题⽬描述
请实现两个函数,分别⽤来序列化和反序列化⼆叉树
⼆叉树的序列化是指:把⼀棵⼆叉树按照某种遍历⽅式的结果以某种格式保存为字符串,从⽽使得内存中建⽴起来的⼆叉树可以持久保存。序列化可以基于先序、中序、后序、层序的⼆叉树遍历⽅式来进⾏修改,序列化的结果是⼀个字符串,序列化时通过 某种符号表示空节点( # ),以 ! 表示⼀个结点值的结束( value! )。
⼆叉树的反序列化是指:根据某种遍历顺序得到的序列化字符串结果str ,重构⼆叉树。例如,我们可以把⼀个只有根节点为1的⼆叉树序列化为" 1",然后通过⾃⼰的函数来解析回这个⼆叉树
示例1 输⼊:{8,6,10,5,7,9,11} 返回值:{8,6,10,5,7,9,11}
思路及解答
前序遍历(递归)
利用二叉树的前序遍历顺序(根-左-右)进行序列化,并使用特殊字符(如"#"或"null")表示空节点,以确保树结构的唯一性。
序列化思路:从根节点开始,先输出当前节点的值,然后递归地序列化左子树和右子树。遇到空节点时,输出空标记(如"#")。
反序列化思路:按照前序遍历的顺序,依次从序列化字符串中读取节点值。如果读取到空标记,则返回null;否则,用当前值创建节点,并递归构建其左子树和右子树
java
public class CodecPreOrder {
// 序列化:将二叉树转换为字符串
public String serialize(TreeNode root) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
buildString(root, sb);
// 删除末尾多余的分隔符(如果有)
if (sb.length() > 0) {
sb.setLength(sb.length() - 1);
}
return sb.toString();
}
private void buildString(TreeNode node, StringBuilder sb) {
if (node == null) {
sb.append("#").append(","); // 使用"#"表示空节点
return;
}
sb.append(node.val).append(","); // 先处理根节点
buildString(node.left, sb); // 再递归处理左子树
buildString(node.right, sb); // 最后递归处理右子树
}
// 反序列化:将字符串还原为二叉树
public TreeNode deserialize(String data) {
if (data == null || data.isEmpty()) return null;
// 将字符串按分隔符分割成列表
LinkedList<String> nodes = new LinkedList<>(Arrays.asList(data.split(",")));
return buildTree(nodes);
}
private TreeNode buildTree(LinkedList<String> nodes) {
if (nodes.isEmpty()) return null;
String val = nodes.removeFirst(); // 按前序顺序取出节点值
if (val.equals("#")) return null; // 遇到空标记则返回null
TreeNode root = new TreeNode(Integer.parseInt(val));
root.left = buildTree(nodes); // 递归构建左子树
root.right = buildTree(nodes); // 递归构建右子树
return root;
}
}
- 时间复杂度:O(n),每个节点恰好被访问一次。
- 空间复杂度:O(n),递归调用栈的深度在最坏情况下(树退化为链表)为O(n),序列化字符串长度也与节点数n成线性关系。
层序遍历(迭代)
层序遍历(广度优先搜索)更直观,可以按层级顺序处理节点,适合处理接近完全二叉树的情况。
序列化思路:使用队列辅助进行层序遍历。从根节点开始,将节点值加入字符串,并将其非空子节点(即使是空节点也记录)加入队列,以确保树结构信息完整。
反序列化思路:同样使用队列,根据序列化字符串的顺序,依次为每个非空节点创建其左右子节点
java
public class CodecLevelOrder {
// 序列化:层序遍历二叉树
public String serialize(TreeNode root) {
if (root == null) return "";
StringBuilder sb = new StringBuilder();
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.offer(root);
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode node = queue.poll();
if (node == null) {
sb.append("#,"); // 空节点标记
continue;
}
sb.append(node.val).append(",");
// 即使子节点为空也加入队列,以保留结构信息
queue.offer(node.left);
queue.offer(node.right);
}
// 移除末尾多余的分隔符
sb.setLength(sb.length() - 1);
return sb.toString();
}
// 反序列化:根据层序序列重建树
public TreeNode deserialize(String data) {
if (data == null || data.isEmpty()) return null;
String[] values = data.split(",");
if (values[0].equals("#")) return null;
TreeNode root = new TreeNode(Integer.parseInt(values[0]));
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.offer(root);
int index = 1; // 指向当前待处理子节点的数组位置
while (!queue.isEmpty() && index < values.length) {
TreeNode parent = queue.poll();
// 构建左子节点
if (index < values.length && !values[index].equals("#")) {
parent.left = new TreeNode(Integer.parseInt(values[index]));
queue.offer(parent.left);
}
index++;
// 构建右子节点
if (index < values.length && !values[index].equals("#")) {
parent.right = new TreeNode(Integer.parseInt(values[index]));
queue.offer(parent.right);
}
index++;
}
return root;
}
}
- 时间复杂度:O(n),每个节点入队、出队各一次。
- 空间复杂度:O(n),队列中最多同时存储约n/2个节点(完全二叉树的最后一层)。
二叉搜索树(BST)前序优化
对于二叉搜索树(BST),可以利用其中序遍历为升序的特性,仅通过前序或后序序列即可唯一确定树结构,无需显式存储空节点。
序列化思路:对BST进行前序遍历,将节点值拼接成字符串。由于BST的性质,中序遍历就是节点值的升序排列,因此仅凭前序遍历结果就能唯一确定树结构。
反序列化思路:根据前序遍历结果,第一个元素为根节点。剩余元素中,所有小于根节点的值构成左子树的前序遍历,大于根节点的值构成右子树的前序遍历。递归进行即可重建BST
java
public class CodecBST {
// 序列化:对BST进行前序遍历
public String serialize(TreeNode root) {
if (root == null) return "";
StringBuilder sb = new StringBuilder();
preorderTraversal(root, sb);
return sb.substring(0, sb.length() - 1); // 去掉末尾分隔符
}
private void preorderTraversal(TreeNode node, StringBuilder sb) {
if (node == null) return;
sb.append(node.val).append(" "); // 用空格分隔,注意BST序列化可不显式标记空节点
preorderTraversal(node.left, sb);
preorderTraversal(node.right, sb);
}
// 反序列化:利用BST性质重建树
public TreeNode deserialize(String data) {
if (data.isEmpty()) return null;
// 将字符串转换为整数列表
int[] values = Arrays.stream(data.split(" ")).mapToInt(Integer::parseInt).toArray();
return buildBST(values, 0, values.length - 1);
}
private TreeNode buildBST(int[] preorder, int start, int end) {
if (start > end) return null;
TreeNode root = new TreeNode(preorder[start]);
// 找到右子树的开始索引(第一个大于根节点值的元素)
int rightStart = start + 1;
while (rightStart <= end && preorder[rightStart] < preorder[start]) {
rightStart++;
}
// 递归构建左子树和右子树
root.left = buildBST(preorder, start + 1, rightStart - 1);
root.right = buildBST(preorder, rightStart, end);
return root;
}
}
- 时间复杂度:O(n log n) 最坏情况下(BST退化为链表)为O(n²),平均情况下为O(n log n)。这是因为在重建过程中,需要为每个节点在序列中查找其左右子树的分界点。
- 空间复杂度:O(n),用于存储递归栈和序列化字符串。