七、二叉树(13):二叉树的所有路径

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给定一个二叉树,返回所有从根节点到叶子节点的路径。

说明: 叶子节点是指没有子节点的节点。

示例:

七、二叉树(13):二叉树的所有路径

一、思路

这道题目要求从根节点到叶子的路径,所以需要前序遍历,这样才方便让父节点指向孩子节点,找到对应的路径。在这道题目中将第一次涉及到回溯,因为我们要把路径记录下来,需要回溯来回退一一个路径在进入另一个路径。

前序遍历以及回溯的过程如图:

七、二叉树(13):二叉树的所有路径

 我们先使用递归的方式,来做前序遍历。要知道递归和回溯就是一家的,本题也需要回溯。

二、递归

  • 递归函数函数参数以及返回值

要传入根节点,记录每一条路径的path,和存放结果集的result,这里递归不需要返回值,代码如下:

void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& path, vector<string>& result)
  • 确定递归终止条件

再写递归的时候都习惯了这么写:

if (cur == NULL) {
    终止处理逻辑
}

但是本题的终止条件这样写会很麻烦,因为本题要找到叶子节点,就开始结束的处理逻辑了(把路径放进result里)。那么什么时候算是找到了叶子节点? 是当 cur不为空,其左右孩子都为空的时候,就找到叶子节点。

所以本题的终止条件是:

if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) {
    终止处理逻辑
}

为什么没有判断cur是否为空呢,因为下面的逻辑可以控制空节点不入循环。再来看一下终止处理的逻辑。这里使用vector 结构path来记录路径,所以要把vector 结构的path转为string格式,在把这个string 放进 result里。那么为什么使用了vector 结构来记录路径呢? 因为在下面处理单层递归逻辑的时候,要做回溯,使用vector方便来做回溯。可能有的同学问了,我看有些人的代码也没有回溯啊。其实是有回溯的,只不过隐藏在函数调用时的参数赋值里,下文我还会提到。这里我们先使用vector结构的path容器来记录路径,那么终止处理逻辑如下:

if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { // 遇到叶子节点
    string sPath;
    for (int i = 0; i < path.size() - 1; i++) { // 将path里记录的路径转为string格式
        sPath += to_string(path[i]);
        sPath += "->";
    }
    sPath += to_string(path[path.size() - 1]); // 记录最后一个节点(叶子节点)
    result.push_back(sPath); // 收集一个路径
    return;
}
  • 确定单层递归逻辑

因为是前序遍历,需要先处理中间节点,中间节点就是我们要记录路径上的节点,先放进path中。

path.push_back(cur->val); 然后是递归和回溯的过程,上面说过没有判断cur是否为空,那么在这里递归的时候,如果为空就不进行下一层递归了。所以递归前要加上判断语句,下面要递归的节点是否为空,如下

if (cur->left) {
    traversal(cur->left, path, result);
}
if (cur->right) {
    traversal(cur->right, path, result);
}

此时还没完,递归完,要做回溯啊,因为path 不能一直加入节点,它还要删节点,然后才能加入新的节点。那么回溯要怎么回溯呢,一些同学会这么写,如下:

if (cur->left) {
    traversal(cur->left, path, result);
}
if (cur->right) {
    traversal(cur->right, path, result);
}
path.pop_back();

这个回溯就要很大的问题,我们知道,回溯和递归是一一对应的,有一个递归,就要有一个回溯,这么写的话相当于把递归和回溯拆开了, 一个在花括号里,一个在花括号外。所以回溯要和递归永远在一起,世界上最遥远的距离是你在花括号里,而我在花括号外!

那么代码应该这么写:

if (cur->left) {
    traversal(cur->left, path, result);
    path.pop_back(); // 回溯
}
if (cur->right) {
    traversal(cur->right, path, result);
    path.pop_back(); // 回溯
}

那么本题整体代码如下:

class Solution {
private:

    void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& path, vector<string>& result) {
        path.push_back(cur->val);
        // 这才到了叶子节点
        if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) {
            string sPath;
            for (int i = 0; i < path.size() - 1; i++) {
                sPath += to_string(path[i]);
                sPath += "->";
            }
            sPath += to_string(path[path.size() - 1]);
            result.push_back(sPath);
            return;
        }
        if (cur->left) {
            traversal(cur->left, path, result);
            path.pop_back(); // 回溯
        }
        if (cur->right) {
            traversal(cur->right, path, result);
            path.pop_back(); // 回溯
        }
    }

public:
    vector<string> binaryTreePaths(TreeNode* root) {
        vector<string> result;
        vector<int> path;
        if (root == NULL) return result;
        traversal(root, path, result);
        return result;
    }
};

如上的C++代码充分体现了回溯。

那么如上代码可以精简成如下代码:

class Solution {
private:

    void traversal(TreeNode* cur, string path, vector<string>& result) {
        path += to_string(cur->val); // 中
        if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) {
            result.push_back(path);
            return;
        }
        if (cur->left) traversal(cur->left, path + "->", result); // 左
        if (cur->right) traversal(cur->right, path + "->", result); // 右
    }

public:
    vector<string> binaryTreePaths(TreeNode* root) {
        vector<string> result;
        string path;
        if (root == NULL) return result;
        traversal(root, path, result);
        return result;

    }
};

如上代码精简了不少,也隐藏了不少东西。注意在函数定义的时候void traversal(TreeNode* cur, string path, vector<string>& result) ,定义的是string path,每次都是复制赋值,不用使用引用,否则就无法做到回溯的效果。那么在如上代码中,貌似没有看到回溯的逻辑,其实不然,回溯就隐藏在traversal(cur->left, path + "->", result);中的 path + "->" 每次函数调用完,path依然是没有加上"->" 的,这就是回溯了。

为了把这份精简代码的回溯过程展现出来,大家可以试一试把:

if (cur->left) traversal(cur->left, path + "->", result); // 左  回溯就隐藏在这里

1改成如下代码:

path += "->";
traversal(cur->left, path, result); // 左

即:

if (cur->left) {
    path += "->";
    traversal(cur->left, path, result); // 左
}
if (cur->right) {
    path += "->";
    traversal(cur->right, path, result); // 右
}

此时就没有回溯了,这个代码就是通过不了的了。如果想把回溯加上,就要 在上面代码的基础上,加上回溯,就可以AC了。

if (cur->left) {
    path += "->";
    traversal(cur->left, path, result); // 左
    path.pop_back(); // 回溯
    path.pop_back();
}
if (cur->right) {
    path += "->";
    traversal(cur->right, path, result); // 右
    path.pop_back(); // 回溯
    path.pop_back();
}

大家应该可以感受出来,如果把 path + "->"作为函数参数就是可以的,因为并有没有改变path的数值,执行完递归函数之后,path依然是之前的数值(相当于回溯了)

综合以上,第二种递归的代码虽然精简但把很多重要的点隐藏在了代码细节里,第一种递归写法虽然代码多一些,但是把每一个逻辑处理都完整的展现了出来了。

三、迭代法

至于非递归的方式,我们可以依然可以使用前序遍历的迭代方式来模拟遍历路径的过程,对该迭代方式不了解的同学,可以看文章二叉树:听说递归能做的,栈也能做! (opens new window)二叉树:前中后序迭代方式统一写法 (opens new window)

这里除了模拟递归需要一个栈,同时还需要一个栈来存放对应的遍历路径。

C++代码如下:

class Solution {
public:
    vector<string> binaryTreePaths(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> treeSt;// 保存树的遍历节点
        stack<string> pathSt;   // 保存遍历路径的节点
        vector<string> result;  // 保存最终路径集合
        if (root == NULL) return result;
        treeSt.push(root);
        pathSt.push(to_string(root->val));
        while (!treeSt.empty()) {
            TreeNode* node = treeSt.top(); treeSt.pop(); // 取出节点 中
            string path = pathSt.top();pathSt.pop();    // 取出该节点对应的路径
            if (node->left == NULL && node->right == NULL) { // 遇到叶子节点
                result.push_back(path);
            }
            if (node->right) { // 右
                treeSt.push(node->right);
                pathSt.push(path + "->" + to_string(node->right->val));
            }
            if (node->left) { // 左
                treeSt.push(node->left);
                pathSt.push(path + "->" + to_string(node->left->val));
            }
        }
        return result;
    }
};

当然,使用java的同学,可以直接定义一个成员变量为object的栈Stack<Object> stack = new Stack<>();,这样就不用定义两个栈了,都放到一个栈里就可以了。

四、总结

本文我们开始初步涉及到了回溯,很多同学过了这道题目,可能都不知道自己其实使用了回溯,回溯和递归都是相伴相生的。

我在第一版递归代码中,把递归与回溯的细节都充分的展现了出来,大家可以自己感受一下。

第二版递归代码对于初学者其实非常不友好,代码看上去简单,但是隐藏细节于无形。

最后我依然给出了迭代法。对于本地充分了解递归与回溯的过程之后,有精力的同学可以在去实现迭代法。

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