LeetCode（98）： 验证二叉搜索树

Posted 2020-11-14 Ariel_一只猫的旅行

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题目描述：

给定一个二叉树，判断其是否是一个有效的二叉搜索树。

一个二叉搜索树具有如下特征：

• 节点的左子树只包含小于当前节点的数。
• 节点的右子树只包含大于当前节点的数。
• 所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。

示例 1:

输入:
    2
   / \\
  1   3
输出: true

示例 2:

输入:
    5
   / \\
  1   4
     / \\
    3   6
输出: false
解释: 输入为: [5,1,4,null,null,3,6]。
     根节点的值为 5 ，但是其右子节点值为 4 。

解题思路：

这道验证二叉搜索树有很多种解法，可以利用它本身的性质来做，即左<根<右，也可以通过利用中序遍历结果为有序数列来做，下面我们先来看最简单的一种，就是利用其本身性质来做，初始化时带入系统最大值和最小值，在递归过程中换成它们自己的节点值，用long代替int就是为了包括int的边界条件，代码如下：

C++ 解法一：

// Recursion without inorder traversal
class Solution {
public:
    bool isValidBST(TreeNode *root) {
        return isValidBST(root, LONG_MIN, LONG_MAX);
    }
    bool isValidBST(TreeNode *root, long mn, long mx) {
        if (!root) return true;
        if (root->val <= mn || root->val >= mx) return false;
        return isValidBST(root->left, mn, root->val) && isValidBST(root->right, root->val, mx);
    }
};

这题实际上简化了难度，因为一般的二叉搜索树是左<=根<右，而这道题设定为左<根<右，那么就可以用中序遍历来做。因为如果不去掉左=根这个条件的话，那么下边两个数用中序遍历无法区分：

   20       20
   /           \\
 20           20

它们的中序遍历结果都一样，但是左边的是BST，右边的不是BST。去掉等号的条件则相当于去掉了这种限制条件。下面我们来看使用中序遍历来做，这种方法思路很直接，通过中序遍历将所有的节点值存到一个数组里，然后再来判断这个数组是不是有序的，代码如下：

C++ 解法二：

// Recursion
class Solution {
public:
    bool isValidBST(TreeNode *root) {
        if (!root) return true;
        vector<int> vals;
        inorder(root, vals);
        for (int i = 0; i < vals.size() - 1; ++i) {
            if (vals[i] >= vals[i + 1]) return false;
        }
        return true;
    }
    void inorder(TreeNode *root, vector<int> &vals) {
        if (!root) return;
        inorder(root->left, vals);
        vals.push_back(root->val);
        inorder(root->right, vals);
    }
};

下面这种解法跟上面那个很类似，都是用递归的中序遍历，但不同之处是不将遍历结果存入一个数组遍历完成再比较，而是每当遍历到一个新节点时和其上一个节点比较，如果不大于上一个节点那么则返回false，全部遍历完成后返回true。代码如下：

C++ 解法三：

// Still recursion
class Solution {
public:
    TreeNode *pre;
    bool isValidBST(TreeNode *root) {
        int res = 1;
        pre = NULL;
        inorder(root, res);
        if (res == 1) return true;
        else false;
    }
    void inorder(TreeNode *root, int &res) {
        if (!root) return;
        inorder(root->left, res);
        if (!pre) pre = root;
        else {
            if (root->val <= pre->val) res = 0;
            pre = root;
        }
        inorder(root->right, res);
    }
};

当然这道题也可以用非递归来做，需要用到栈，因为中序遍历可以非递归来实现，所以只要在其上面稍加改动便可，代码如下：

C++ 解法四：

// Non-recursion with stack
class Solution {
public:
    bool isValidBST(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode*> s;
        TreeNode *p = root, *pre = NULL;
        while (p || !s.empty()) {
            while (p) {
                s.push(p);
                p = p->left;
            }
            TreeNode *t = s.top(); s.pop();
            if (pre && t->val <= pre->val) return false;
            pre = t;
            p = t->right;
        }
        return true;
    }
};

最后还有一种方法，由于中序遍历还有非递归且无栈的实现方法，称之为Morris遍历，可以参考http://www.cnblogs.com/grandyang/p/4297300.html,这种实现方法虽然写起来比递归版本要复杂的多，但是好处在于是O(1)空间复杂度，参见代码如下：

C++ 解法五:

class Solution {
public:
    bool isValidBST(TreeNode *root) {
        if (!root) return true;
        TreeNode *cur = root, *pre, *parent = NULL;
        bool res = true;
        while (cur) {
            if (!cur->left) {
                if (parent && parent->val >= cur->val) res = false;
                parent = cur;
                cur = cur->right;
            } else {
                pre = cur->left;
                while (pre->right && pre->right != cur) pre = pre->right;
                if (!pre->right) {
                    pre->right = cur;
                    cur = cur->left;
                } else {
                    pre->right = NULL;
                    if (parent->val >= cur->val) res = false;
                    parent = cur;
                    cur = cur->right;
                }
            }
        }
        return res;
    }
};