面试经典150题[074]：填充每个节点的下一个右侧节点指针 II（LeetCode 117）

填充每个节点的下一个右侧节点指针 II（LeetCode 117）

题目链接：填充每个节点的下一个右侧节点指针 II（LeetCode 117）

难度：中等

1. 题目描述

给你一个二叉树的根节点 root ，请你将其中所有节点的 next 指针指向其右侧的节点。如果没有右侧节点，则 next 指针应设置为 NULL 。

初始时，所有 next 指针都设置为 NULL 。

树节点定义：

python 复制代码

class Node:
    def __init__(self, val: int = 0, left: 'Node' = None, right: 'Node' = None, next: 'Node' = None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right
        self.next = next

要求：

二叉树不一定是完美的（即不一定是满二叉树或完全二叉树）。
节点数 0 <= n <= 6000
-100 <= Node.val <= 100

示例：

复制代码

输入: root = [1,2,3,4,5,null,7]
输出: [1,#,2,3,#,4,5,7,#]
解释: 给定二叉树如图所示，你的函数应该填充它的每个 next 指针，以指向其下一个右侧节点。序列化的输出按层序遍历排列，同一层节点由 next 指针连接，'#' 标志着每一层的结束。

输入: root = []
输出: []

2. 问题分析

2.1 规律

这是一个二叉树问题，需要将同一层的节点通过 next 指针连接起来，形成一个链表。
与 LeetCode 116 不同，本题的树不一定是完美的，因此不能假设每层都有完整的左右子节点。
核心问题：如何在不使用额外空间（如队列）的情况下，高效连接同一层节点？
类似于层序遍历，但需要处理缺失节点的情况。

2.2 贪心思路

我们使用常量空间的层级连接方法：

从根节点开始，逐层处理。
对于每一层，使用一个虚拟节点 dummy 来构建下一层的链表头，并用 tail 指针来连接下一层的子节点。
遍历当前层的节点（通过已连接的 next 指针），为每个节点的左右子节点建立连接：
- 如果有左子节点，连接到 tail.next。
- 如果有右子节点，连接到 tail.next。
当前层遍历结束后，将下一层的头节点设置为 dummy.next，继续处理下一层。
这个方法利用了上一层的 next 指针来遍历当前层，避免使用队列，实现 O(1) 额外空间。
如果树为空或只有根节点，直接返回。

3. 代码实现

Python

python 复制代码

class Solution:
    def connect(self, root: 'Node') -> 'Node':
        if not root:
            return root
        
        head = root
        while head:
            dummy = Node(0)
            tail = dummy
            cur = head
            while cur:
                if cur.left:
                    tail.next = cur.left
                    tail = tail.next
                if cur.right:
                    tail.next = cur.right
                    tail = tail.next
                cur = cur.next
            head = dummy.next
        return root

C++

cpp 复制代码

class Solution {
public:
    Node* connect(Node* root) {
        if (!root) return root;
        
        Node* head = root;
        while (head) {
            Node* dummy = new Node(0);
            Node* tail = dummy;
            Node* cur = head;
            while (cur) {
                if (cur->left) {
                    tail->next = cur->left;
                    tail = tail->next;
                }
                if (cur->right) {
                    tail->next = cur->right;
                    tail = tail->next;
                }
                cur = cur->next;
            }
            head = dummy->next;
            // 注意：在C++中，需要手动删除dummy以避免内存泄漏，但LeetCode环境可忽略
        }
        return root;
    }
};

4. 复杂度分析

时间复杂度：O(n)，遍历每个节点一次。
空间复杂度：O(1)，只使用常量额外空间（不计递归栈或队列）。

5. 总结

连接 next 指针问题 + 非完美二叉树 → 使用虚拟节点构建下一层链表是首选。
核心维护 dummy 和 tail，很通用。
- 类似于优化后的 BFS 层序遍历，但空间为 O(1)。
- 可扩展到完美二叉树的变体（LeetCode 116）。

复习

面试经典150题 $014$ ：加油站（LeetCode 134）

面试经典150题 $044$ ：两数之和（LeetCode 1）

面试经典150题 $059$ ：合并两个有序链表（LeetCode 21）