leetcode：297. 二叉树的序列化与反序列化

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题目描述

、

struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode *left;
    TreeNode *right;
    TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
    TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
    TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
};

class Codec {
public:

    // Encodes a tree to a single string.
    string serialize(TreeNode* root) {

    }

    // Decodes your encoded data to tree.
    TreeNode* deserialize(string data) {

    }
};

题目解析

二叉树序列化的本质是对其进行编码，更重要的是对其结构进行编码。可以遍历树来完成上述任务。一般有两个策略：广度优先搜索和深度优先搜索

• 广度优先搜索可以按照层次从上往下遍历所有节点
• 深度优先搜索可以从一个根节点开始，一直延伸到某个叶，然后回到根，到达另一个分支。根据根节点、左节点和右节点之间的相对顺序，可以进一步将深度优先搜索策略区分为：
  • 先序遍历
  • 中序遍历
  • 后序遍历

深度优先搜索

序列化：

• 递归遍历一棵树，重点关注当前节点，它的子树的遍历交给递归完成：“serialize函数，请帮我分别序列化我的左右子树，我等你返回的结果，再拼接一下。”
• 选择前序遍历，是因为 根|左|右、根∣左∣右 的打印顺序，在反序列化时更容易定位出根节点的值。
• 遇到 null 节点也要翻译成特定符号，反序列化时才知道这里是 null。

反序列化

• 前序遍历的序列化字符串，就像下图右一：

• 定义函数 buildTree 用于还原二叉树，传入由序列化字符串转成的 list 数组。
• 逐个 pop 出 list 的首项，构建当前子树的根节点，顺着 list，构建顺序是根节点，左子树，右子树。
  • 如果弹出的字符为 “X”，则返回 null 节点。
  • 如果弹出的字符是数值，则创建root节点，并递归构建root的左右子树，最后返回root。
    

总的来说

（1）怎么区分节点（节点和节点之间、节点与null节点）

• 需要使用# 等特殊标记每一个null
• 需要使用 ，, 等字符区分每一个节点（注意null也是一个节点）

（2）

• 序列化时：前序遍历，根节点–>左节点–>右节点
• 反序列时：前序遍历，先构建出根节点 ，然后构建左节点，再构建右节点(每构建一个节点，都需要从原始字符中移除)

实现一

class Codec  {
    void serialize(TreeNode *root, ostringstream &out) {
        if(root){
            out << root->val << ' ';
            serialize(root->left, out);
            serialize(root->right, out);
        }else{
            out << "# ";
        }
    }

    TreeNode *deserialize(istringstream &in){
        std::string val;
        in >> val;
        if(val == "#"){
            return nullptr;
        }
        TreeNode *root = new TreeNode(stoi(val));
        root->left = deserialize(in);
        root->right = deserialize(in);
        return root;
    }
public:

    // Encodes a tree to a single string.
    string serialize(TreeNode* root) {
        std::ostringstream out;
        serialize(root, out);
        return out.str();
    }

    // Decodes your encoded data to tree.
    TreeNode* deserialize(string data) {
        std::istringstream in(data);
        return deserialize(in);
    }
};

实现二

class Codec  {

    static TreeNode *buildTree( std::list<std::string> & strList){
        std::string strtmp = strList.front();
        strList.pop_front();
        if(strtmp == "X"){
            return NULL;
        }
        TreeNode *node = new TreeNode(stoi(strtmp));
        node->left = buildTree(strList);
        node->right = buildTree(strList);
        return node;
    }

    static std::list<std::string> split(std::string & data){
        int len = data.size();
        std::string curr;
        std::list<std::string> dataArray;
        for(char & ch : data){
            if(ch == ','){
                dataArray.push_back(curr);
                curr.clear();
            }else{
                curr.push_back(ch);
            }
        }
        if(!curr.empty()){
            dataArray.push_back(curr);
            curr.clear();
        }
        return dataArray;
    }
public:

    // Encodes a tree to a single string.
    string serialize(TreeNode* root) {
        if(root == NULL){  // 遍历到 null 节点
            return "X";
        }
        std::string left = serialize(root->left);
        std::string right = serialize(root->right);
        return std::to_string(root->val) + "," + left + "," + right;   // 按  根,左,右  拼接字符串
    }

    // Decodes your encoded data to tree.
    TreeNode* deserialize(string data) {
        list<string> list = split(data);
       TreeNode* res = buildTree(list);
        return res;
    }
};

广度优先搜索

序列化

• 维护一个队列，初始让根节点入队，考察出队节点：
  • 如果出队的节点是NULL，将x推入res
  • 如果出队的节点是数值，将节点值推入res，并将它的左右节点入队
    - 子节点 null 也要入列，它对应 “X”，要被记录，只是它没有子节点可入列
• 入列、出列…直到队列为空，就遍历完所有节点，res构建完毕，转成字符串就好。

反序列化

下图是BFS得到的序列化字符串，和DFS得到的不同，它是一层层的。除了第一个是根节点的值，其他节点值都是成对的，对应左右子节点。

• 依然先转成list数组，用一个指针 cursor 从第二项开始扫描。
• 起初，用list[0]构建根节点，并让根节点入列
• 节点出列，此时 cursor 指向它的左子节点值，cursor+1 指向它的右子节点值。
  • 如果子节点值是数值，则创建节点，并认出列的父亲，同时自己也是父亲，入列。
  • 如果子节点值为 ‘X’，什么都不用做，因为出列的父亲的 left 和 right 本来就是 null
• 可见，所有的真实节点都会在队列里走一遍，出列就带出儿子入列

class Codec  {
    
public:

    // Encodes a tree to a single string.
    string serialize(TreeNode* root) {
        std::ostringstream out;
        std::queue<TreeNode*> q;
        if(root){
            q.push(root);
        }
        while (!q.empty()){
            TreeNode *t = q.front(); q.pop();
            if(t){
                out << t->val << ' ';
                q.push(t->left);
                q.push(t->right);
            }else{
                out <<"# ";
            }
        }
        return out.str();
    }

    // Decodes your encoded data to tree.
    TreeNode* deserialize(string data) {
        if(data.empty()){
            return nullptr;
        }
        std::istringstream in(data);
        std::queue<TreeNode *>q;
        std::string val;
        in >> val;
        TreeNode *res = new TreeNode(stoi(val)), *curr = res;
        q.push(curr);
        while (!q.empty()){
            TreeNode *t = q.front(); q.pop();
            if(!(in >> val)){
                break;
            }
            if(val != "#"){
                curr = new TreeNode(stoi(val));
                q.push(curr);
                t->left = curr;
            }
            if(!(in >> val)){
                break;
            }
            if(val != "#"){
                curr = new TreeNode(stoi(val));
                q.push(curr);
                t->right = curr;
            }
        }
        return res;
    }
};