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# 二叉树

## 二叉树遍历

### 前中后序遍历

**前序遍历**：[144. 二叉树的前序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-preorder-traversal/)

先访问根节点，再前序遍历左子树，再前序遍历右子树

**中序遍历**：[094. 二叉树的中序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-inorder-traversal/)

先中序遍历左子树，再访问根节点，再中序遍历右子树

**后序遍历**：[145. 二叉树的后序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-postorder-traversal/)

先后序遍历左子树，再后序遍历右子树，再访问根节点

注意点

* 以根访问顺序决定是什么遍历
* 左子树都是优先右子树

#### 前序递归

```csharp
// 递归遍历写法，以前序遍历为例
public IList<int?> PreorderTraversalRecursion(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    Traverse(root, result);
    return result;
}

void Traverse(TreeNode? p, ICollection<int?> result)
{
    if (p?.val == null)
    {
        return;
    }
    // 其他遍历调整这里的语句顺序即可
    result.Add(p.val);
    Traverse(p.left, result);
    Traverse(p.right, result);
}
```

#### 前序非递归

```csharp
public IList<int?> PreorderTraversal(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    if (root.val == null)
    {
        return result;
    }
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<TreeNode>();
    stack.Push(root);
    while (stack.Any())
    {
        var temp = stack.Pop();
        result.Add(temp.val);
        if (temp.right != null)
        {
            stack.Push(temp.right);
        }
        if (temp.left != null)
        {
            stack.Push(temp.left);
        }
    }
    return result;
}
```

#### 中序非递归

1. 设置一个栈S存放所经过的根结点（指针）信息；初始化S；
2. 第一次访问到根结点并不访问，而是入栈；
3. 中序遍历它的左子树，左子树遍历结束后，第二次遇到根结点，就将根结点（指针）退栈，并且访问根结点；然后中序遍历它的右子树。
4. 当需要退栈时，如果栈为空则结束。

```csharp
public IList<int?> InorderTraversal(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    if (root.val == null)
    {
        return result;
    }
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<TreeNode>();
    TreeNode current = root;
    while (stack.Any() || current != null)
    {
        while (current is { val: not null })
        {
            stack.Push(current);
            current = current.left;
        }
        current = stack.Pop();
        result.Add(current.val);
        current = current.right;
    }
    return result;
}
```

#### 后序非递归

```csharp
public IList<int?> PostorderTraversal(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    if (root.val == null)
    {
        return result;
    }
    Stack<TreeNode> stack = new Stack<TreeNode>();
    stack.Push(root);
    while (stack.Any())
    {
        TreeNode temp = stack.Pop();
        result.Add(temp.val);
        if (temp.left != null)
        {
            stack.Push(temp.left);
        }
        if (temp.right != null)
        {
            stack.Push(temp.right);
        }
    }
    return Enumerable.Reverse(result).ToList();
}
```

### DFS 和 BFS

#### DFS 深度优先搜索-从上到下

```csharp
// V1：深度遍历，结果指针作为参数传入到函数内部
public IList<int?> DFS_Traversal(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    DFS(root, ref result);
    return result;
}

void DFS(TreeNode p, ref List<int?> result)
{
    if (p.val == null)
    {
        return;
    }
    result.Add(p.val);
    if (p.left != null)
    {
        DFS(p.left, ref result);
    }
    if (p.right != null)
    {
        DFS(p.right, ref result);
    }
}
```

#### DFS 深度优先搜索-从下向上（分治法）

```csharp
// V2：通过分治法遍历
public IList<int?> DFS_Traversal_Divide(TreeNode root)
{
    IList<int?> result = DivideAndConquer(root);
    return result;
}

IList<int?> DivideAndConquer(TreeNode? p)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    if (p?.val == null)
    {
        return result;
    }
    // 分治(Divide)
    IList<int?> left = DivideAndConquer(p.left);
    IList<int?> right = DivideAndConquer(p.right);
    // 合并结果(Conquer)
    result.Add(p.val);
    result.AddRange(left);
    result.AddRange(right);
    return result;
}
```

注意点：

> DFS 深度优先搜索（从上到下） 和分治法区别：前者一般将最终结果通过指针参数传入，后者一般递归返回结果最后合并

#### BFS 广度优先搜索

```csharp
public IList<int?> BinaryTreePaths_BFS(TreeNode root)
{
    List<int?> result = new List<int?>();
    if (root.val == null)
    {
        return result;
    }
    Queue<TreeNode> queue = new Queue<TreeNode>();
    queue.Enqueue(root);
    while (queue.Any())
    {
        TreeNode p = queue.Dequeue();
        result.Add(p.val);
        if (p.left != null)
        {
            queue.Enqueue(p.left);
        }
        if (p.right != null)
        {
            queue.Enqueue(p.right);
        }
    }
    return result;
}
```

#### 常见题目

> [257. 二叉树的所有路径](https://leetcode-cn.com/problems/binary-tree-paths/)
>
> 给你一个二叉树的根节点 `root` ，按 **任意顺序** ，返回所有从根节点到叶子节点的路径。
>
> **叶子节点** 是指没有子节点的节点。

```csharp
public IList<string> BinaryTreePaths_DFS(TreeNode root)
{
    StringBuilder path = new StringBuilder();
    List<string> paths = new List<string>();
    DFS(root, path, paths);
    return paths;
}

void DFS(TreeNode? p, StringBuilder path, ICollection<string> paths)
{
    if (p?.val == null)
    {
        return;
    }
    path.Append(p.val);
    if (p.left?.val == null && p.right?.val == null)
    {
        paths.Add(path.ToString());
    }
    else
    {
        path.Append("->");
        DFS(p.left, new StringBuilder(path.ToString()), paths);
        DFS(p.right, new StringBuilder(path.ToString()), paths);
    }
}
```

## 二叉树分治

先分别处理局部，再合并结果

适用场景

* 快速排序
* 归并排序
* 二叉树相关问题

分治法模板

* 递归返回条件
* 分段处理
* 合并结果

伪代码如下

```csharp
public ResultType Traversal(TreeNode root) {
    // null or leaf
    if (root == null) {
        // do something and return
    }
    
    // Divide
    ResultType left = Traversal(root.Left)
    ResultType right = Traversal(root.Right)
        
    // Conquer
    ResultType result = Merge from left and right
    return result
}
```

### 典型示例

> [098. 验证二叉搜索树](https://leetcode-cn.com/problems/validate-binary-search-tree/)
>
> 给你一个二叉树的根节点 `root` ，判断其是否是一个有效的二叉搜索树。
>
> **有效** 二叉搜索树定义如下：
>
> 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。

```csharp
public bool IsValidBST(TreeNode root)
{
    return IsValidBST_DivideAndConquer(root, long.MinValue, long.MaxValue);
}

bool IsValidBST_DivideAndConquer(TreeNode? p, long? min, long? max)
{
    if (p?.val == null)
    {
        return true;
    }
    // 返回条件
    if (p.val <= min || max <= p.val)
    {
        return false;
    }
    // 分治(Divide)
    var left = IsValidBST_DivideAndConquer(p.left, min, p.val);
    var right = IsValidBST_DivideAndConquer(p.right, p.val, max);
    // 合并结果(Conquer)
    return left && right;
}
```

### 常见题目

#### 二叉树的的最大深度

> [104. 二叉树的最大深度](https://leetcode-cn.com/problems/maximum-depth-of-binary-tree/)
>
> 给定一个二叉树 `root` ，返回其最大深度。
>
> 二叉树的 **最大深度** 是指从根节点到最远叶子节点的最长路径上的节点数。

DFS递归解法

```csharp
 public int MaxDepth_DFS(TreeNode? root) {
    if (root?.val == null) {
        return 0;
    }
    return Math.Max(MaxDepth_DFS(root.left), MaxDepth_DFS(root.right)) + 1;
}
```

BFS队列解法

```csharp
public int MaxDepth_BFS(TreeNode? root) {
    if (root?.val == null) {
        return 0;
    }
    int depth = 0;
    Queue<TreeNode> queue = new Queue<TreeNode>();
    queue.Enqueue(root);
    while (queue.Count > 0) {
        depth++;
        int size = queue.Count;
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            TreeNode node = queue.Dequeue();
            if (node.left != null) {
                queue.Enqueue(node.left);
            }
            if (node.right != null) {
                queue.Enqueue(node.right);
            }
        }
    }
    return depth;
}
```

#### 平衡二叉树

> [110. 平衡二叉树](https://leetcode-cn.com/problems/balanced-binary-tree/)
>
> 给定一个二叉树，判断它是否是高度平衡的二叉树。
>
> 本题中，一棵高度平衡二叉树定义为：
>
> 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 。

```csharp
public bool IsBalanced(TreeNode? root) {
    if (root?.val == null) {
        return true;
    }
    return Math.Abs(GetHeight(root.left) - GetHeight(root.right)) <= 1 && IsBalanced(root.left) && IsBalanced(root.right);
}

int GetHeight(TreeNode? node) {
    if (node?.val == null) {
        return 0;
    }
    return Math.Max(GetHeight(node.left), GetHeight(node.right)) + 1;
}
```

#### 二叉树中的最大路径和

> [124. 二叉树中的最大路径和](https://leetcode-cn.com/problems/binary-tree-maximum-path-sum/)
>
> 二叉树中的 **路径** 被定义为一条节点序列，序列中每对相邻节点之间都存在一条边。同一个节点在一条路径序列中 **至多出现一次** 。该路径 **至少包含一个** 节点，且不一定经过根节点。
>
> **路径和** 是路径中各节点值的总和。
>
> 给你一个二叉树的根节点 `root` ，返回其 **最大路径和** 。

```csharp
int maxSum = int.MinValue;

public int MaxPathSum(TreeNode root) 
{
    MaxGain(root);
    return maxSum;
}

int MaxGain(TreeNode? node) 
{
    if (node?.val == null) 
    {
        return 0;
    }
    // 递归计算左右子节点的最大贡献值
    // 只有在最大贡献值大于 0 时，才会选取对应子节点
    int leftGain = Math.Max(MaxGain(node.left), 0);
    int rightGain = Math.Max(MaxGain(node.right), 0);
    // 节点的最大路径和取决于该节点的值与该节点的左右子节点的最大贡献值
    int priceNewPath = (int)node.val + leftGain + rightGai
    // 更新答案
    maxSum = Math.Max(maxSum, priceNewPath);
    // 返回节点的最大贡献值
    return (int)node.val + Math.Max(leftGain, rightGain);
}
```

#### 二叉树的最近公共祖先

> [236. 二叉树的最近公共祖先](https://leetcode-cn.com/problems/lowest-common-ancestor-of-a-binary-tree/)
>
> 给定一个二叉树, 找到该树中两个指定节点的最近公共祖先。
>
> [百度百科](https://baike.baidu.com/item/%E6%9C%80%E8%BF%91%E5%85%AC%E5%85%B1%E7%A5%96%E5%85%88/8918834?fr=aladdin)中最近公共祖先的定义为：“对于有根树 T 的两个节点 p、q，最近公共祖先表示为一个节点 x，满足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度尽可能大（一个节点也可以是它自己的祖先）。”

思路：分治法，有左子树的公共祖先或者有右子树的公共祖先，就返回子树的祖先，否则返回根节点

```csharp
public TreeNode? LowestCommonAncestor(TreeNode? root, TreeNode p, TreeNode q) {
    // check
    if (root?.val==null)
    {
        return null;
    }   
    // 相等 直接返回root节点即可
    if (root == p || root == q) {
        return root;
    }
    // Divide
    TreeNode? left = LowestCommonAncestor(root.left, p, q);
    TreeNode? right = LowestCommonAncestor(root.right, p, q);
    // Conquer
    // 左右两边都不为空，则根节点为祖先
    if (left != null && right != null) {
        return root;
    } else if (left != null) {
        return left;
    } else {
        return right;
    }
}
```

## BFS 应用

### 常见题目

#### 二叉树的层序遍历

> [102. 二叉树的层序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal/)
>
> 给你二叉树的根节点 `root` ，返回其节点值的 **层序遍历** 。 （即逐层地，从左到右访问所有节点）。

思路：用一个队列记录一层的元素，然后扫描这一层元素添加下一层元素到队列（一个数进去出来一次，所以复杂度 O(logN)）

```csharp
public IList<IList<int?>> LevelOrder(TreeNode? root)
{
    IList<IList<int?>> levelOrderTraversal = new List<IList<int?>>();
    if (root?.val == null)
    {
        return levelOrderTraversal;
    }
    Queue<TreeNode> queue = new Queue<TreeNode>();
    queue.Enqueue(root);
    while (queue.Count > 0)
    {
        IList<int?> levelValues = new List<int?>();
        int size = queue.Count;
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
            TreeNode node = queue.Dequeue();
            levelValues.Add(node.val);
            if (node.left != null)
            {
                queue.Enqueue(node.left);
            }
            if (node.right != null)
            {
                queue.Enqueue(node.right);
            }
        }
        levelOrderTraversal.Add(levelValues);
    }
    return levelOrderTraversal;
}

```

#### 二叉树的层序遍历II

> [107. 二叉树的层序遍历II](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal-ii/)
>
> 给你二叉树的根节点 `root` ，返回其节点值 **自底向上的层序遍历** 。 （即按从叶子节点所在层到根节点所在的层，逐层从左向右遍历）

思路：在层级遍历的基础上，翻转一下结果即可

```csharp
public IList<IList<int?>> LevelOrderBottom(TreeNode? root)
{
    IList<IList<int?>> levelOrderBottomTraversal = new List<IList<int?>>();
    if (root?.val == null)
    {
        return levelOrderBottomTraversal;
    }
    Queue<TreeNode> queue = new Queue<TreeNode>();
    queue.Enqueue(root);
    while (queue.Count > 0)
    {
        IList<int?> levelValues = new List<int?>();
        int size = queue.Count;
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
            TreeNode node = queue.Dequeue();
            levelValues.Add(node.val);
            if (node.left != null)
            {
                queue.Enqueue(node.left);
            }
            if (node.right != null)
            {
                queue.Enqueue(node.right);
            }
        }
        levelOrderBottomTraversal.Add(levelValues);
    }
    return levelOrderBottomTraversal.Reverse().ToList();
}
```

#### 二叉树的锯齿形层序遍历

> [103. 二叉树的锯齿形层序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-zigzag-level-order-traversal/)
>
> 给你二叉树的根节点 `root` ，返回其节点值的 **锯齿形层序遍历** 。锯齿形层序遍历 。（即先从左往右，再从右往左进行下一层遍历，以此类推，层与层之间交替进行）。

```csharp
public IList<IList<int?>> ZigzagLevelOrder(TreeNode? root)
{
    IList<IList<int?>> zigzagLevelOrderTraversal = new List<IList<int?>>();
    if (root?.val == null)
    {
        return zigzagLevelOrderTraversal;
    }
    Queue<TreeNode> queue = new Queue<TreeNode>();
    queue.Enqueue(root);
    bool isLeftToRight = true;
    while (queue.Count > 0)
    {
        IList<int?> levelValues = new List<int?>();
        int size = queue.Count;
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
            TreeNode node = queue.Dequeue();
            if (isLeftToRight)
            {
                levelValues.Add(node.val);
            }
            else
            {
                levelValues.Insert(0, node.val);
            }
            if (node.left != null)
            {
                queue.Enqueue(node.left);
            }
            if (node.right != null)
            {
                queue.Enqueue(node.right);
            }
        }
        zigzagLevelOrderTraversal.Add(levelValues);
        isLeftToRight = !isLeftToRight;
    }
    return zigzagLevelOrderTraversal;
}
```

## 二叉搜索树应用

### 常见题目

#### 二叉搜索树中的插入操作

> [701. 二叉搜索树中的插入操作](https://leetcode.cn/problems/insert-into-a-binary-search-tree/)
>
> 给定二叉搜索树（BST）的根节点 `root` 和要插入树中的值 `value` ，将值插入二叉搜索树。 返回插入后二叉搜索树的根节点。 输入数据 **保证** ，新值和原始二叉搜索树中的任意节点值都不同。
>
> **注意**，可能存在多种有效的插入方式，只要树在插入后仍保持为二叉搜索树即可。 你可以返回 **任意有效的结果** 。

思路：找到最后一个叶子节点满足插入条件即可

```csharp
public TreeNode InsertIntoBST(TreeNode? root, int val)
{
    if (root?.val == null)
    {
        return new TreeNode(val);
    }
    if (root.val > val)
    {
        root.left = InsertIntoBST(root.left, val);
    }
    else
    {
        root.right = InsertIntoBST(root.right, val);
    }
    return root;
}
```

#### 删除二叉搜索树中节点

> [450. 删除二叉搜索树中节点](https://leetcode.cn/problems/delete-node-in-a-bst/)
>
> 给定一个二叉搜索树的根节点 **root** 和一个值 **key**，删除二叉搜索树中的 **key** 对应的节点，并保证二叉搜索树的性质不变。返回二叉搜索树（有可能被更新）的根节点的引用。
>
> 一般来说，删除节点可分为两个步骤：
>
> 1. 首先找到需要删除的节点；
> 2. 如果找到了，删除它。

```csharp
public TreeNode? DeleteNode(TreeNode? root, int key)
{
    // 删除节点分为三种情况：
    // 1、只有左节点 替换为右
    // 2、只有右节点 替换为左
    // 3、有左右子节点 左子节点连接到右边最左节点即可
    if (root?.val == null)
    {
        return root;
    }
    if (root.val < key)
    {
        root.right = DeleteNode(root.right, key);
    }
    else if (root.val > key)
    {
        root.left = DeleteNode(root.left, key);
    }
    else if (root.val == key)
    {
        if (root.left?.val == null)
        {
            return root.right;
        }
        else if (root.right?.val == null)
        {
            return root.left;
        }
        else
        {
            var current = root.right;
            // 一直向左找到最后一个左节点即可
            while (current.left?.val != null)
            {
                current = current.left;
            }
            current.left = root.left;
            return root.right;
        }
    }
    return root;
}
```

## 总结

* 掌握二叉树递归与非递归遍历
* 理解 DFS 前序遍历与分治法
* 理解 BFS 层次遍历

## 练习

* [ ] [144. 二叉树的前序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-preorder-traversal/)
* [ ] [094. 二叉树的中序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-inorder-traversal/)
* [ ] [145. 二叉树的后序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-postorder-traversal/)
* [ ] [257. 二叉树的所有路径](https://leetcode-cn.com/problems/binary-tree-paths/)
* [ ] [098. 验证二叉搜索树](https://leetcode.cn/problems/validate-binary-search-tree/)
* [ ] [104. 二叉树的最大深度](https://leetcode.cn/problems/maximum-depth-of-binary-tree/)
* [ ] [110. 平衡二叉树](https://leetcode.cn/problems/balanced-binary-tree/)
* [ ] [124. 二叉树中的最大路径和](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-maximum-path-sum/)
* [ ] [236. 二叉树的最近公共祖先](https://leetcode.cn/problems/lowest-common-ancestor-of-a-binary-tree/)
* [ ] [102. 二叉树的层序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal/)
* [ ] [107. 二叉树的层序遍历II](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal-ii/)
* [ ] [103. 二叉树的锯齿形层序遍历](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-zigzag-level-order-traversal/)
* [ ] [701. 二叉搜索树中的插入操作](https://leetcode.cn/problems/insert-into-a-binary-search-tree/)
* [ ] [450. 删除二叉搜索树中节点](https://leetcode.cn/problems/delete-node-in-a-bst/)