二叉树系列1.md

# 东哥手把手带你刷二叉树（思维篇）

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读完本文，你不仅学会了算法套路，还可以顺便解决如下题目：

| LeetCode | 力扣 | 难度 |
| :----: | :----: | :----: |
| [114. Flatten Binary Tree to Linked List](https://leetcode.com/problems/flatten-binary-tree-to-linked-list/) | [114. 二叉树展开为链表](https://leetcode.cn/problems/flatten-binary-tree-to-linked-list/) | 🟠
| [116. Populating Next Right Pointers in Each Node](https://leetcode.com/problems/populating-next-right-pointers-in-each-node/) | [116. 填充每个节点的下一个右侧节点指针](https://leetcode.cn/problems/populating-next-right-pointers-in-each-node/) | 🟠
| [226. Invert Binary Tree](https://leetcode.com/problems/invert-binary-tree/) | [226. 翻转二叉树](https://leetcode.cn/problems/invert-binary-tree/) | 🟢
| - | [剑指 Offer 27. 二叉树的镜像](https://leetcode.cn/problems/er-cha-shu-de-jing-xiang-lcof/) | 🟢

**-----------**

> 本文有视频版：[二叉树/递归的框架思维（纲领篇）](https://www.bilibili.com/video/BV1nG411x77H/)

PS：[刷题插件](https://mp.weixin.qq.com/s/OE1zPVPj0V2o82N4HtLQbw) 集成了手把手刷二叉树功能，按照公式和套路讲解了 150 道二叉树题目，可手把手带你刷完二叉树分类的题目，迅速掌握递归思维。

本文承接 [东哥带你刷二叉树（纲领篇）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二叉树总结)，先复述一下前文总结的二叉树解题总纲：

> 二叉树解题的思维模式分两类：
>
> **1、是否可以通过遍历一遍二叉树得到答案**？如果可以，用一个 `traverse` 函数配合外部变量来实现，这叫「遍历」的思维模式。
>
> **2、是否可以定义一个递归函数，通过子问题（子树）的答案推导出原问题的答案**？如果可以，写出这个递归函数的定义，并充分利用这个函数的返回值，这叫「分解问题」的思维模式。
>
> 无论使用哪种思维模式，你都需要思考：
> 
> **如果单独抽出一个二叉树节点，它需要做什么事情？需要在什么时候（前/中/后序位置）做**？其他的节点不用你操心，递归函数会帮你在所有节点上执行相同的操作。

本文就以几道比较简单的题目为例，带你实践运用这几条总纲，理解「遍历」的思维和「分解问题」的思维有何区别和联系。

### 一、翻转二叉树

我们先从简单的题开始，看看力扣第 226 题「翻转二叉树」，输入一个二叉树根节点 `root`，让你把整棵树镜像翻转，比如输入的二叉树如下：

```python
     4
   /   \
  2     7
 / \   / \
1   3 6   9
```

算法原地翻转二叉树，使得以 `root` 为根的树变成：

```python
     4
   /   \
  7     2
 / \   / \
9   6 3   1
```

不难发现，只要把二叉树上的每一个节点的左右子节点进行交换，最后的结果就是完全翻转之后的二叉树。

那么现在开始在心中默念二叉树解题总纲：

**1、这题能不能用「遍历」的思维模式解决**？

可以，我写一个 `traverse` 函数遍历每个节点，让每个节点的左右子节点颠倒过来就行了。

单独抽出一个节点，需要让它做什么？让它把自己的左右子节点交换一下。

需要在什么时候做？好像前中后序位置都可以。

综上，可以写出如下解法代码：

```java
// 主函数
TreeNode invertTree(TreeNode root) {
    // 遍历二叉树，交换每个节点的子节点
    traverse(root);
    return root;
}

// 二叉树遍历函数
void traverse(TreeNode root) {
    if (root == null) {
        return;
    }

    /**** 前序位置 ****/
    // 每一个节点需要做的事就是交换它的左右子节点
    TreeNode tmp = root.left;
    root.left = root.right;
    root.right = tmp;

    // 遍历框架，去遍历左右子树的节点
    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}
```

你把前序位置的代码移到后序位置也可以，但是直接移到中序位置是不行的，需要稍作修改，这应该很容易看出来吧，我就不说了。

按理说，这道题已经解决了，不过为了对比，我们再继续思考下去。

**2、这题能不能用「分解问题」的思维模式解决**？

我们尝试给 `invertTree` 函数赋予一个定义：

```java
// 定义：将以 root 为根的这棵二叉树翻转，返回翻转后的二叉树的根节点
TreeNode invertTree(TreeNode root);
```

然后思考，对于某一个二叉树节点 `x` 执行 `invertTree(x)`，你能利用这个递归函数的定义做点啥？

我可以用 `invertTree(x.left)` 先把 `x` 的左子树翻转，再用 `invertTree(x.right)` 把 `x` 的右子树翻转，最后把 `x` 的左右子树交换，这恰好完成了以 `x` 为根的整棵二叉树的翻转，即完成了 `invertTree(x)` 的定义。

直接写出解法代码：

```java
// 定义：将以 root 为根的这棵二叉树翻转，返回翻转后的二叉树的根节点
TreeNode invertTree(TreeNode root) {
    if (root == null) {
        return null;
    }
    // 利用函数定义，先翻转左右子树
    TreeNode left = invertTree(root.left);
    TreeNode right = invertTree(root.right);

    // 然后交换左右子节点
    root.left = right;
    root.right = left;

    // 和定义逻辑自恰：以 root 为根的这棵二叉树已经被翻转，返回 root
    return root;
}
```

这种「分解问题」的思路，核心在于你要给递归函数一个合适的定义，然后用函数的定义来解释你的代码；如果你的逻辑成功自恰，那么说明你这个算法是正确的。

好了，这道题就分析到这，「遍历」和「分解问题」的思路都可以解决，看下一道题。

### 第二题、填充节点的右侧指针

这是力扣第 116 题「填充每个二叉树节点的右侧指针」，看下题目：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/title1.png)

函数签名如下：

```java
Node connect(Node root);
```

题目的意思就是把二叉树的每一层节点都用 `next` 指针连接起来：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/1.png)

而且题目说了，输入是一棵「完美二叉树」，形象地说整棵二叉树是一个正三角形，除了最右侧的节点 `next` 指针会指向 `null`，其他节点的右侧一定有相邻的节点。

这道题怎么做呢？来默念二叉树解题总纲：

**1、这题能不能用「遍历」的思维模式解决**？

很显然，一定可以。

每个节点要做的事也很简单，把自己的 `next` 指针指向右侧节点就行了。

也许你会模仿上一道题，直接写出如下代码：

```java
// 二叉树遍历函数
void traverse(Node root) {
    if (root == null || root.left == null) {
        return;
    }
    // 把左子节点的 next 指针指向右子节点
    root.left.next = root.right;

    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}
```

但是，这段代码其实有很大问题，因为它只能把相同父节点的两个节点穿起来，再看看这张图：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/1.png)

节点 5 和节点 6 不属于同一个父节点，那么按照这段代码的逻辑，它俩就没办法被穿起来，这是不符合题意的，但是问题出在哪里？

**传统的 `traverse` 函数是遍历二叉树的所有节点，但现在我们想遍历的其实是两个相邻节点之间的「空隙」**。

所以我们可以在二叉树的基础上进行抽象，你把图中的每一个方框看做一个节点：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/3.png)

**这样，一棵二叉树被抽象成了一棵三叉树，三叉树上的每个节点就是原先二叉树的两个相邻节点**。

现在，我们只要实现一个 `traverse` 函数来遍历这棵三叉树，每个「三叉树节点」需要做的事就是把自己内部的两个二叉树节点穿起来：

```java
// 主函数
Node connect(Node root) {
    if (root == null) return null;
    // 遍历「三叉树」，连接相邻节点
    traverse(root.left, root.right);
    return root;
}

// 三叉树遍历框架
void traverse(Node node1, Node node2) {
    if (node1 == null || node2 == null) {
        return;
    }
    /**** 前序位置 ****/
    // 将传入的两个节点穿起来
    node1.next = node2;
    
    // 连接相同父节点的两个子节点
    traverse(node1.left, node1.right);
    traverse(node2.left, node2.right);
    // 连接跨越父节点的两个子节点
    traverse(node1.right, node2.left);
}
```

这样，`traverse` 函数遍历整棵「三叉树」，将所有相邻节的二叉树节点都连接起来，也就避免了我们之前出现的问题，把这道题完美解决。

**2、这题能不能用「分解问题」的思维模式解决**？

嗯，好像没有什么特别好的思路，所以这道题无法使用「分解问题」的思维来解决。

### 第三题、将二叉树展开为链表

这是力扣第 114 题「将二叉树展开为链表」，看下题目：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/title2.png)

函数签名如下：

```java
void flatten(TreeNode root);
```

**1、这题能不能用「遍历」的思维模式解决**？

乍一看感觉是可以的：对整棵树进行前序遍历，一边遍历一边构造出一条「链表」就行了：

```java
// 虚拟头节点，dummy.right 就是结果
TreeNode dummy = new TreeNode(-1);
// 用来构建链表的指针
TreeNode p = dummy;

void traverse(TreeNode root) {
    if (root == null) {
        return;
    }
    // 前序位置
    p.right = new TreeNode(root.val);
    p = p.right;

    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}
```

但是注意 `flatten` 函数的签名，返回类型为 `void`，也就是说题目希望我们在原地把二叉树拉平成链表。

这样一来，没办法通过简单的二叉树遍历来解决这道题了。

**2、这题能不能用「分解问题」的思维模式解决**？

我们尝试给出 `flatten` 函数的定义：

```java
// 定义：输入节点 root，然后 root 为根的二叉树就会被拉平为一条链表
void flatten(TreeNode root);
```

有了这个函数定义，如何按题目要求把一棵树拉平成一条链表？

对于一个节点 `x`，可以执行以下流程：

1、先利用 `flatten(x.left)` 和 `flatten(x.right)` 将 `x` 的左右子树拉平。

2、将 `x` 的右子树接到左子树下方，然后将整个左子树作为右子树。

![](https://labuladong.github.io/algo/images/二叉树系列/2.jpeg)

这样，以 `x` 为根的整棵二叉树就被拉平了，恰好完成了 `flatten(x)` 的定义。

直接看代码实现：

```java
// 定义：将以 root 为根的树拉平为链表
void flatten(TreeNode root) {
    // base case
    if (root == null) return;
    
    // 利用定义，把左右子树拉平
    flatten(root.left);
    flatten(root.right);

    /**** 后序遍历位置 ****/
    // 1、左右子树已经被拉平成一条链表
    TreeNode left = root.left;
    TreeNode right = root.right;
    
    // 2、将左子树作为右子树
    root.left = null;
    root.right = left;

    // 3、将原先的右子树接到当前右子树的末端
    TreeNode p = root;
    while (p.right != null) {
        p = p.right;
    }
    p.right = right;
}
```

你看，这就是递归的魅力，你说 `flatten` 函数是怎么把左右子树拉平的？

不容易说清楚，但是只要知道 `flatten` 的定义如此并利用这个定义，让每一个节点做它该做的事情，然后 `flatten` 函数就会按照定义工作。

至此，这道题也解决了，我们前文 [k个一组翻转链表](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=k个一组反转链表) 的递归思路和本题也有一些类似。

最后，首尾呼应，再次默写二叉树解题总纲。

二叉树解题的思维模式分两类：

**1、是否可以通过遍历一遍二叉树得到答案**？如果可以，用一个 `traverse` 函数配合外部变量来实现，这叫「遍历」的思维模式。

**2、是否可以定义一个递归函数，通过子问题（子树）的答案推导出原问题的答案**？如果可以，写出这个递归函数的定义，并充分利用这个函数的返回值，这叫「分解问题」的思维模式。

无论使用哪种思维模式，你都需要思考：

**如果单独抽出一个二叉树节点，它需要做什么事情？需要在什么时候（前/中/后序位置）做**？其他的节点不用你操心，递归函数会帮你在所有节点上执行相同的操作。

希望你能仔细体会，并运用到所有二叉树题目上。

接下来可阅读：

* [手把手刷二叉树（第二期）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二叉树系列2)
* [手把手刷二叉树（第三期）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二叉树系列3)



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<summary><strong>引用本文的文章</strong></summary>

 - [东哥带你刷二叉搜索树（构造篇）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=BST3)
 - [东哥带你刷二叉搜索树（特性篇）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=BST1)
 - [东哥带你刷二叉树（构造篇）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二叉树系列2)
 - [两种思路解决单词拼接问题](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=单词拼接)
 - [二叉树的递归转迭代的代码框架](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=迭代遍历二叉树)
 - [分治算法详解：运算优先级](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=分治算法)
 - [后序遍历的妙用](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=后序遍历)
 - [归并排序详解及应用](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=归并排序)

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<summary><strong>引用本文的题目</strong></summary>

<strong>安装 [我的 Chrome 刷题插件](https://mp.weixin.qq.com/s/X-fE9sR4BLi6T9pn7xP4pg) 点开下列题目可直接查看解题思路：</strong>

| LeetCode | 力扣 |
| :----: | :----: |
| - | [剑指 Offer 26. 树的子结构](https://leetcode.cn/problems/shu-de-zi-jie-gou-lcof/?show=1) |
| - | [剑指 Offer 27. 二叉树的镜像](https://leetcode.cn/problems/er-cha-shu-de-jing-xiang-lcof/?show=1) |

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