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> 以为只用了递归,其实还用了回溯 # 257. 二叉树的所有路径 [力扣题目链接](https://leetcode.cn/problems/binary-tree-paths/) 给定一个二叉树,返回所有从根节点到叶子节点的路径。 说明: 叶子节点是指没有子节点的节点。 示例: ![257.二叉树的所有路径1](https://code-thinking-1253855093.file.myqcloud.com/pics/2021020415161576.png) # 思路 **《代码随想录》算法视频公开课:[递归中带着回溯,你感受到了没?| LeetCode:257. 二叉树的所有路径](https://www.bilibili.com/video/BV1ZG411G7Dh),相信结合视频在看本篇题解,更有助于大家对本题的理解**。 这道题目要求从根节点到叶子的路径,所以需要前序遍历,这样才方便让父节点指向孩子节点,找到对应的路径。 在这道题目中将第一次涉及到回溯,因为我们要把路径记录下来,需要回溯来回退一个路径再进入另一个路径。 前序遍历以及回溯的过程如图: ![257.二叉树的所有路径](https://code-thinking-1253855093.file.myqcloud.com/pics/20210204151702443.png) 我们先使用递归的方式,来做前序遍历。**要知道递归和回溯就是一家的,本题也需要回溯。** ## 递归 1. 递归函数参数以及返回值 要传入根节点,记录每一条路径的path,和存放结果集的result,这里递归不需要返回值,代码如下: ``` void traversal(TreeNode* cur, vector& path, vector& result) ``` 2. 确定递归终止条件 在写递归的时候都习惯了这么写: ``` if (cur == NULL) { 终止处理逻辑 } ``` 但是本题的终止条件这样写会很麻烦,因为本题要找到叶子节点,就开始结束的处理逻辑了(把路径放进result里)。 **那么什么时候算是找到了叶子节点?** 是当 cur不为空,其左右孩子都为空的时候,就找到叶子节点。 所以本题的终止条件是: ``` if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { 终止处理逻辑 } ``` 为什么没有判断cur是否为空呢,因为下面的逻辑可以控制空节点不入循环。 再来看一下终止处理的逻辑。 这里使用vector 结构path来记录路径,所以要把vector 结构的path转为string格式,再把这个string 放进 result里。 **那么为什么使用了vector 结构来记录路径呢?** 因为在下面处理单层递归逻辑的时候,要做回溯,使用vector方便来做回溯。 可能有的同学问了,我看有些人的代码也没有回溯啊。 **其实是有回溯的,只不过隐藏在函数调用时的参数赋值里**,下文我还会提到。 这里我们先使用vector结构的path容器来记录路径,那么终止处理逻辑如下: ```CPP if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { // 遇到叶子节点 string sPath; for (int i = 0; i < path.size() - 1; i++) { // 将path里记录的路径转为string格式 sPath += to_string(path[i]); sPath += "->"; } sPath += to_string(path[path.size() - 1]); // 记录最后一个节点(叶子节点) result.push_back(sPath); // 收集一个路径 return; } ``` 3. 确定单层递归逻辑 因为是前序遍历,需要先处理中间节点,中间节点就是我们要记录路径上的节点,先放进path中。 `path.push_back(cur->val);` 然后是递归和回溯的过程,上面说过没有判断cur是否为空,那么在这里递归的时候,如果为空就不进行下一层递归了。 所以递归前要加上判断语句,下面要递归的节点是否为空,如下 ``` if (cur->left) { traversal(cur->left, path, result); } if (cur->right) { traversal(cur->right, path, result); } ``` 此时还没完,递归完,要做回溯啊,因为path 不能一直加入节点,它还要删节点,然后才能加入新的节点。 那么回溯要怎么回溯呢,一些同学会这么写,如下: ```CPP if (cur->left) { traversal(cur->left, path, result); } if (cur->right) { traversal(cur->right, path, result); } path.pop_back(); ``` 这个回溯就有很大的问题,我们知道,**回溯和递归是一一对应的,有一个递归,就要有一个回溯**,这么写的话相当于把递归和回溯拆开了, 一个在花括号里,一个在花括号外。 **所以回溯要和递归永远在一起,世界上最遥远的距离是你在花括号里,而我在花括号外!** 那么代码应该这么写: ```CPP if (cur->left) { traversal(cur->left, path, result); path.pop_back(); // 回溯 } if (cur->right) { traversal(cur->right, path, result); path.pop_back(); // 回溯 } ``` 那么本题整体代码如下: ```CPP // 版本一 class Solution { private: void traversal(TreeNode* cur, vector& path, vector& result) { path.push_back(cur->val); // 中,中为什么写在这里,因为最后一个节点也要加入到path中 // 这才到了叶子节点 if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { string sPath; for (int i = 0; i < path.size() - 1; i++) { sPath += to_string(path[i]); sPath += "->"; } sPath += to_string(path[path.size() - 1]); result.push_back(sPath); return; } if (cur->left) { // 左 traversal(cur->left, path, result); path.pop_back(); // 回溯 } if (cur->right) { // 右 traversal(cur->right, path, result); path.pop_back(); // 回溯 } } public: vector binaryTreePaths(TreeNode* root) { vector result; vector path; if (root == NULL) return result; traversal(root, path, result); return result; } }; ``` 如上的C++代码充分体现了回溯。 那么如上代码可以精简成如下代码: ```CPP class Solution { private: void traversal(TreeNode* cur, string path, vector& result) { path += to_string(cur->val); // 中 if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { result.push_back(path); return; } if (cur->left) traversal(cur->left, path + "->", result); // 左 if (cur->right) traversal(cur->right, path + "->", result); // 右 } public: vector binaryTreePaths(TreeNode* root) { vector result; string path; if (root == NULL) return result; traversal(root, path, result); return result; } }; ``` 如上代码精简了不少,也隐藏了不少东西。 注意在函数定义的时候`void traversal(TreeNode* cur, string path, vector& result)` ,定义的是`string path`,每次都是复制赋值,不用使用引用,否则就无法做到回溯的效果。(这里涉及到C++语法知识) 那么在如上代码中,**貌似没有看到回溯的逻辑,其实不然,回溯就隐藏在`traversal(cur->left, path + "->", result);`中的 `path + "->"`。** 每次函数调用完,path依然是没有加上"->" 的,这就是回溯了。 为了把这份精简代码的回溯过程展现出来,大家可以试一试把: ```CPP if (cur->left) traversal(cur->left, path + "->", result); // 左 回溯就隐藏在这里 ``` 改成如下代码: ```CPP path += "->"; traversal(cur->left, path, result); // 左 ``` 即: ```CPP if (cur->left) { path += "->"; traversal(cur->left, path, result); // 左 } if (cur->right) { path += "->"; traversal(cur->right, path, result); // 右 } ``` 此时就没有回溯了,这个代码就是通过不了的了。 如果想把回溯加上,就要 在上面代码的基础上,加上回溯,就可以AC了。 ```CPP if (cur->left) { path += "->"; traversal(cur->left, path, result); // 左 path.pop_back(); // 回溯 '>' path.pop_back(); // 回溯 '-' } if (cur->right) { path += "->"; traversal(cur->right, path, result); // 右 path.pop_back(); // 回溯 '>' path.pop_back(); // 回溯 '-' } ``` 整体代码如下: ```CPP //版本二 class Solution { private: void traversal(TreeNode* cur, string path, vector& result) { path += to_string(cur->val); // 中,中为什么写在这里,因为最后一个节点也要加入到path中 if (cur->left == NULL && cur->right == NULL) { result.push_back(path); return; } if (cur->left) { path += "->"; traversal(cur->left, path, result); // 左 path.pop_back(); // 回溯 '>' path.pop_back(); // 回溯 '-' } if (cur->right) { path += "->"; traversal(cur->right, path, result); // 右 path.pop_back(); // 回溯'>' path.pop_back(); // 回溯 '-' } } public: vector binaryTreePaths(TreeNode* root) { vector result; string path; if (root == NULL) return result; traversal(root, path, result); return result; } }; ``` **大家应该可以感受出来,如果把 `path + "->"`作为函数参数就是可以的,因为并没有改变path的数值,执行完递归函数之后,path依然是之前的数值(相当于回溯了)** **综合以上,第二种递归的代码虽然精简但把很多重要的点隐藏在了代码细节里,第一种递归写法虽然代码多一些,但是把每一个逻辑处理都完整的展现出来了。** ## 拓展 这里讲解本题解的写法逻辑以及一些更具体的细节,下面的讲解中,涉及到C++语法特性,如果不是C++的录友,就可以不看了,避免越看越晕。 如果是C++的录友,建议本题独立刷过两遍,再看下面的讲解,同样避免越看越晕,造成不必要的负担。 在第二版本的代码中,其实仅仅是回溯了 `->` 部分(调用两次pop_back,一个pop`>` 一次pop`-`),大家应该疑惑那么 `path += to_string(cur->val);` 这一步为什么没有回溯呢? 一条路径能持续加节点 不做回溯吗? 其实关键还在于 参数,使用的是 `string path`,这里并没有加上引用`&` ,即本层递归中,path + 该节点数值,但该层递归结束,上一层path的数值并不会受到任何影响。 如图所示: ![](https://code-thinking-1253855093.file.myqcloud.com/pics/20220831173322.png) 节点4 的path,在遍历到节点3,path+3,遍历节点3的递归结束之后,返回节点4(回溯的过程),path并不会把3加上。 所以这是参数中,不带引用,不做地址拷贝,只做内容拷贝的效果。(这里涉及到C++引用方面的知识) 在第一个版本中,函数参数我就使用了引用,即 `vector& path` ,这是会拷贝地址的,所以 本层递归逻辑如果有`path.push_back(cur->val);` 就一定要有对应的 `path.pop_back()` 那有同学可能想,为什么不去定义一个 `string& path` 这样的函数参数呢,然后也可能在递归函数中展现回溯的过程,但关键在于,`path += to_string(cur->val);` 每次是加上一个数字,这个数字如果是个位数,那好说,就调用一次`path.pop_back()`,但如果是 十位数,百位数,千位数呢? 百位数就要调用三次`path.pop_back()`,才能实现对应的回溯操作,这样代码实现就太冗余了。 所以,第一个代码版本中,我才使用 vector 类型的path,这样方便给大家演示代码中回溯的操作。 vector类型的path,不管 每次 路径收集的数字是几位数,总之一定是int,所以就一次 pop_back就可以。 ## 迭代法 至于非递归的方式,我们可以依然可以使用前序遍历的迭代方式来模拟遍历路径的过程,对该迭代方式不了解的同学,可以看文章[二叉树:听说递归能做的,栈也能做!](https://programmercarl.com/二叉树的迭代遍历.html)和[二叉树:前中后序迭代方式统一写法](https://programmercarl.com/二叉树的统一迭代法.html)。 这里除了模拟递归需要一个栈,同时还需要一个栈来存放对应的遍历路径。 C++代码如下: ```CPP class Solution { public: vector binaryTreePaths(TreeNode* root) { stack treeSt;// 保存树的遍历节点 stack pathSt; // 保存遍历路径的节点 vector result; // 保存最终路径集合 if (root == NULL) return result; treeSt.push(root); pathSt.push(to_string(root->val)); while (!treeSt.empty()) { TreeNode* node = treeSt.top(); treeSt.pop(); // 取出节点 中 string path = pathSt.top();pathSt.pop(); // 取出该节点对应的路径 if (node->left == NULL && node->right == NULL) { // 遇到叶子节点 result.push_back(path); } if (node->right) { // 右 treeSt.push(node->right); pathSt.push(path + "->" + to_string(node->right->val)); } if (node->left) { // 左 treeSt.push(node->left); pathSt.push(path + "->" + to_string(node->left->val)); } } return result; } }; ``` 当然,使用java的同学,可以直接定义一个成员变量为object的栈`Stack stack = new Stack<>();`,这样就不用定义两个栈了,都放到一个栈里就可以了。 # 总结 **本文我们开始初步涉及到了回溯,很多同学过了这道题目,可能都不知道自己其实使用了回溯,回溯和递归都是相伴相生的。** 我在第一版递归代码中,把递归与回溯的细节都充分的展现了出来,大家可以自己感受一下。 第二版递归代码对于初学者其实非常不友好,代码看上去简单,但是隐藏细节于无形。 最后我依然给出了迭代法。 对于本题充分了解递归与回溯的过程之后,有精力的同学可以再去实现迭代法。 # 其他语言版本 ## Java: ```Java //解法一 class Solution { /** * 递归法 */ public List binaryTreePaths(TreeNode root) { List res = new ArrayList<>();// 存最终的结果 if (root == null) { return res; } List paths = new ArrayList<>();// 作为结果中的路径 traversal(root, paths, res); return res; } private void traversal(TreeNode root, List paths, List res) { paths.add(root.val);// 前序遍历,中 // 遇到叶子结点 if (root.left == null && root.right == null) { // 输出 StringBuilder sb = new StringBuilder();// StringBuilder用来拼接字符串,速度更快 for (int i = 0; i < paths.size() - 1; i++) { sb.append(paths.get(i)).append("->"); } sb.append(paths.get(paths.size() - 1));// 记录最后一个节点 res.add(sb.toString());// 收集一个路径 return; } // 递归和回溯是同时进行,所以要放在同一个花括号里 if (root.left != null) { // 左 traversal(root.left, paths, res); paths.remove(paths.size() - 1);// 回溯 } if (root.right != null) { // 右 traversal(root.right, paths, res); paths.remove(paths.size() - 1);// 回溯 } } } ``` ```java // 解法2 class Solution { /** * 迭代法 */ public List binaryTreePaths(TreeNode root) { List result = new ArrayList<>(); if (root == null) return result; Stack stack = new Stack<>(); // 节点和路径同时入栈 stack.push(root); stack.push(root.val + ""); while (!stack.isEmpty()) { // 节点和路径同时出栈 String path = (String) stack.pop(); TreeNode node = (TreeNode) stack.pop(); // 若找到叶子节点 if (node.left == null && node.right == null) { result.add(path); } //右子节点不为空 if (node.right != null) { stack.push(node.right); stack.push(path + "->" + node.right.val); } //左子节点不为空 if (node.left != null) { stack.push(node.left); stack.push(path + "->" + node.left.val); } } return result; } } ``` --- ## Python: 递归法+回溯(版本一) ```Python # 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 import copy from typing import List, Optional class Solution: def binaryTreePaths(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[str]: if not root: return [] result = [] self.generate_paths(root, [], result) return result def generate_paths(self, node: TreeNode, path: List[int], result: List[str]) -> None: path.append(node.val) if not node.left and not node.right: result.append('->'.join(map(str, path))) if node.left: self.generate_paths(node.left, copy.copy(path), result) if node.right: self.generate_paths(node.right, copy.copy(path), result) path.pop() ``` 递归法+回溯(版本二) ```Python # 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 import copy from typing import List, Optional class Solution: def binaryTreePaths(self, root: Optional[TreeNode]) -> List[str]: if not root: return [] result = [] self.generate_paths(root, [], result) return result def generate_paths(self, node: TreeNode, path: List[int], result: List[str]) -> None: if not node: return path.append(node.val) if not node.left and not node.right: result.append('->'.join(map(str, path))) else: self.generate_paths(node.left, copy.copy(path), result) self.generate_paths(node.right, copy.copy(path), result) path.pop() ``` 递归法+隐形回溯 ```Python # 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 class Solution: def binaryTreePaths(self, root: TreeNode) -> List[str]: path = '' result = [] if not root: return result self.traversal(root, path, result) return result def traversal(self, cur: TreeNode, path: str, result: List[str]) -> None: path += str(cur.val) # 若当前节点为leave,直接输出 if not cur.left and not cur.right: result.append(path) if cur.left: # + '->' 是隐藏回溯 self.traversal(cur.left, path + '->', result) if cur.right: self.traversal(cur.right, path + '->', result) ``` 迭代法: ```Python from collections import deque class Solution: """二叉树的所有路径 迭代法""" def binaryTreePaths(self, root: TreeNode) -> List[str]: # 题目中节点数至少为1 stack, path_st, result = deque([root]), deque(), [] path_st.append(str(root.val)) while stack: cur = stack.pop() path = path_st.pop() # 如果当前节点为叶子节点,添加路径到结果中 if not (cur.left or cur.right): result.append(path) if cur.right: stack.append(cur.right) path_st.append(path + '->' + str(cur.right.val)) if cur.left: stack.append(cur.left) path_st.append(path + '->' + str(cur.left.val)) return result ``` --- ## Go: 递归法: ```go func binaryTreePaths(root *TreeNode) []string { res := make([]string, 0) var travel func(node *TreeNode, s string) travel = func(node *TreeNode, s string) { if node.Left == nil && node.Right == nil { v := s + strconv.Itoa(node.Val) res = append(res, v) return } s = s + strconv.Itoa(node.Val) + "->" if node.Left != nil { travel(node.Left, s) } if node.Right != nil { travel(node.Right, s) } } travel(root, "") return res } ``` 迭代法: ```go func binaryTreePaths(root *TreeNode) []string { stack := []*TreeNode{} paths := make([]string, 0) res := make([]string, 0) if root != nil { stack = append(stack, root) paths = append(paths, "") } for len(stack) > 0 { l := len(stack) node := stack[l-1] path := paths[l-1] stack = stack[:l-1] paths = paths[:l-1] if node.Left == nil && node.Right == nil { res = append(res, path+strconv.Itoa(node.Val)) continue } if node.Right != nil { stack = append(stack, node.Right) paths = append(paths, path+strconv.Itoa(node.Val)+"->") } if node.Left != nil { stack = append(stack, node.Left) paths = append(paths, path+strconv.Itoa(node.Val)+"->") } } return res } ``` --- ## JavaScript: 递归法: ```javascript var binaryTreePaths = function(root) { //递归遍历+递归三部曲 let res = []; //1. 确定递归函数 函数参数 const getPath = function(node,curPath) { //2. 确定终止条件,到叶子节点就终止 if(node.left === null && node.right === null) { curPath += node.val; res.push(curPath); return; } //3. 确定单层递归逻辑 curPath += node.val + '->'; node.left && getPath(node.left, curPath); node.right && getPath(node.right, curPath); } getPath(root, ''); return res; }; ``` 迭代法: ```javascript var binaryTreePaths = function(root) { if (!root) return []; const stack = [root], paths = [''], res = []; while (stack.length) { const node = stack.pop(); let path = paths.pop(); if (!node.left && !node.right) { // 到叶子节点终止, 添加路径到结果中 res.push(path + node.val); continue; } path += node.val + '->'; if (node.right) { // 右节点存在 stack.push(node.right); paths.push(path); } if (node.left) { // 左节点存在 stack.push(node.left); paths.push(path); } } return res; }; ``` ## TypeScript: > 递归法 ```typescript function binaryTreePaths(root: TreeNode | null): string[] { function recur(node: TreeNode, route: string, resArr: string[]): void { route += String(node.val); if (node.left === null && node.right === null) { resArr.push(route); return; } if (node.left !== null) recur(node.left, route + '->', resArr); if (node.right !== null) recur(node.right, route + '->', resArr); } const resArr: string[] = []; if (root === null) return resArr; recur(root, '', resArr); return resArr; }; ``` > 迭代法 ```typescript // 迭代法2 function binaryTreePaths(root: TreeNode | null): string[] { let helperStack: TreeNode[] = []; let tempNode: TreeNode; let routeArr: string[] = []; let resArr: string[] = []; if (root !== null) { helperStack.push(root); routeArr.push(String(root.val)); }; while (helperStack.length > 0) { tempNode = helperStack.pop()!; let route: string = routeArr.pop()!; // tempNode 对应的路径 if (tempNode.left === null && tempNode.right === null) { resArr.push(route); } if (tempNode.right !== null) { helperStack.push(tempNode.right); routeArr.push(route + '->' + tempNode.right.val); // tempNode.right 对应的路径 } if (tempNode.left !== null) { helperStack.push(tempNode.left); routeArr.push(route + '->' + tempNode.left.val); // tempNode.left 对应的路径 } } return resArr; }; ``` ## Swift: > 递归/回溯 ```swift func binaryTreePaths(_ root: TreeNode?) -> [String] { var res = [String]() guard let root = root else { return res } var path = [Int]() _binaryTreePaths(root, path: &path, res: &res) return res } func _binaryTreePaths(_ root: TreeNode, path: inout [Int], res: inout [String]) { path.append(root.val) if root.left == nil && root.right == nil { var str = "" for i in 0 ..< path.count - 1 { str.append("\(path[i])->") } str.append("\(path.last!)") res.append(str) return } if let left = root.left { _binaryTreePaths(left, path: &path, res: &res) path.removeLast() } if let right = root.right { _binaryTreePaths(right, path: &path, res: &res) path.removeLast() } } ``` > 迭代 ```swift func binaryTreePaths(_ root: TreeNode?) -> [String] { var res = [String]() guard let root = root else { return res } var stackNode = [TreeNode]() stackNode.append(root) var stackStr = [String]() stackStr.append("\(root.val)") while !stackNode.isEmpty { let node = stackNode.popLast()! let str = stackStr.popLast()! if node.left == nil && node.right == nil { res.append(str) } if let left = node.left { stackNode.append(left) stackStr.append("\(str)->\(left.val)") } if let right = node.right { stackNode.append(right) stackStr.append("\(str)->\(right.val)") } } return res } ``` ## Scala: 递归: ```scala object Solution { import scala.collection.mutable.ListBuffer def binaryTreePaths(root: TreeNode): List[String] = { val res = ListBuffer[String]() def traversal(curNode: TreeNode, path: ListBuffer[Int]): Unit = { path.append(curNode.value) if (curNode.left == null && curNode.right == null) { res.append(path.mkString("->")) // mkString函数: 将数组的所有值按照指定字符串拼接 return // 处理完可以直接return } if (curNode.left != null) { traversal(curNode.left, path) path.remove(path.size - 1) } if (curNode.right != null) { traversal(curNode.right, path) path.remove(path.size - 1) } } traversal(root, ListBuffer[Int]()) res.toList } } ``` rust: ```rust // 递归 impl Solution { pub fn binary_tree_paths(root: Option>>) -> Vec { let mut res = vec![]; Self::recur(&root, String::from(""), &mut res); res } pub fn recur(node: &Option>>, mut path: String, res: &mut Vec) { let r = node.as_ref().unwrap().borrow(); path += format!("{}", r.val).as_str(); if r.left.is_none() && r.right.is_none() { res.push(path.to_string()); return; } if r.left.is_some() { Self::recur(&r.left, path.clone() + "->", res); } if r.right.is_some() { Self::recur(&r.right, path + "->", res); } } } ```