算法D14 | 二叉树1 | 144. 二叉树的前序遍历 145. 二叉树的后序遍历 94. 二叉树的中序遍历

理论基础 

需要了解 二叉树的种类，存储方式，遍历方式 以及二叉树的定义 

文章讲解：

二叉树既可以链式存储（利用指针，类似栈和队列），也可以用数组表示。

• 深度优先遍历
  • 前序遍历（递归法，迭代法）
  • 中序遍历（递归法，迭代法）
  • 后序遍历（递归法，迭代法）
• 广度优先遍历
  • 层次遍历（迭代法）

在深度优先遍历中：有三个顺序，前中后序遍历， 有同学总分不清这三个顺序，经常搞混，我这里教大家一个技巧。

这里前中后，其实指的就是中间节点的遍历顺序，只要大家记住 前中后序指的就是中间节点的位置就可以了。

看如下中间节点的顺序，就可以发现，中间节点的顺序就是所谓的遍历方式

• 前序遍历：中左右
• 中序遍历：左中右
• 后序遍历：左右中

栈其实就是递归的一种实现结构，也就说前中后序遍历的逻辑其实都是可以借助栈使用递归的方式来实现的。

而广度优先遍历的实现一般使用队列来实现，这也是队列先进先出的特点所决定的，因为需要先进先出的结构，才能一层一层的来遍历二叉树。

链式存储的二叉树节点的定义（C++版）：

struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode *left;
    TreeNode *right;
    TreeNode(int x) : val(x), left(NULL), right(NULL) {}
};

python版：

class TreeNode:
    def __init__(self, val, left = None, right = None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

递归遍历 （必须掌握）

二叉树的三种递归遍历掌握其规律后，其实很简单 

题目链接/文章讲解/视频讲解：代码随想录

前序遍历：

class Solution {
public:
    void traversal(TreeNode* root, vector<int>& vec) {
        if (root==NULL) return;
        vec.push_back(root->val);
        traversal(root->left, vec);
        traversal(root->right, vec);
    }
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> result;
        traversal(root, result);
        return result;
    }
};


# 也可以用类似python版本的写法，直接在preorderTraversal函数内定义，然后merge前中后vector结果。
class Solution {
public:
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        if (root==NULL) return vector<int> {};

        vector<int> left = preorderTraversal(root->left);
        vector<int> right = preorderTraversal(root->right);

        vector<int> result = {root->val};
        result.insert(result.end(), left.begin(), left.end());
        result.insert(result.end(), right.begin(), right.end());
        return result;
    }
};

中序遍历：

void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec) {
    if (cur == NULL) return;
    traversal(cur->left, vec);  // 左
    vec.push_back(cur->val);    // 中
    traversal(cur->right, vec); // 右
}

后序遍历：

void traversal(TreeNode* cur, vector<int>& vec) {
    if (cur == NULL) return;
    traversal(cur->left, vec);  // 左
    traversal(cur->right, vec); // 右
    vec.push_back(cur->val);    // 中
}

python版本

前序遍历：

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[int]:
        if not root: return []
        left = self.preorderTraversal(root.left)
        right = self.preorderTraversal(root.right)
        return [root.val] + left + right

中序遍历：

class Solution:
    def inorderTraversal(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[int]:
        if not root: return []
        left = self.inorderTraversal(root.left)
        right = self.inorderTraversal(root.right)
        return left + [root.val] + right

后序遍历：

class Solution:
    def postorderTraversal(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[int]:
        if not root: return []
        left = self.postorderTraversal(root.left)
        right = self.postorderTraversal(root.right)
        return left + right + [root.val]

迭代遍历 （基础不好的录友，迭代法可以放过）

题目链接/文章讲解/视频讲解：代码随想录

栈也可以是实现二叉树的前后中序遍历了， 仍然针对144， 145， 94这几个题目。

C++版本：

前序遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> st;
        vector<int> result;
        if (root == NULL) return result;
        st.push(root);
        while (!st.empty()) {
            TreeNode* node = st.top();                       // 中
            st.pop();
            result.push_back(node->val);
            if (node->right) st.push(node->right);           // 右
            if (node->left) st.push(node->left);             // 左
        }
        return result;
    }
};

中序遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> result;
        stack<TreeNode*> st;
        TreeNode* cur = root;
        while (cur != NULL || !st.empty()) {
            if (cur != NULL) {                  // 指针来访问节点，访问到最底层
                st.push(cur);                   // 将访问的节点放进栈
                cur = cur->left;                // 左
            } else {
                cur = st.top(); // 从栈里弹出的数据，就是要放进result数组里的数据
                st.pop();
                result.push_back(cur->val);     // 中
                cur = cur->right;               // 右
            }
        }
        return result;
    }
};

后序遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> st;
        vector<int> result;
        if (root == NULL) return result;
        st.push(root);
        while (!st.empty()) {
            TreeNode* node = st.top();
            st.pop();
            result.push_back(node->val);           // 中
            if (node->left) st.push(node->left);   // 左
            if (node->right) st.push(node->right); // 右
        }
        reverse(result.begin(), result.end()); // 将结果反转之后就是左右中
        return result;
    }
};

Python版本：

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[int]:
        if not root: return []
        stack = [root]
        result = []
        while stack:
            node = stack.pop()
            result.append(node.val)      # 中
            if node.right:
                stack.append(node.right) # 右
            if node.left:
                stack.append(node.left)  # 左
        return result

class Solution:
    def inorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        if not root: return []
        stack = []                  # 不能提前将root结点加入stack中
        result = []
        cur = root
        while cur or stack:
            if cur:                 # 先迭代访问最底层的左子树结点
                stack.append(cur)
                cur = cur.left		
            else:		            # 到达最左结点后处理栈顶结点   
                cur = stack.pop()
                result.append(cur.val)
                cur = cur.right  	# 取栈顶元素右结点
        return result

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[int]:
        if not root: return []
        stack = [root]
        result = []
        while stack:
            node = stack.pop()
            result.append(node.val)      # 中
            if node.left:
                stack.append(node.left)  # 左
            if node.right:
                stack.append(node.right) # 右
        return result

统一迭代   （基础不好的录友，迭代法可以放过）

这是统一迭代法的写法， 如果学有余力，可以掌握一下

题目链接/文章讲解：代码随想录

针对三种遍历方式，使用迭代法是可以写出统一风格的代码。

使用栈无法同时解决访问节点（遍历节点）和处理节点（将元素放进结果集）不一致的情况。

那我们就将访问的节点放入栈中，把要处理的节点也放入栈中但是要做标记。就是要处理的节点放入栈之后，紧接着放入一个空指针作为标记。 这种方法也可以叫做标记法。

中序遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> result;
        stack<TreeNode*> st;
        if (root != NULL) st.push(root);
        while (!st.empty()) {
            TreeNode* node = st.top();
            if (node != NULL) {
                st.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 (node->right) st.push(node->right);  // 添加右节点（空节点不入栈）

                st.push(node);                          // 添加中节点
                st.push(NULL); // 中节点访问过，但是还没有处理，加入空节点做为标记。

                if (node->left) st.push(node->left);    // 添加左节点（空节点不入栈）
            } else { // 只有遇到空节点的时候，才将下一个节点放进结果集
                st.pop();           // 将空节点弹出
                node = st.top();    // 重新取出栈中元素
                st.pop();
                result.push_back(node->val); // 加入到结果集
            }
        }
        return result;
    }
};

前序遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> result;
        stack<TreeNode*> st;
        if (root != NULL) st.push(root);
        while (!st.empty()) {
            TreeNode* node = st.top();
            if (node != NULL) {
                st.pop();
                if (node->right) st.push(node->right);  // 右
                if (node->left) st.push(node->left);    // 左
                st.push(node);                          // 中
                st.push(NULL);
            } else {
                st.pop();
                node = st.top();
                st.pop();
                result.push_back(node->val);
            }
        }
        return result;
    }
};

后续遍历：

class Solution {
public:
    vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> result;
        stack<TreeNode*> st;
        if (root != NULL) st.push(root);
        while (!st.empty()) {
            TreeNode* node = st.top();
            if (node != NULL) {
                st.pop();
                st.push(node);                          // 中
                st.push(NULL);

                if (node->right) st.push(node->right);  // 右
                if (node->left) st.push(node->left);    // 左

            } else {
                st.pop();
                node = st.top();
                st.pop();
                result.push_back(node->val);
            }
        }
        return result;
    }
};

Python版本：

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        result = []
        st= []
        if root:
            st.append(root)
        while st:
            node = st.pop()
            if node != None:
                if node.right: #右
                    st.append(node.right)
                if node.left: #左
                    st.append(node.left)
                st.append(node) #中
                st.append(None)
            else:
                node = st.pop()
                result.append(node.val)
        return result

class Solution:
    def inorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        result = []
        st = []
        if root:
            st.append(root)
        while st:
            node = st.pop()
            if node != None:
                if node.right: #添加右节点（空节点不入栈）
                    st.append(node.right)
                
                st.append(node) #添加中节点
                st.append(None) #中节点访问过，但是还没有处理，加入空节点做为标记。
                
                if node.left: #添加左节点（空节点不入栈）
                    st.append(node.left)
            else: #只有遇到空节点的时候，才将下一个节点放进结果集
                node = st.pop() #重新取出栈中元素
                result.append(node.val) #加入到结果集
        return result

class Solution:
    def postorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        result = []
        st = []
        if root:
            st.append(root)
        while st:
            node = st.pop()
            if node != None:
                st.append(node) #中
                st.append(None)
                
                if node.right: #右
                    st.append(node.right)
                if node.left: #左
                    st.append(node.left)
            else:
                node = st.pop()
                result.append(node.val)
        return result