构造平衡二叉树
Posted
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了构造平衡二叉树相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
平衡二叉树（AVL）
那对图 1 进行下改造，把数据重新节点重新连接下，图 2 如下：
图 2 可以看到以下特性：
1. 所有左子树的节点都小于其对应的父节点（4，5，6）<（7）；（4）<（5）；（8）< （9）；
2. 所有右子树上的节点都大于其对应的父节点（8，9，10）>（7）；（6）>（5）；（10）>（9）；
3. 每个节点的平衡因子差值绝对值 <=1；
4. 每个节点都符合以上三个特征。
满足这样条件的树叫平衡二叉树（AVL）树。
问：那再次查找节点 5，需要遍历多少次呢？
由于数据是按照顺序组织的，那查找起来非常快，从上往下找：7-5，只需要在左子树上查找，也就是遍历 2 次就找到了 5。假设要找到叶子节点 10，只需要在右子树上查找，那也最多需要 3 次，7-9-10。也就说 AVL 树在查找方面性能很好，最坏的情况是找到一个节点需要消耗的次数也就是树的层数， 复杂度为 O(logN)
如果节点非常多呢？假设现在有 31 个节点，用 AVL 树表示如图 3：
图 3 是一棵高度为 4 的 AVL 树，有 5 层共 31 个节点，橙色是 ROOT 节点，蓝色是叶子节点。对 AVL 树的查找来看起来已经很完美了，能不能再优化下？比如，能否把这个节点里存放的 KEY 增加？能否减少树的总层数？那减少纵深只能从横向来想办法，这时候可以考虑用多叉树。
参考技术A从结点48向根回溯，依次计算各个结点的平衡因子，48的为0，37为-1（左减去右），53为+1，24为-2，产生不平衡，从24往来路看2个结点：53、37，路径形态为先向右走再向左走，于是24、53和37进行先右后左双旋转：
第一步：将37、53向右旋转，37上，53变为37的右子树，48交给53成为53的左子树
第二步：将24、37向左旋转，37上，24变成37的左子树（如果37原来有左子树，就交给24变成其右子树，不过现在没有）
最终结果：
二叉树：构造一棵搜索树
❝构造二叉搜索树，一不小心就平衡了
❞
108.将有序数组转换为二叉搜索树
将一个按照升序排列的有序数组，转换为一棵高度平衡二叉搜索树。
本题中，一个高度平衡二叉树是指一个二叉树每个节点 的左右两个子树的高度差的绝对值不超过 1。
示例:
思路
题目中说要转换为一棵高度平衡二叉搜索树。这和转换为一棵普通二叉搜索树有什么差别呢？
其实这里不用强调平衡二叉搜索树，数组构造二叉树，构成平衡树是自然而然的事情，因为大家默认都是从数组中间位置取值作为节点元素，一般不会随机取，「所以想构成不平衡的二叉树是自找麻烦」。
在和中其实已经讲过了，如果根据数组构造一颗二叉树。
「本质就是寻找分割点，分割点作为当前节点，然后递归左区间和右区间」。
本题其实要比 和 简单一些，因为有序数组构造二叉搜索树，寻找分割点就比较容易了。
分割点就是数组中间位置的节点。
那么为问题来了，如果数组长度为偶数，中间节点有两个，取哪一个？
取哪一个都可以，只不过构成了不同的平衡二叉搜索树。
例如：输入：[-10,-3,0,5,9]
如下两棵树，都是这个数组的平衡二叉搜索树：
如果要分割的数组长度为偶数的时候，中间元素为两个，是取左边元素 就是树1，取右边元素就是树2。
「这也是题目中强调答案不是唯一的原因。理解这一点，这道题目算是理解到位了」。
递归
递归三部曲：
-
确定递归函数返回值及其参数
删除二叉树节点，增加二叉树节点，都是用递归函数的返回值来完成，这样是比较方便的。
相信大家如果仔细看了和，一定会对递归函数返回值的作用深有感触。
那么本题要构造二叉树，依然用递归函数的返回值来构造中节点的左右孩子。
再来看参数，首先是传入数组，然后就是左下表left和右下表right，我们在中提过，在构造二叉树的时候尽量不要重新定义左右区间数组，而是用下表来操作原数组。
所以代码如下：
// 左闭右闭区间[left, right]
TreeNode* traversal(vector<int>& nums, int left, int right)
这里注意，「我这里定义的是左闭右闭区间，在不断分割的过程中，也会坚持左闭右闭的区间，这又涉及到我们讲过的循环不变量」。
在， 和都详细讲过循环不变量。
-
确定递归终止条件
这里定义的是左闭右闭的区间，所以当区间 left > right的时候，就是空节点了。
代码如下：
if (left > right) return nullptr;
-
确定单层递归的逻辑
首先取数组中间元素的位置，不难写出int mid = (left + right) / 2;，「这么写其实有一个问题，就是数值越界，例如left和right都是最大int，这么操作就越界了，在中尤其需要注意！」
所以可以这么写：int mid = left + ((right - left) / 2);
但本题leetcode的测试数据并不会越界，所以怎么写都可以。但需要有这个意识！
取了中间位置，就开始以中间位置的元素构造节点，代码：TreeNode* root = new TreeNode(nums[mid]);。
接着划分区间，root的左孩子接住下一层左区间的构造节点，右孩子接住下一层右区间构造的节点。
最后返回root节点，单层递归整体代码如下：
int mid = left + ((right - left) / 2);
TreeNode* root = new TreeNode(nums[mid]);
root->left = traversal(nums, left, mid - 1);
root->right = traversal(nums, mid + 1, right);
return root;
这里int mid = left + ((right - left) / 2);的写法相当于是如果数组长度为偶数，中间位置有两个元素，取靠左边的。
-
递归整体代码如下：
class Solution {
private:
TreeNode* traversal(vector<int>& nums, int left, int right) {
if (left > right) return nullptr;
int mid = left + ((right - left) / 2);
TreeNode* root = new TreeNode(nums[mid]);
root->left = traversal(nums, left, mid - 1);
root->right = traversal(nums, mid + 1, right);
return root;
}
public:
TreeNode* sortedArrayToBST(vector<int>& nums) {
TreeNode* root = traversal(nums, 0, nums.size() - 1);
return root;
}
};
「注意：在调用traversal的时候为什么传入的left和right为什么是0和nums.size() - 1，因为定义的区间为左闭右闭」。
迭代法
迭代法可以通过三个队列来模拟，一个队列放遍历的节点，一个队列放左区间下表，一个队列放右区间下表。
模拟的就是不断分割的过程，C++代码如下：（我已经详细注释）
class Solution {
public:
TreeNode* sortedArrayToBST(vector<int>& nums) {
if (nums.size() == 0) return nullptr;
TreeNode* root = new TreeNode(0); // 初始根节点
queue<TreeNode*> nodeQue; // 放遍历的节点
queue<int> leftQue; // 保存左区间下表
queue<int> rightQue; // 保存右区间下表
nodeQue.push(root); // 根节点入队列
leftQue.push(0); // 0为左区间下表初始位置
rightQue.push(nums.size() - 1); // nums.size() - 1为右区间下表初始位置
while (!nodeQue.empty()) {
TreeNode* curNode = nodeQue.front();
nodeQue.pop();
int left = leftQue.front(); leftQue.pop();
int right = rightQue.front(); rightQue.pop();
int mid = left + ((right - left) / 2);
curNode->val = nums[mid]; // 将mid对应的元素给中间节点
if (left <= mid - 1) { // 处理左区间
curNode->left = new TreeNode(0);
nodeQue.push(curNode->left);
leftQue.push(left);
rightQue.push(mid - 1);
}
if (right >= mid + 1) { // 处理右区间
curNode->right = new TreeNode(0);
nodeQue.push(curNode->right);
leftQue.push(mid + 1);
rightQue.push(right);
}
}
return root;
}
};
总结
「在 和 之后，我们顺理成章的应该构造一下二叉搜索树了，一不小心还是一棵平衡二叉搜索树」。
其实思路也是一样的，不断中间分割，然后递归处理左区间，右区间，也可以说是分治。
此时相信大家应该对通过递归函数的返回值来增删二叉树很熟悉了，这也是常规操作。
在定义区间的过程中我们又一次强调了循环不变量的重要性。
最后依然给出迭代的方法，其实就是模拟取中间元素，然后不断分割去构造二叉树的过程。
「就酱，如果对你有帮助的话，也转发给身边需要的同学吧！」
在留言区留下你的思路吧！
-------end-------
我将算法学习相关的资料已经整理到了Github ：https://github.com/youngyangyang04/leetcode-master，里面还有leetcode刷题攻略、各个类型经典题目刷题顺序、思维导图看一看一定会有所收获，如果给你有帮助给一个star支持一下吧！
每天8:35准时推送一道经典算法题目，推送的每道题目都不是孤立的，而是由浅入深，环环相扣，帮你梳理算法知识脉络，轻松学算法！
以上是关于构造平衡二叉树的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章