二叉树简单OJ题（及其后续函数补充）

OJ题

单值二叉树

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首先呢，我们还是把问题分化一下，求一棵二叉树是否为单值二叉树，还是可以分为几个部分：根节点左子树右子树
而我们向下遍历的时候，其实就是在这个节点以及其左子树和右子树中找，是否值都相同，这样一来，代码写出就十分明了了

bool isUnivalTree(struct TreeNode* root) {
    if (root == NULL)
        return true;//空节点

    if (root->left && root->left->val != root->val ||
        root->right && root->right->val != root->val)
        return false;//（左右子树节点不为空且与根节点不相等）

    return isUnivalTree(root->left) && isUnivalTree(root->right);
}

现在我们就对这段代码进行分析：假如图长这个样子：

首先从1开始，1不满足上面两个条件，递归到左右子树；假设1的左子树为“2”，右子树为“3”，那么“2”也不满足上述两个if语句的条件，递归到它的左右子树；“2”的左右子树，一个为空，直接返回true，另一个在不满足两个if语句，继续向下递归时，两个子树都为空，返回true，故“2”的两个子树的返回值均为true，导致’2"返回给1的bool值也为true。而“3”的分析则是与“2”的左子树相同，左子树右子树均为空，全部返回true，导致“3”返回给1的值也为true，最终1的两个返回值都为true，导致返回到外部main函数的值也为true

相同的树

跟上述题目一样，分析二叉树的OJ题，实际上就是要把递归的返回值和情况弄清楚

两个树的节点都为空
两个树的节点一个为空，一个不为空
两个树的节点都不为空，但是不相等

bool isSameTree(struct TreeNode* p, struct TreeNode* q) {
    //都为空
    if (!p && !q)
        return true;

    //一个为空另一个不为空
    if (!p || !q)
        return false;

    if (p && q && p->val != q->val)
        return false;

    return isSameTree(p->left, q->left) && isSameTree(p->right, q->right);
}

用一个简单的例子来说明一下
在这里插入图片描述
假如有这样一个二叉树，有两棵，那么首先遍历1，不为空且相等，向下递归到2和3；2的情况与1相同，所以继续向下递归，都为空，所以来返回真，而2返回给1的值也是真；而3与2的情况相同，是一样的递归过程

二叉树的先序遍历

这道题的难点不在于先序遍历，而是在于如何把先序遍历的结果放进一个数组并返回

//首先要找到节点的个数，为创建数组做准备
int TreeSize(struct TreeNode* root) {
    return root == NULL ? 0 : TreeSize(root->left) + TreeSize(root->right) + 1;
}

//核心功能
void preorder(struct TreeNode* root, int* a, int* pi) {
    if (root == NULL)
        return;

    a[(*pi)++] = root->val; //把值放进数组里
    preorder(root->left, a, pi);
    preorder(root->right, a, pi);
}

int* preorderTraversal(struct TreeNode* root, int* returnSize) {
    int n = TreeSize(root); //先算出节点个数
    int* a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
    *returnSize = n; //因为它不知道这个数组有多大，要返回给系统看

    int i = 0;
    preorder(root, a, &i);
    return a;
}

有同学肯定会疑惑为什么实现核心功能的函数要传递一个int*pi，其实这是有原因的，如果我们传入的是int pi，那么在出现一个节点有两个子树的时候，由于pi只是一个形参，所以在左子树使用了之后，右子树使用pi的时候，实际上pi并没有++，导致左子树和右子树遍历时所赋的值实际上都在一个地址上，从而出现错误。而用指针作为参数，就可以改变实参，从而不会出现这种状况

我们还有另外一种方法，那就是使用全局变量，但是其存在多线程问题，如果同时使用，即使在使用函数前置过0，也可能出现线程安全问题，所以不建议使用。

对称二叉树

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其实这个就比较像两个相等二叉树的翻版，只不过，它是左子树的左节点跟右子树右节点相等，而左子树的右节点跟右子树的左节点相等

bool _isSymmetric(struct TreeNode* root1, struct TreeNode* root2) {
    if (root1 == NULL && root2 == NULL)
        return true;//两边都是空，就是相等的

    if (!root1 || !root2)
        return false;//有一个是空的，肯定不相等

    if (root1->val != root2->val)
        return false;//不为空但值不相等，也不可以

    return _isSymmetric(root1->left, root2->right) &&
           _isSymmetric(root1->right, root2->left);//其实就是上述写的原理
}

bool isSymmetric(struct TreeNode* root) { 
    return _isSymmetric(root->left, root->right); //根节点不用比，从根节点的左子树和右子树开始比
    }

另一棵树的子树

在这里插入图片描述

我们首先需要弄清题目的意思，其实就是在一个较大的二叉树中找到较小二叉树的部分，在没找到相同的部分之前，都是向下遍历，而找到之后，就开始比较这个整体是否相同，如果相同，就返回true，不然就继续向下遍历。
先给大家看一段错误代码

bool isSubTree(struct TreeNode* root,struct TreeNode* subRoot){
	if(root==NULL)
		return false;
	
	if(root->val==subRoot->val)
		return isSameTree(root->subRoot);
	
	return isSubTree(root->left,subRoot)
		||isSubTree(root->right,subRoot);
}

这段代码乍一看上去逻辑也没问题，但是给一个例子给大家看就懂了
在这里插入图片描述
假设subRoot是4 1 2，那么首先从根节点3开始遍历，不满足条件，所以向下递归；左子树是4，满足条件，进入isSameTree函数：4的左子树4与1不相等，所以返回false，于是isSubTree(root->left,subRoot)返回的是false，而右子树5不满足条件，向下递归，左右子树都为空，返回false，导致5返回给3的结果也是false，两个false，导致最后isSubTree函数返回的就是false，显示的结果是没找到，但其实4 1 2就在下面，但是它在找到一个根节点一样的之后，只要后面不是，就会直接返回false，这样子就只能比较一个子树，而即使后面有也不会继续遍历，是错误的。
正确的应当是这样的：

bool isSubtree(struct TreeNode* root, struct TreeNode* subRoot) {
    if (root == NULL)
        return false;

    if (root->val == subRoot->val) {
        if (isSameTree(root, subRoot))
            return true;
    }

    return isSubtree(root->left, subRoot) || isSubtree(root->right, subRoot);
}

这样子的话，当两个节点的值相等，它们会向下递归，看是否完全相同，如果不是完全相同，也不会返回false，而是继续向下遍历，就不会出现上述错误。

除了这个方式，还有一个更简洁的代码：

bool isSubtree(struct TreeNode* root, struct TreeNode* subRoot) {
    if (root == NULL)
        return false;

    return isSameTree(root, subRoot) || isSubtree(root->left, subRoot) ||
           isSubtree(root->right, subRoot);
}

一开始看可能会有点懵，但是其实就是要记住||符号的意义。首先诊断是否为空这个还是不变，然后如果值相等，isSameTree就来判断其是否左子树右子树也相等，如果为真就不用往下面继续遍历；如果值不相等，就会向左子树和右子树遍历，左子树找到了，就不用看右子树，左子树没找到就继续看右子树，其实逻辑理顺了之后还是比较清晰的。

函数补充

通过前序遍历的数组构建二叉树

首先我们给一个例子，“ABD##E#H##CF##G##”，它构建出来的二叉树是这个样子的

我们讲解一下原理，首先直接的符号意思就是构建一个二叉树节点，而#意思就是这个节点没有，所以ABD的意思就是由A为根节点延伸出一条左子树，而后面的##则是指D没有左右子树，于是回到D，E表示其为D的右子树，而#H则表示E没有左子树，但是有右子树H。##表示H没有左右子树，返回到A，CF表示A的右子树为C，C的左子树为F，##G##表示F没有左右子树，C的右子树为G，且G没有左右子树，再次回到A，递归结束。

代码如下：

TreeNode* TreeCreate(char* a, int* pi)//a是给定数组，pi的意思是为了防止传入的是形参，在后续的递归中会导致当一个节点有两棵子树在同一层次时，pi值因为无法改变而相同，造成下标错误
{
	if (a[*pi] == '#')
	{
		(*pi)++;
		return NULL;
	}

	TreeNode* root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
	if (root == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	root->data = a[(*pi)++];//数组值传入节点，下标++

	root->left_child = TreeCreate(a, pi);
	root->right_child = TreeCreate(a, pi);//两次递归，每次递归*pi值是不同的
	return root;//返回根节点
}

二叉树的销毁

这个比较简单，直接上代码，不过过程需要解释一下为什么使用后序遍历而不是前序或者中序

void DestroyTree(TreeNode* root)
{
	if (root == NULL)
		return;//为空就不需要销毁

	DestroyTree(root->left_child);
	DestroyTree(root->right_child);
	free(root);
}

在这里插入图片描述
以这个图为例，从根节点A开始遍历，递归到B和C两棵子树，B递归到D和E两棵子树，D和E的两棵子树都为空，直接返回到D和E节点，于是D和E被free掉，之后返回到B，B也被free掉，然后右子树跟左子树是相同的，也是FGC顺序被free掉，最后freeA

在二叉树中，节点之间存在父子关系。如果先销毁父节点，那么子节点的销毁可能会受到影响，因为子节点可能还依赖于父节点。而后序遍历的顺序是先遍历子节点，再遍历父节点，这样就可以确保在销毁父节点之前，其子节点已经被销毁。

层次遍历

还是先给大家展开一张图：
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大家都知道，层次遍历就是每个层级从左到右遍历的过程，比如这里层次遍历的结果就是1 24 356，那么要怎样才能做到按照每个层级每个层级的顺序输出来呢，这就要用到我们之前学过的队列啦，我们可以在让根节点进入之后，输出根节点之后Pop根节点，然后再让根节点的左右子树分别Push进去，这样子，我们就可以写出一个初具规模的层次遍历函数：

void LevelOrder(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);//创建队列
	if (root)
		QueuePush(&q, root);//根节点不为空，节点进入

	while (!QueueEmpty(&q))//循环判断条件，队列不为空
	{
			TreeNode* front = QueueFront(&q);//front记录队头元素
			QueuePop(&q);//队头元素出队

			printf("%d ", front->data);//打印队头元素的值

			if (front->left_child)
				QueuePush(&q, front->left_child);//有左子树，左子树push进去

			if (front->right_child)
				QueuePush(&q, front->right_child);//同理
		}
		printf("\n");
	QueueDestroy(&q);//最后销毁队列
}

按照上述代码的逻辑，遍历过程如下：

将根节点1加入队列。
打印节点1的值。
将节点2和节点4加入队列（因为它们是节点1的子节点）。
打印节点2的值。
将节点3加入队列（因为它是节点2的左子节点）。
打印节点4的值。
将节点5加入队列（因为它是节点4的左子节点）。
将节点6加入队列（因为它是节点4的右子节点）。
当队列为空时，遍历结束。

当一个层次的节点被出完后，队头就变成了下一层次的最左边的节点的地址，这也是一个重点，就是我们传输的不是节点，而是节点的地址，否则我们无法通过节点找到它的子节点并继续向下遍历

当然，这只是实现了最基础的功能，我们还并没有完全实现其按照层次划分并输出的功能，这时候就引出下面的一步：利用变量levelSize和QueueSize，得以划分层次，并且每层节点个数也并未出错

void LevelOrder(TreeNode* root)
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;//初始根节点就1个
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		// 一层一层出
		while (levelSize--)//n--循环n次
		{
			TreeNode* front = QueueFront(&q);
			QueuePop(&q);

			printf("%d ", front->data);

			if (front->left_child)
				QueuePush(&q, front->left_child);

			if (front->right_child)
				QueuePush(&q, front->right_child);
		}
		printf("\n");

		levelSize = QueueSize(&q);//比如1的左右节点进去，队列中元素个数2个，故下一次levelSize=2，这样子的
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);
}

是否为完全二叉树

大概原理是这样子的，其实就是从层次遍历修改而来。首先我们还是先把根节点push进去，然后开始遍历。但当遍历到空时，这个时候就跳出第一个循环，并看后续是否有非空节点，如果有，那就返回false，如果没有，那就最终返回true

//判断是否为完全二叉树
bool TreeComplete(TreeNode* root) {
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	if (root)
		QueuePush(&q, root);

	int levelSize = 1;
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front == NULL)
			break;

		QueuePush(&q, front->left_child);
		QueuePush(&q, front->right_child);
	}

	// 前面遇到空以后，后面还有非空就不是完全二叉树
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		TreeNode* front = QueueFront(&q);
		QueuePop(&q);

		if (front)
		{
			QueueDestroy(&q);
			return false;
		}
	}

	QueueDestroy(&q);
	return true;
}