庖丁解牛-二叉树的遍历

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〇、前言

01 文章内容

一般提到二叉树的遍历，我们是在说
- 前序遍历、中序遍历、后序遍历和层序遍历
或者说三序遍历+层序遍历，毕竟三序和层序的遍历逻辑相差比较大
下面讨论三序遍历的递归方法、非递归方法和非递归迭代的统一方法
然后再讨论一下层序的一般迭代方法（通过队列）

02 力扣网址

144. 二叉树的前序遍历 - 力扣（LeetCode）
94. 二叉树的中序遍历 - 力扣（LeetCode）
145. 二叉树的后序遍历 - 力扣（LeetCode）

一、前序遍历

01 递归实现

递归的基本逻辑是比较简单的，但是注意根据题目的需求不同，实现方式是存在差异的
如果题目要求主函数返回一个结果列表，那么就要构造一个辅助函数来帮助实现
如果题目只要求函数打印前序遍历的序列，那么一个函数就足够了

(1) 返回列表版本1

返回列表版本：辅助函数携带结果列表

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new ArrayList<>();
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;

}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root,List<Integer> result){
    if(root == null) return;
    result.add(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

(2) 返回列表版本2

返回列表版本：设置全局变量

List<Integer> result = new ArrayList<>();
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;
}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    result.add(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

(3) 纯真打印版本

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;
}
void preorderTraversal(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    System.out.print(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

(4) 面向对象版本

class Solution {
    class TraverBox{
        List<Integer> list;
        TraverBox(){
            list = new ArrayList<>();
        }
        void preorderTraversalHelper(TreeNode root) {
            list.add(root.val);
        }
        void preTraverHelper(TreeNode root) {
            if(root == null) return;
            list.add(root.val);
            preTraverHelper(root.left);
            preTraverHelper(root.right);
        }
        List<Integer> preTraver(TreeNode root) {
            preTraverHelper(root);
            return list;
        }
    }

    public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
        TraverBox tox = new TraverBox();
        tox.preTraver(root);
        return tox.list;
    }
}

02 非递归实现

(1) 一般迭代法

(2) 统一迭代法

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new LinkedList<>();
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    TreeNode subRoot = new TreeNode();

    if (root != null) stack.push(root); //将根结点入栈
    while(!stack.isEmpty()){
        subRoot = stack.pop(); //弹出获取栈顶结点
        if(subRoot != null){
            //===右===
            if(subRoot.right != null){
                // 添加右结点（空结点不入栈）
                stack.push(subRoot.right);
            }
            //===左===
            if(subRoot.left != null){
                // 添加左节点（空结点不入栈）
                stack.push(subRoot.left);
            }
            //===中===
            stack.push(subRoot); // 添加中结点
            stack.push(null); // 中结点访问过，但是还没有处理，加入空结点做为标记。
        }else{ // 只有遇到空结点的时候，才将下一个结点放进结果集
            result.add(stack.pop().val); //重新取出栈中元素，加入到结果集
        }
    }
    return result;
}

二、中序遍历

01 递归实现

(1) 返回列表版本1

返回列表版本：辅助函数携带结果列表

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new ArrayList<>();
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;

}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root,List<Integer> result){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    result.add(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

(2) 返回列表版本2

返回列表版本：设置全局变量

List<Integer> result = new ArrayList<>();
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;
}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    result.add(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

(3) 纯真打印版本

void preorderTraversal(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    System.out.print(root.val);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    return;
}

02 非递归实现

(1) 一般迭代法

void inOrderNonRecur(){
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    TreeNode subRoot = root;
    if (subRoot != null) {
        while (!stack.isEmpty() || subRoot != null) {
            if (subRoot != null) {
                stack.push(subRoot);
                subRoot = subRoot.left;
            } else {
                subRoot = stack.pop();
                System.out.print("【"+subRoot.val+"】");
                subRoot = subRoot.right;
            }
        }
    }
}

(2) 统一迭代法

带注释版本

public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new LinkedList<>();
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    TreeNode subRoot = new TreeNode();

    if (root != null) stack.push(root);
    while (!stack.isEmpty()) {
        subRoot = stack.pop(); // 将该节点弹出，避免重复操作，下面再将右中左节点添加到栈中
        if (subRoot != null) {
            //===右===
            if(subRoot.right != null){
                // 添加右节点（空节点不入栈）
                stack.push(subRoot.right);
            }
            //===中===
            stack.push(subRoot); // 添加中节点
            stack.push(null); // 中节点访问过，但是还没有处理，加入空节点做为标记。
            //===左===
            if(subRoot.left != null){
                // 添加左节点（空节点不入栈）
                stack.push(subRoot.left);
            }
        } else { // 只有遇到空节点的时候，才将下一个节点放进结果集
            result.add(stack.pop().val); // 加入到结果集
        }
    }
    return result;
}

无注释版本

public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new LinkedList<>();
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    TreeNode subRoot = new TreeNode();

    if (root != null) stack.push(root);
    while (!stack.isEmpty()) {
        subRoot = stack.pop();
        if (subRoot != null) {
            if(subRoot.right != null) stack.push(subRoot.right);
            stack.push(subRoot);
            stack.push(null);
            if(subRoot.left != null) stack.push(subRoot.left);
        } else {
            result.add(stack.pop().val);
        }
    }
    return result;
}

三、后序遍历

01 递归实现

(1) 返回列表版本1

返回列表版本：辅助函数携带结果列表

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new ArrayList<>();
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;

}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root,List<Integer> result){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    result.add(root.val);
    return;
}

(2) 返回列表版本2

返回列表版本：设置全局变量

List<Integer> result = new ArrayList<>();
public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    inorderTraversalHelper(root,result);
    return result;
}
void preorderTraversalHelper(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    result.add(root.val);
    return;
}

(3) 纯真打印版本

void preorderTraversal(TreeNode root){
    if(root == null) return;
    inorderTraversalHelper(root.left,result);
    inorderTraversalHelper(root.right,result);
    System.out.print(root.val);
    return;
}

02 非递归实现

(1) 一般迭代法

public List<Integer> postorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new ArrayList<>();
    if (root != null) {
        Stack<TreeNode> stack = new Stack<TreeNode>();
        stack.push(root);
        TreeNode subRoot = null;
        while (!stack.isEmpty()) {
            subRoot = stack.peek();
            if (subRoot.left != null && root != subRoot.left && root != subRoot.right) {
                stack.push(subRoot.left);
            } else if (subRoot.right != null && root != subRoot.right) {
                stack.push(subRoot.right);
            } else {
                result.add(stack.pop().val);
                root = subRoot;
            }
        }
    }
    return result;
}

(2) 双栈迭代法

public List<Integer> postOrderNonRecurByTwoStack(){
    List<Integer> result = new ArrayList<>();
    TreeNode subRoot = root;
    if (subRoot != null) {
        Stack<TreeNode> s1 = new Stack<TreeNode>();
        Stack<TreeNode> s2 = new Stack<TreeNode>();
        s1.push(subRoot);
        while (!s1.isEmpty()) {
            subRoot = s1.pop();
            s2.push(subRoot);
            if (subRoot.left != null) {
                s1.push(subRoot.left);
            }
            if (subRoot.right != null) {
                s1.push(subRoot.right);
            }
        }
        while (!s2.isEmpty()) {
            result.add(s2.pop().val);
        }
    }
}

(3) 统一迭代法

public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {
    List<Integer> result = new LinkedList<>();
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();
    TreeNode subRoot = new TreeNode();

    if (root != null) stack.push(root); //将根结点入栈
    while(!stack.isEmpty()){
        subRoot = stack.pop(); //弹出获取栈顶结点
        if(subRoot != null){
            //===中===
            stack.push(subRoot); // 添加中结点
            stack.push(null); // 中结点访问过，但是还没有处理，加入空结点做为标记。
            //===右===
            if(subRoot.right != null){
                // 添加右结点（空结点不入栈）
                stack.push(subRoot.right);
            }
            //===左===
            if(subRoot.left != null){
                // 添加左节点（空结点不入栈）
                stack.push(subRoot.left);
            }
        }else{ // 只有遇到空结点的时候，才将下一个结点放进结果集
            result.add(stack.pop().val); //重新取出栈中元素，加入到结果集
        }
    }
    return result;
}

四、层序遍历

01 不分层输出

class Solution {
    public int[] levelOrder(TreeNode root) {
        //if(root == null) return new int[]{};
        ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<TreeNode>();
        TreeNode subRoot = new TreeNode();
        
        if(root != null) queue.offer(root);
        while(!queue.isEmpty()){
            subRoot = queue.poll();
            result.add(subRoot.val);
            if(subRoot.left != null) queue.add(subRoot.left);
            if(subRoot.right != null) queue.add(subRoot.right);
        }
        
        int[] dest = new int[result.size()];
        for(int i = 0 ; i < result.size() ; i++){
            dest[i] = result.get(i);
        }
        return dest;
    }
}

02 分层输出

public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
    List<List<Integer>> ret = new ArrayList<List<Integer>>();
    if (root == null) {
        return ret;
    }

    Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<TreeNode>();
    queue.offer(root);
    while (!queue.isEmpty()) {
        List<Integer> level = new ArrayList<Integer>();
        int currentLevelSize = queue.size();
        for (int i = 1; i <= currentLevelSize; ++i) {
            TreeNode node = queue.poll();
            level.add(node.val);
            if (node.left != null) {
                queue.offer(node.left);
            }
            if (node.right != null) {
                queue.offer(node.right);
            }
        }
        ret.add(level);
    }

    return ret;
}