重建二叉树 递归实现

题目描述

输入某二叉树的前序遍历和中序遍历的结果,请重建出该二叉树。假设输入的前序遍历和中序遍历的结果中都不含重复的数字。例如输入前序遍历序列{1,2,4,7,3,5,6,8}和中序遍历序列{4,7,2,1,5,3,8,6},则重建二叉树并返回。

思路

根据先序(后续)遍历序列确定根节点,例如先序遍历,序列的第一个节点为根节点,这是先序遍历的特点,然后在中序遍历序列中找该节点,该节点前后将序列划分为三个部分,左子树、根节点和右子树,这也是中序遍历序列的特点。记得要重建一个二叉树一定要有中序遍历序列+先序(后序)遍历序列才能重建。

代码(递归实现)

/**
 * Definition for binary tree
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(NULL), right(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    TreeNode* reConstructBinaryTree(vector<int> pre,vector<int> vin) {
        if(pre.size() == 0)
            return NULL;//无节点返回NULL
        int rootValue = pre[0];
        TreeNode* newRoot = new TreeNode(rootValue);
        newRoot->left = newRoot->right = NULL;
        if(pre.size() == 1) {
            return newRoot;
        }//单节点返回
        vector<int> preL, preR, vinL, vinR;
        for (int i = 0 ; i < (int)vin.size() ; i++) {
            if (vin[i] == rootValue) {
                for (int j = i+1 ; j < (int)vin.size(); j++) {
                    vinR.push_back(vin[j]);
                    preR.push_back(pre[j]);
                }
                break;
            }
            vinL.push_back(vin[i]);
            preL.push_back(pre[i+1]); 
        }//大于两个节点时对数组进行划分
        newRoot->left = reConstructBinaryTree(preL,vinL);
        newRoot->right = reConstructBinaryTree(preR,vinR);
        return newRoot;
    }
};
在C语言中,非递归方式重建二叉树通常可以利用栈来模拟递归调用的过程。下面以根据前序遍历和中序遍历序列重建二叉树为例进行说明。 ### 原理 前序遍历的顺序是:根节点 -> 左子树 -> 右子树。中序遍历的顺序是:左子树 -> 根节点 -> 右子树。利用前序遍历的第一个元素作为根节点,在中序遍历中找到该根节点的位置,以此划分出左子树和右子树的中序遍历序列,同时也能确定左子树和右子树的节点数量,进而确定前序遍历中左子树和右子树的序列,然后使用栈来非递归地构建二叉树。 ### 代码实现 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> // 定义二叉树节点结构 typedef struct TreeNode { int val; struct TreeNode *left; struct TreeNode *right; } TreeNode; // 定义栈结构 typedef struct Stack { TreeNode **data; int top; int capacity; } Stack; // 初始化栈 Stack* initStack(int capacity) { Stack *stack = (Stack*)malloc(sizeof(Stack)); stack->data = (TreeNode**)malloc(capacity * sizeof(TreeNode*)); stack->top = -1; stack->capacity = capacity; return stack; } // 判断栈是否为空 int isEmpty(Stack *stack) { return stack->top == -1; } // 入栈 void push(Stack *stack, TreeNode *node) { stack->data[++stack->top] = node; } // 出栈 TreeNode* pop(Stack *stack) { return stack->data[stack->top--]; } // 获取栈顶元素 TreeNode* peek(Stack *stack) { return stack->data[stack->top]; } // 非递归重建二叉树 TreeNode* buildTree(int* preorder, int preorderSize, int* inorder, int inorderSize) { if (preorderSize == 0 || inorderSize == 0) return NULL; Stack *stack = initStack(preorderSize); TreeNode *root = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode)); root->val = preorder[0]; root->left = root->right = NULL; push(stack, root); int inorderIndex = 0; for (int i = 1; i < preorderSize; i++) { TreeNode *node = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode)); node->val = preorder[i]; node->left = node->right = NULL; TreeNode *temp = peek(stack); if (inorder[inorderIndex] != temp->val) { temp->left = node; push(stack, node); } else { while (!isEmpty(stack) && inorder[inorderIndex] == peek(stack)->val) { temp = pop(stack); inorderIndex++; } temp->right = node; push(stack, node); } } free(stack->data); free(stack); return root; } // 中序遍历验证 void inorderTraversal(TreeNode *root) { if (root == NULL) return; inorderTraversal(root->left); printf("%d ", root->val); inorderTraversal(root->right); } int main() { int preorder[] = {3, 9, 20, 15, 7}; int inorder[] = {9, 3, 15, 20, 7}; int preorderSize = sizeof(preorder) / sizeof(preorder[0]); int inorderSize = sizeof(inorder) / sizeof(inorder[0]); TreeNode *root = buildTree(preorder, preorderSize, inorder, inorderSize); inorderTraversal(root); printf("\n"); return 0; } ``` ### 代码解释 1. **TreeNode结构体**:定义了二叉树的节点结构,包含节点的值以及左右子节点指针。 2. **Stack结构体**:定义了栈的结构,包含一个存储节点指针的数组、栈顶指针和栈的容量。 3. **initStack函数**:初始化栈,分配内存并设置栈顶指针和容量。 4. **isEmpty、push、pop、peek函数**:分别用于判断栈是否为空、入栈、出栈和获取栈顶元素。 5. **buildTree函数**:根据前序遍历和中序遍历序列非递归重建二叉树。 6. **inorderTraversal函数**:中序遍历二叉树,用于验证重建结果。 ### 复杂度分析 - **时间复杂度**:$O(n)$,其中 $n$ 是二叉树的节点数,每个节点都会被访问一次。 - **空间复杂度**:$O(n)$,主要是栈的空间开销。
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