BFS 与 DFS——力扣102.二叉树的层序遍历

力扣102.二叉树的层序遍历


LeetCode 102. 二叉树的层序遍历:从 BFS 到 DFS 的两种写法详解

一、题目描述

给定一个二叉树的根节点 root,返回其节点值的层序遍历结果。

层序遍历是指 逐层从左到右 地访问所有节点。


示例 1:

复制代码
输入:root = [3,9,20,null,null,15,7]
输出:[[3],[9,20],[15,7]]

示例 2:

复制代码
输入:root = [1]
输出:[[1]]

示例 3:

复制代码
输入:root = []
输出:[]

提示:

  • 树中节点数量范围:[0, 2000]
  • 节点值范围:[-1000, 1000]

二、题意分析

层序遍历是最经典的 广度优先搜索(BFS) 场景之一。

核心思想是利用队列(Queue)逐层存储节点:

  1. 每次取出队列中当前层的所有节点;
  2. 访问它们的值;
  3. 将它们的左右孩子加入队列;
  4. 重复直到队列为空。

此外,也可以用 深度优先搜索(DFS) 结合层数信息实现相同的效果。


三、解法一:BFS(队列实现)

1. 思路讲解

  • 创建一个队列 Queue<TreeNode>

  • 初始时将根节点入队;

  • 当队列不为空时:

    • 记录当前层的节点数量;
    • 遍历该层的所有节点,取出节点值;
    • 将左右子节点加入队列;
    • 将本层结果加入最终结果列表。

2. 代码实现(推荐写法)

java 复制代码
import java.util.*;

class Solution {
    public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        if (root == null) return result;

        Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(root);

        while (!queue.isEmpty()) {
            int size = queue.size();
            List<Integer> level = new ArrayList<>();

            for (int i = 0; i < size; i++) {
                TreeNode node = queue.poll();
                level.add(node.val);

                if (node.left != null) queue.offer(node.left);
                if (node.right != null) queue.offer(node.right);
            }

            result.add(level);
        }

        return result;
    }
}

3. 复杂度分析

项目 复杂度 说明
时间复杂度 O(n) 每个节点访问一次
空间复杂度 O(n) 队列最多存储一层节点

四、解法二:DFS(递归实现)

1. 思路讲解

使用 DFS 递归时,传入当前节点与层数 level

  • result.size() == level,说明是新的一层,需要新建一个列表;
  • 将当前节点的值添加到对应层的列表中;
  • 递归访问左子树与右子树,层数加 1。

2. 代码实现

java 复制代码
import java.util.*;

class Solution {
    public List<List<Integer>> levelOrder(TreeNode root) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        dfs(root, 0, result);
        return result;
    }

    private void dfs(TreeNode node, int level, List<List<Integer>> result) {
        if (node == null) return;

        if (result.size() == level) {
            result.add(new ArrayList<>());
        }

        result.get(level).add(node.val);

        dfs(node.left, level + 1, result);
        dfs(node.right, level + 1, result);
    }
}

3. 复杂度分析

项目 复杂度 说明
时间复杂度 O(n) 每个节点遍历一次
空间复杂度 O(h) 递归栈高度为树的高度(最坏 O(n))

五、方法对比总结

方法 思路核心 是否递归 时间复杂度 空间复杂度 适用场景
BFS 队列逐层扫描 O(n) O(n) 常规、直观
DFS 递归分层收集 O(n) O(h) 适合喜欢递归思维者

六、拓展思考

  1. 层序遍历变体:

    • 自底向上的层序遍历(反转结果列表);
    • 每层节点平均值;
    • 锯齿形层序遍历(Zigzag Level Order)。
  2. 面试延伸:

    • 层序遍历在 BFS、图搜索、最短路径问题中均有广泛应用;
    • 掌握 BFS 思路后,可以轻松应对拓扑排序、岛屿问题等题型。

七、总结

  • 核心模板: 队列存当前层节点,遍历时入下一层;
  • 可选写法: 递归 DFS,通过层数控制分层;
  • 掌握层序遍历思想,是理解 BFS 核心的关键一步。

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