从零开始写算法——二叉树篇3:对称二叉树 + 二叉树直径

二叉树是数据结构中递归思想的最佳演练场。很多同学在刷题时,往往看答案觉得很简单,自己写却无从下手。

其实,二叉树的递归无非就两种套路:

  1. 怎么传下去?(父节点把要求传给子节点,如判断对称)

  2. 怎么收上来?(子节点把结果汇报给父节点,如计算直径)

今天我们通过两道经典题目(LeetCode 101 和 543),来彻底搞懂这两个套路。


01. 对称二叉树 (Symmetric Tree)

题目解析

我们要判断一棵树是不是轴对称的。这就好比我们在树的中间放一面镜子,左边的样子和右边的样子必须完全重合。

核心逻辑:镜像对比

很多初学者容易犯的错误是:直接判断 root->left 和 root->right 是不是"完全相同"的树。 错! 对称不是"相同",而是"镜像"。

我们可以把这棵大树拆解成无数个小的"三角单元"。对于任意两个对称位置的节点 p(左边那个)和 q(右边那个),如果要满足对称,必须同时满足三个条件:

  1. 值相等 :p 的值必须等于 q 的值。

  2. 外侧对齐 :p 的左孩子(最外侧)必须等于 q 的右孩子(最外侧)。

  3. 内侧对齐 :p 的右孩子(靠近中间)必须等于 q 的左孩子(靠近中间)。

代码深度拆解

C++代码实现:

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    bool isSymmetric(TreeNode* root) {
        // 根节点的左子树和右子树进行镜像对比
        return isSameTree(root->left, root->right);
    }
    
    // 这里虽然函数名叫 isSameTree,但实际逻辑是 checkMirror
    // 作用:判断 p 和 q 两棵树是否互为镜像
    bool isSameTree(TreeNode* p, TreeNode* q) {
        // 1. 递归终止条件:处理空节点的情况
        // 如果两个都为空,说明到底了且匹配,返回 true
        // 如果只有一个为空,说明不对称(结构不同),返回 false
        if (p == nullptr || q == nullptr) return q == p;
        
        // 2. 核心递归逻辑
        // 条件A: 当前节点值必须一样
        // 条件B: p的左边 VS q的右边 (外侧互相对比)
        // 条件C: p的右边 VS q的左边 (内侧互相对比)
        return p->val == q->val 
            && isSameTree(p->left, q->right) 
            && isSameTree(p->right, q->left);
    }
};

为什么这么写? 代码中最精髓的一句是 isSameTree(p->left, q->right) && isSameTree(p->right, q->left)。这正是体现了**"镜像"**的定义。如果你写成了 p->left, q->left,那就是判断两棵树是否完全一样(平移),而不是对称了。

复杂度分析

  • 时间复杂度 :O(N)。 我们需要遍历树中的每一个节点一次。

  • 空间复杂度 :O(H),其中 H 是树的高度。 这里的空间消耗主要来自递归调用的栈空间。在最坏情况下(树退化成链表),高度为 N;最好情况下(完全二叉树),高度为 logN。


02. 二叉树的直径 (Diameter of Binary Tree)

题目解析

这道题要求的是二叉树中任意两个节点间的最长路径长度。 注意一个大坑 :这条最长路径不一定经过根节点。它可能完全存在于左子树内部,也可能在右子树内部。

核心逻辑:后序遍历 + 全局打擂台

既然路径可能出现在任何地方,但所有的路径都有一个共同点:它一定有一个"最高点"(转折点) 。 对于任何一个节点,穿过该节点 的最长路径 = 左子树的最大深度 + 右子树的数据深度。

所以我们的策略是:

  1. 自底向上(后序遍历):先算出子树的深度,再汇报给父节点。

  2. 全局打擂 :在计算深度的过程中,顺便计算"经过当前节点的最长路径",并用一个全局变量 ans 记录历史最大值。

代码深度拆解

C++代码实现:

cpp 复制代码
class Solution {
    // 全局变量维护最大直径
    // 因为最长路径可能不经过根节点,所以需要在遍历过程中实时更新最大值
    int ans = 0;
    
    // 这个函数的定义非常关键:
    // 它的作用是:返回以 root 为根的树的【最大深度】
    // 它的副作用是:更新经过 root 的【最大直径】
    int dfs(TreeNode* root) {
        // 1. 终止条件:空节点深度为 0
        if (root == nullptr) return 0;
        
        // 2. 递归获取左右子树的深度(自底向上)
        int left = dfs(root->left);
        int right = dfs(root->right);
        
        // 3. 【核心逻辑之一:更新答案】
        // 经过当前节点的最长路径 = 左臂长 + 右臂长
        // 这是一条"穿过"当前节点的路径,类似倒"V"字型
        ans = max(ans, left + right);
        
        // 4. 【核心逻辑之二:返回深度】
        // 当前节点要汇报给父节点的是:我这条分支有多长?
        // 我只能选左边或右边更长的一条路继续往上延伸,不能两条都选(那样就分叉了)
        // 所以返回 max(left, right) + 1 (加1是加上当前节点自己)
        return max(left, right) + 1;
    }
    
public:
    int diameterOfBinaryTree(TreeNode* root) {
        dfs(root);
        return ans;
    }
};

为什么这么写? 很多同学搞混淆的地方在于:为什么更新 ans 用加法,而返回值用 max?

  • 更新 ans :我们在找直径 (路径长度)。一条路径穿过当前节点,是把左腿和右腿连起来,所以是 left + right。

  • 返回值 :我们在算深度 (高度)。对于父节点来说,当前节点只是它的一条"腿"。一条路径不能分叉,只能选最长的那条腿往上走,所以是 max(left, right) + 1。

复杂度分析

  • 时间复杂度 :O(N)。 每个节点被访问一次,计算深度是 O(1) 的操作。

  • 空间复杂度 :O(H)。 同样取决于递归栈的深度。最坏情况 O(N),平均情况 O(logN)。


总结

这两道题虽然都是递归,但方向截然不同:

  1. 对称二叉树 是带着任务往下跑:拿着左边的节点去和右边匹配,这是一种自顶向下的逻辑。

  2. 二叉树直径 是带着结果往上报:子节点算好了深度,汇报给父节点,父节点顺便计算一下经过自己的最长路径,这是一种自底向上的逻辑。

掌握了这两种思维,你对二叉树的递归理解就上了一个台阶!

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