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12.3   构建二叉树问题

Question

给定一棵二叉树的前序遍历 preorder 和中序遍历 inorder ,请从中构建二叉树,返回二叉树的根节点。假设二叉树中没有值重复的节点(如图 12-5 所示)。

构建二叉树的示例数据

图 12-5   构建二叉树的示例数据

1.   判断是否为分治问题

原问题定义为从 preorderinorder 构建二叉树,是一个典型的分治问题。

  • 问题可以分解:从分治的角度切入,我们可以将原问题划分为两个子问题:构建左子树、构建右子树,加上一步操作:初始化根节点。而对于每棵子树(子问题),我们仍然可以复用以上划分方法,将其划分为更小的子树(子问题),直至达到最小子问题(空子树)时终止。
  • 子问题是独立的:左子树和右子树是相互独立的,它们之间没有交集。在构建左子树时,我们只需关注中序遍历和前序遍历中与左子树对应的部分。右子树同理。
  • 子问题的解可以合并:一旦得到了左子树和右子树(子问题的解),我们就可以将它们链接到根节点上,得到原问题的解。

2.   如何划分子树

根据以上分析,这道题可以使用分治来求解,但如何通过前序遍历 preorder 和中序遍历 inorder 来划分左子树和右子树呢

根据定义,preorderinorder 都可以划分为三个部分。

  • 前序遍历:[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ] ,例如图 12-5 的树对应 [ 3 | 9 | 2 1 7 ]
  • 中序遍历:[ 左子树 | 根节点 | 右子树 ] ,例如图 12-5 的树对应 [ 9 | 3 | 1 2 7 ]

以上图数据为例,我们可以通过图 12-6 所示的步骤得到划分结果。

  1. 前序遍历的首元素 3 是根节点的值。
  2. 查找根节点 3 在 inorder 中的索引,利用该索引可将 inorder 划分为 [ 9 | 3 | 1 2 7 ]
  3. 根据 inorder 的划分结果,易得左子树和右子树的节点数量分别为 1 和 3 ,从而可将 preorder 划分为 [ 3 | 9 | 2 1 7 ]

在前序遍历和中序遍历中划分子树

图 12-6   在前序遍历和中序遍历中划分子树

3.   基于变量描述子树区间

根据以上划分方法,我们已经得到根节点、左子树、右子树在 preorderinorder 中的索引区间。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量。

  • 将当前树的根节点在 preorder 中的索引记为 \(i\)
  • 将当前树的根节点在 inorder 中的索引记为 \(m\)
  • 将当前树在 inorder 中的索引区间记为 \([l, r]\)

如表 12-1 所示,通过以上变量即可表示根节点在 preorder 中的索引,以及子树在 inorder 中的索引区间。

表 12-1   根节点和子树在前序遍历和中序遍历中的索引

根节点在 preorder 中的索引 子树在 inorder 中的索引区间
当前树 \(i\) \([l, r]\)
左子树 \(i + 1\) \([l, m-1]\)
右子树 \(i + 1 + (m - l)\) \([m+1, r]\)

请注意,右子树根节点索引中的 \((m-l)\) 的含义是“左子树的节点数量”,建议结合图 12-7 理解。

根节点和左右子树的索引区间表示

图 12-7   根节点和左右子树的索引区间表示

4.   代码实现

为了提升查询 \(m\) 的效率,我们借助一个哈希表 hmap 来存储数组 inorder 中元素到索引的映射:

build_tree.py
def dfs(
    preorder: list[int],
    inorder_map: dict[int, int],
    i: int,
    l: int,
    r: int,
) -> TreeNode | None:
    """构建二叉树:分治"""
    # 子树区间为空时终止
    if r - l < 0:
        return None
    # 初始化根节点
    root = TreeNode(preorder[i])
    # 查询 m ,从而划分左右子树
    m = inorder_map[preorder[i]]
    # 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder, inorder_map, i + 1, l, m - 1)
    # 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder, inorder_map, i + 1 + m - l, m + 1, r)
    # 返回根节点
    return root

def build_tree(preorder: list[int], inorder: list[int]) -> TreeNode | None:
    """构建二叉树"""
    # 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    inorder_map = {val: i for i, val in enumerate(inorder)}
    root = dfs(preorder, inorder_map, 0, 0, len(inorder) - 1)
    return root
build_tree.cpp
/* 构建二叉树:分治 */
TreeNode *dfs(vector<int> &preorder, unordered_map<int, int> &inorderMap, int i, int l, int r) {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0)
        return NULL;
    // 初始化根节点
    TreeNode *root = new TreeNode(preorder[i]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    int m = inorderMap[preorder[i]];
    // 子问题:构建左子树
    root->left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root->right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
TreeNode *buildTree(vector<int> &preorder, vector<int> &inorder) {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    unordered_map<int, int> inorderMap;
    for (int i = 0; i < inorder.size(); i++) {
        inorderMap[inorder[i]] = i;
    }
    TreeNode *root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.size() - 1);
    return root;
}
build_tree.java
/* 构建二叉树:分治 */
TreeNode dfs(int[] preorder, Map<Integer, Integer> inorderMap, int i, int l, int r) {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0)
        return null;
    // 初始化根节点
    TreeNode root = new TreeNode(preorder[i]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    int m = inorderMap.get(preorder[i]);
    // 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
TreeNode buildTree(int[] preorder, int[] inorder) {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    Map<Integer, Integer> inorderMap = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < inorder.length; i++) {
        inorderMap.put(inorder[i], i);
    }
    TreeNode root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.length - 1);
    return root;
}
build_tree.cs
/* 构建二叉树:分治 */
TreeNode? DFS(int[] preorder, Dictionary<int, int> inorderMap, int i, int l, int r) {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0)
        return null;
    // 初始化根节点
    TreeNode root = new(preorder[i]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    int m = inorderMap[preorder[i]];
    // 子问题:构建左子树
    root.left = DFS(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root.right = DFS(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
TreeNode? BuildTree(int[] preorder, int[] inorder) {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    Dictionary<int, int> inorderMap = [];
    for (int i = 0; i < inorder.Length; i++) {
        inorderMap.TryAdd(inorder[i], i);
    }
    TreeNode? root = DFS(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.Length - 1);
    return root;
}
build_tree.go
/* 构建二叉树:分治 */
func dfsBuildTree(preorder []int, inorderMap map[int]int, i, l, r int) *TreeNode {
    // 子树区间为空时终止
    if r-l < 0 {
        return nil
    }
    // 初始化根节点
    root := NewTreeNode(preorder[i])
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    m := inorderMap[preorder[i]]
    // 子问题:构建左子树
    root.Left = dfsBuildTree(preorder, inorderMap, i+1, l, m-1)
    // 子问题:构建右子树
    root.Right = dfsBuildTree(preorder, inorderMap, i+1+m-l, m+1, r)
    // 返回根节点
    return root
}

/* 构建二叉树 */
func buildTree(preorder, inorder []int) *TreeNode {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    inorderMap := make(map[int]int, len(inorder))
    for i := 0; i < len(inorder); i++ {
        inorderMap[inorder[i]] = i
    }

    root := dfsBuildTree(preorder, inorderMap, 0, 0, len(inorder)-1)
    return root
}
build_tree.swift
/* 构建二叉树:分治 */
func dfs(preorder: [Int], inorderMap: [Int: Int], i: Int, l: Int, r: Int) -> TreeNode? {
    // 子树区间为空时终止
    if r - l < 0 {
        return nil
    }
    // 初始化根节点
    let root = TreeNode(x: preorder[i])
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    let m = inorderMap[preorder[i]]!
    // 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder: preorder, inorderMap: inorderMap, i: i + 1, l: l, r: m - 1)
    // 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder: preorder, inorderMap: inorderMap, i: i + 1 + m - l, l: m + 1, r: r)
    // 返回根节点
    return root
}

/* 构建二叉树 */
func buildTree(preorder: [Int], inorder: [Int]) -> TreeNode? {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    let inorderMap = inorder.enumerated().reduce(into: [:]) { $0[$1.element] = $1.offset }
    return dfs(preorder: preorder, inorderMap: inorderMap, i: inorder.startIndex, l: inorder.startIndex, r: inorder.endIndex - 1)
}
build_tree.js
/* 构建二叉树:分治 */
function dfs(preorder, inorderMap, i, l, r) {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0) return null;
    // 初始化根节点
    const root = new TreeNode(preorder[i]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    const m = inorderMap.get(preorder[i]);
    // 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
function buildTree(preorder, inorder) {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    let inorderMap = new Map();
    for (let i = 0; i < inorder.length; i++) {
        inorderMap.set(inorder[i], i);
    }
    const root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.length - 1);
    return root;
}
build_tree.ts
/* 构建二叉树:分治 */
function dfs(
    preorder: number[],
    inorderMap: Map<number, number>,
    i: number,
    l: number,
    r: number
): TreeNode | null {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0) return null;
    // 初始化根节点
    const root: TreeNode = new TreeNode(preorder[i]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    const m = inorderMap.get(preorder[i]);
    // 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
function buildTree(preorder: number[], inorder: number[]): TreeNode | null {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    let inorderMap = new Map<number, number>();
    for (let i = 0; i < inorder.length; i++) {
        inorderMap.set(inorder[i], i);
    }
    const root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.length - 1);
    return root;
}
build_tree.dart
/* 构建二叉树:分治 */
TreeNode? dfs(
  List<int> preorder,
  Map<int, int> inorderMap,
  int i,
  int l,
  int r,
) {
  // 子树区间为空时终止
  if (r - l < 0) {
    return null;
  }
  // 初始化根节点
  TreeNode? root = TreeNode(preorder[i]);
  // 查询 m ,从而划分左右子树
  int m = inorderMap[preorder[i]]!;
  // 子问题:构建左子树
  root.left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1);
  // 子问题:构建右子树
  root.right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r);
  // 返回根节点
  return root;
}

/* 构建二叉树 */
TreeNode? buildTree(List<int> preorder, List<int> inorder) {
  // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
  Map<int, int> inorderMap = {};
  for (int i = 0; i < inorder.length; i++) {
    inorderMap[inorder[i]] = i;
  }
  TreeNode? root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.length - 1);
  return root;
}
build_tree.rs
/* 构建二叉树:分治 */
fn dfs(
    preorder: &[i32],
    inorder_map: &HashMap<i32, i32>,
    i: i32,
    l: i32,
    r: i32,
) -> Option<Rc<RefCell<TreeNode>>> {
    // 子树区间为空时终止
    if r - l < 0 {
        return None;
    }
    // 初始化根节点
    let root = TreeNode::new(preorder[i as usize]);
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    let m = inorder_map.get(&preorder[i as usize]).unwrap();
    // 子问题:构建左子树
    root.borrow_mut().left = dfs(preorder, inorder_map, i + 1, l, m - 1);
    // 子问题:构建右子树
    root.borrow_mut().right = dfs(preorder, inorder_map, i + 1 + m - l, m + 1, r);
    // 返回根节点
    Some(root)
}

/* 构建二叉树 */
fn build_tree(preorder: &[i32], inorder: &[i32]) -> Option<Rc<RefCell<TreeNode>>> {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    let mut inorder_map: HashMap<i32, i32> = HashMap::new();
    for i in 0..inorder.len() {
        inorder_map.insert(inorder[i], i as i32);
    }
    let root = dfs(preorder, &inorder_map, 0, 0, inorder.len() as i32 - 1);
    root
}
build_tree.c
/* 构建二叉树:分治 */
TreeNode *dfs(int *preorder, int *inorderMap, int i, int l, int r, int size) {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0)
        return NULL;
    // 初始化根节点
    TreeNode *root = (TreeNode *)malloc(sizeof(TreeNode));
    root->val = preorder[i];
    root->left = NULL;
    root->right = NULL;
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    int m = inorderMap[preorder[i]];
    // 子问题:构建左子树
    root->left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1, size);
    // 子问题:构建右子树
    root->right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r, size);
    // 返回根节点
    return root;
}

/* 构建二叉树 */
TreeNode *buildTree(int *preorder, int preorderSize, int *inorder, int inorderSize) {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    int *inorderMap = (int *)malloc(sizeof(int) * MAX_SIZE);
    for (int i = 0; i < inorderSize; i++) {
        inorderMap[inorder[i]] = i;
    }
    TreeNode *root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorderSize - 1, inorderSize);
    free(inorderMap);
    return root;
}
build_tree.kt
/* 构建二叉树:分治 */
fun dfs(
    preorder: IntArray,
    inorderMap: Map<Int?, Int?>,
    i: Int,
    l: Int,
    r: Int
): TreeNode? {
    // 子树区间为空时终止
    if (r - l < 0) return null
    // 初始化根节点
    val root = TreeNode(preorder[i])
    // 查询 m ,从而划分左右子树
    val m = inorderMap[preorder[i]]!!
    // 子问题:构建左子树
    root.left = dfs(preorder, inorderMap, i + 1, l, m - 1)
    // 子问题:构建右子树
    root.right = dfs(preorder, inorderMap, i + 1 + m - l, m + 1, r)
    // 返回根节点
    return root
}

/* 构建二叉树 */
fun buildTree(preorder: IntArray, inorder: IntArray): TreeNode? {
    // 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
    val inorderMap = HashMap<Int?, Int?>()
    for (i in inorder.indices) {
        inorderMap[inorder[i]] = i
    }
    val root = dfs(preorder, inorderMap, 0, 0, inorder.size - 1)
    return root
}
build_tree.rb
### 构建二叉树:分治 ###
def dfs(preorder, inorder_map, i, l, r)
  # 子树区间为空时终止
  return if r - l < 0

  # 初始化根节点
  root = TreeNode.new(preorder[i])
  # 查询 m ,从而划分左右子树
  m = inorder_map[preorder[i]]
  # 子问题:构建左子树
  root.left = dfs(preorder, inorder_map, i + 1, l, m - 1)
  # 子问题:构建右子树
  root.right = dfs(preorder, inorder_map, i + 1 + m - l, m + 1, r)

  # 返回根节点
  root
end

### 构建二叉树 ###
def build_tree(preorder, inorder)
  # 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射
  inorder_map = {}
  inorder.each_with_index { |val, i| inorder_map[val] = i }
  dfs(preorder, inorder_map, 0, 0, inorder.length - 1)
end
build_tree.zig
[class]{}-[func]{dfs}

[class]{}-[func]{buildTree}
可视化运行

图 12-8 展示了构建二叉树的递归过程,各个节点是在向下“递”的过程中建立的,而各条边(引用)是在向上“归”的过程中建立的。

构建二叉树的递归过程

built_tree_step2

built_tree_step3

built_tree_step4

built_tree_step5

built_tree_step6

built_tree_step7

built_tree_step8

built_tree_step9

图 12-8   构建二叉树的递归过程

每个递归函数内的前序遍历 preorder 和中序遍历 inorder 的划分结果如图 12-9 所示。

每个递归函数中的划分结果

图 12-9   每个递归函数中的划分结果

设树的节点数量为 \(n\) ,初始化每一个节点(执行一个递归函数 dfs() )使用 \(O(1)\) 时间。因此总体时间复杂度为 \(O(n)\)

哈希表存储 inorder 元素到索引的映射,空间复杂度为 \(O(n)\) 。在最差情况下,即二叉树退化为链表时,递归深度达到 \(n\) ,使用 \(O(n)\) 的栈帧空间。因此总体空间复杂度为 \(O(n)\)

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