
        stack.push(node);
        while (!stack.isEmpty()) {
            BiNode n = stack.pop();
            if (n.left != null) {
                node2parent.put(n.left, n);
                stack.push(n.left);
            }
            if (n.right != null) {
                node2parent.put(n.right, n);
                stack.push(n.right);
            }
        }
        List<BiNode> array = new ArrayList<>(node2parent.keySet());
        array.add(node);
        for (int i = 0; i < array.size() - 1; i++) {
            for (int j = i + 1; j < array.size(); j++) {
                max = Math.max(max, distance(array.get(i), array.get(j), node2parent));
            }
        }
        return max;
    }

    private int distance(BiNode node, BiNode node1, Map<BiNode, BiNode> node2parent) {
        // 生成链表,找第一个相交节点,然后就是两个链表的距离
        Set<BiNode> set = new HashSet<>();
        BiNode p1 = node, p2 = node1;
        // 先把 p1 全放进去
        while (p1 != null) {
            set.add(p1);
            p1 = node2parent.get(p1);
        }
        // 找到相交节点
        while (p2 != null) {
            if (!set.add(p2)) {
                break;
            }
            p2 = node2parent.get(p2);
        }
        // 移除相交节点以上节点
        while (p2 != null) {
            p2 = node2parent.get(p2);
            if (p2 != null) {
                set.remove(p2);
            }
        }
        return set.size();
    }

    @Test
    public void test4() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            BiNode node = Reduce.binaryTree(20, 100);
            int r1 = maxDistance(node);
            int r2 = maxDistanceCompare(node);
            if (r1 != r2) {
                System.out.println(Printer.print(node));
                System.out.println(r1);
                System.out.println(r2);
                return;
            }
        }
    }

5. 找出树中,最大的搜索二叉树节点个数


    class Info3 {
        public int nodeNum;
        public int min;
        public int max;
        public int maxBSTSubTreeNum;

        public Info3(int nodeNum, int min, int max, int maxBSTSubTreeNum) {
            this.nodeNum = nodeNum;
            this.min = min;
            this.max = max;
            this.maxBSTSubTreeNum = maxBSTSubTreeNum;
        }
    }

    public Info3 processMaxBSTNumber(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return new Info3(0, Integer.MAX_VALUE, Integer.MIN_VALUE, 0);
        }
        Info3 left = processMaxBSTNumber(node.left);
        Info3 right = processMaxBSTNumber(node.right);
        boolean leftBST = left.maxBSTSubTreeNum == left.nodeNum;
        boolean rightBST = right.maxBSTSubTreeNum == right.nodeNum;
        int maxNum = Math.max(right.maxBSTSubTreeNum, left.maxBSTSubTreeNum);
        if (leftBST && rightBST && left.max < node.value && right.min > node.value) {
            maxNum = right.nodeNum + left.nodeNum + 1;
        }
        return new Info3(
                left.nodeNum + right.nodeNum + 1,
                Math.min(Math.min(left.min, right.min), node.value),
                Math.max(Math.max(left.max, right.max), node.value),
                maxNum
        );
    }

    public int maxBSTNum(BiNode node) {
        return processMaxBSTNumber(node).maxBSTSubTreeNum;
    }

    public int maxBSTNumCompare(BiNode node) {
        if (node == null) {
            return 0;
        }
        // 对每一个节点做一个中序遍历,看是否符合搜索二叉树
        int max = 0;
        Queue<BiNode> queue = new LinkedList<>();
        queue.add(node);
        BiNode currEnd = node, nextEnd = null;
        while (!queue.isEmpty()) {
            BiNode n = queue.poll();
            if (n.left != null) {
                nextEnd = n.left;
                queue.add(n.left);
            }
            if (n.right != null) {
                nextEnd = n.right;
                queue.add(n.right);
            }
            max = Math.max(max, isSearchTreeCompare(n));
            if (n == currEnd) {
                currEnd = nextEnd;
            }
        }
        return max;
    }

    @Test
    public void test5() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            BiNode node = Reduce.binaryTree(10, 100);
            int max1 = maxBSTNum(node);
            int max2 = maxBSTNumCompare(node);
            if (max1 != max2) {
                System.out.println(Printer.print(node));
                System.out.println(max1);
                System.out.println(max2);
                return;
            }
        }
    }

二叉树递归套路

  1. 假设以×节点为头,假设可以向X左树和X右树要任何信息
  2. 在上一步的假设下,讨论以X为头节点的树,得到答案的可能性(最重要)
  3. 列出所有可能性后,确定到底需要向左树和右树要什么样的信息
  4. 把左树信息和右树信息求全集,就是任何一棵子树都需要返回的信息 S
  5. 递归函数都返回S,每一棵子树都这么要求
  6. 写代码,在代码中考虑如何把左树的信息和右树信息整合出整棵树的信息
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