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> 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

题目链接：https://leetcode-cn.com/problems/convert-sorted-array-to-binary-search-tree/

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:

![108.将有序数组转换为二叉搜索树](https://img-blog.csdnimg.cn/20201022164420763.png)

## 思路

做这道题目之前大家可以了解一下这几道：

* [106.从中序与后序遍历序列构造二叉树](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg)
* [654.最大二叉树](https://mp.weixin.qq.com/s/1iWJV6Aov23A7xCF4nV88w)中其实已经讲过了，如果根据数组构造一颗二叉树。
* [701.二叉搜索树中的插入操作](https://mp.weixin.qq.com/s/lwKkLQcfbCNX2W-5SOeZEA)
* [450.删除二叉搜索树中的节点](https://mp.weixin.qq.com/s/-p-Txvch1FFk3ygKLjPAKw)


进入正题：

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[二叉树：构造二叉树登场！](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg)和[二叉树：构造一棵最大的二叉树](https://mp.weixin.qq.com/s/1iWJV6Aov23A7xCF4nV88w)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[二叉树：构造二叉树登场！](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg) 和 [二叉树：构造一棵最大的二叉树](https://mp.weixin.qq.com/s/1iWJV6Aov23A7xCF4nV88w)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：

![108.将有序数组转换为二叉搜索树](https://code-thinking.cdn.bcebos.com/pics/108.%E5%B0%86%E6%9C%89%E5%BA%8F%E6%95%B0%E7%BB%84%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E4%B8%BA%E4%BA%8C%E5%8F%89%E6%90%9C%E7%B4%A2%E6%A0%91.png)

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[二叉树：搜索树中的插入操作](https://mp.weixin.qq.com/s/lwKkLQcfbCNX2W-5SOeZEA)和[二叉树：搜索树中的删除操作](https://mp.weixin.qq.com/s/-p-Txvch1FFk3ygKLjPAKw)，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[二叉树：构造二叉树登场！](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg)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[二叉树：构造二叉树登场！](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg)，[35.搜索插入位置](https://mp.weixin.qq.com/s/fCf5QbPDtE6SSlZ1yh_q8Q) 和[59.螺旋矩阵II](https://mp.weixin.qq.com/s/KTPhaeqxbMK9CxHUUgFDmg)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[二分法](https://mp.weixin.qq.com/s/fCf5QbPDtE6SSlZ1yh_q8Q)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：

```C++
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）

```C++
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[二叉树：构造二叉树登场！](https://mp.weixin.qq.com/s/7r66ap2s-shvVvlZxo59xg) 和 [二叉树：构造一棵最大的二叉树](https://mp.weixin.qq.com/s/1iWJV6Aov23A7xCF4nV88w)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。


## 其他语言版本


Java：
```Java
class Solution {
    public TreeNode sortedArrayToBST(int[] nums) {
        return sortedArrayToBST(nums, 0, nums.length);
    }
    
    public TreeNode sortedArrayToBST(int[] nums, int left, int right) {
        if (left >= right) {
            return null;
        }
        if (right - left == 1) {
            return new TreeNode(nums[left]);
        }
        int mid = left + (right - left) / 2;
        TreeNode root = new TreeNode(nums[mid]);
        root.left = sortedArrayToBST(nums, left, mid);
        root.right = sortedArrayToBST(nums, mid + 1, right);
        return root;
    }
}

```

Python：
```python3
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode:
#     def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
#         self.val = val
#         self.left = left
#         self.right = right
#递归法
class Solution:
    def sortedArrayToBST(self, nums: List[int]) -> TreeNode:
        def buildaTree(left,right):
            if left > right: return None  #左闭右闭的区间，当区间 left > right的时候，就是空节点,当left = right的时候，不为空
            mid = left + (right - left) // 2 #保证数据不会越界
            val = nums[mid]
            root = TreeNode(val)
            root.left = buildaTree(left,mid - 1)
            root.right = buildaTree(mid + 1,right)
            return root
        root = buildaTree(0,len(nums) - 1)  #左闭右闭区间
        return root
```

Go：




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