算法沉淀——队列+宽度优先搜索(BFS)
- 01.N 叉树的层序遍历
- 02.二叉树的锯齿形层序遍历
- 03.二叉树最大宽度
- 04.在每个树行中找最大值
队列 + 宽度优先搜索算法(Queue + BFS)是一种常用于图的遍历的算法,特别适用于求解最短路径或最少步数等问题。该算法通常用于在图中寻找从起点到目标点的最短路径。
基本思想:
- 初始化队列: 将起始节点放入队列中。
- BFS遍历: 从队列中取出一个节点,遍历与该节点相邻且未访问过的节点,将其加入队列。
- 标记已访问: 标记已访问的节点,避免重复访问。
- 重复步骤2和3: 直到队列为空。
这个算法适用于无权图的最短路径问题。在搜索的过程中,每一层级的节点都会被依次访问,直到找到目标节点。
具体步骤:
- 将起始节点加入队列。
- 进行循环直到队列为空: a. 从队列中取出一个节点。 b. 如果该节点是目标节点,返回结果。 c. 否则,将与该节点相邻且未访问过的节点加入队列,并标记为已访问。
这种算法适用于许多场景,例如迷宫问题、游戏中的寻路问题、网络路由算法、树问题等。在这些问题中,它能够有效地找到最短路径或最优解。
01.N 叉树的层序遍历
题目链接:https://leetcode.cn/problems/n-ary-tree-level-order-traversal/
给定一个 N 叉树,返回其节点值的层序遍历。(即从左到右,逐层遍历)。
树的序列化输入是用层序遍历,每组子节点都由 null 值分隔(参见示例)。
示例 1:
输入:root = [1,null,3,2,4,null,5,6]
输出:[[1],[3,2,4],[5,6]]
示例 2:
输入:root = [1,null,2,3,4,5,null,null,6,7,null,8,null,9,10,null,null,11,null,12,null,13,null,null,14]
输出:[[1],[2,3,4,5],[6,7,8,9,10],[11,12,13],[14]]
提示:
- 树的高度不会超过
1000
- 树的节点总数在
[0, 10^4]
之间
思路
在树的层序遍历中经常要使用到的就是队列和宽度优先搜索算法,这是一道经典的队列和宽度优先搜索算法模板题
-
初始化一个空的二维向量
ret
用于存储层次遍历的结果。 -
如果根节点
root
为空,直接返回空向量ret
。 -
创建一个队列
q
并将根节点入队。 -
进入主循环,该循环将处理每一层的节点: a. 获取当前队列的大小,即当前层的节点数。 b. 创建一个临时向量
tmp
用于存储当前层的节点值。 c. 对于当前层的每个节点:
- 出队一个节点
t
。 - 将节点值
t->val
存入tmp
。 - 将该节点的所有子节点入队,如果子节点非空。 d. 将
tmp
存入ret
。
- 出队一个节点
-
返回最终的层次遍历结果
ret
。
代码
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:int val;vector<Node*> children;Node() {}Node(int _val) {val = _val;}Node(int _val, vector<Node*> _children) {val = _val;children = _children;}
};
*/class Solution {
public:vector<vector<int>> levelOrder(Node* root) {vector<vector<int>> ret;queue<Node*> q;if(!root) return ret;q.push(root);while(q.size()){int n=q.size();vector<int> tmp;for(int i=0;i<n;++i){Node* t=q.front();tmp.push_back(t->val);for(Node* x:t->children) if(x) q.push(x);q.pop();}ret.push_back(tmp);}return ret;}
};
02.二叉树的锯齿形层序遍历
题目链接:https://leetcode.cn/problems/binary-tree-zigzag-level-order-traversal/
给你二叉树的根节点 root
,返回其节点值的 锯齿形层序遍历 。(即先从左往右,再从右往左进行下一层遍历,以此类推,层与层之间交替进行)。
示例 1:
输入:root = [3,9,20,null,null,15,7]
输出:[[3],[20,9],[15,7]]
示例 2:
输入:root = [1]
输出:[[1]]
示例 3:
输入:root = []
输出:[]
提示:
- 树中节点数目在范围
[0, 2000]
内 -100 <= Node.val <= 100
思路
这一题我们仔细理解题意,我们不难发现这题和上一题的区别就是,在偶数行时需要逆序,所以我们只要再添加一个偶数列逆序的操作即可,其余同上。
- 引入一个标志变量
flag
,用于标识当前层次是奇数层还是偶数层。初始化为0。 - 初始化一个队列
q
用于层次遍历,以及一个二维向量ret
用于存储结果。 - 如果根节点
root
为空,直接返回空向量ret
。 - 将根节点入队。
- 进入主循环,该循环处理每一层的节点: a. 获取当前队列的大小,即当前层的节点数,用
s
表示。 b. 递增flag
。 c. 创建一个临时向量tmp
用于存储当前层的节点值。 d. 对于当前层的每个节点:- 出队一个节点
t
。 - 将节点值
t->val
存入tmp
。 - 如果节点
t
的左子节点非空,将其入队。 - 如果节点
t
的右子节点非空,将其入队。 e. 如果flag
为偶数,反转tmp
中的元素顺序。 f. 将tmp
存入ret
。
- 出队一个节点
- 返回最终的层次遍历结果
ret
。
代码
/*** Definition for a binary tree node.* struct TreeNode {* int val;* TreeNode *left;* TreeNode *right;* TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}* };*/
class Solution {
public:vector<vector<int>> zigzagLevelOrder(TreeNode* root) {queue<TreeNode*> q;vector<vector<int>> ret;if(!root) return ret;q.push(root);int flag=0;while(q.size()){int s=q.size();flag++;vector<int> tmp;for(int i=0;i<s;++i){TreeNode* t=q.front();tmp.push_back(t->val);q.pop();if(t->left) q.push(t->left);if(t->right) q.push(t->right);}if(flag%2==0) reverse(tmp.begin(),tmp.end());ret.push_back(tmp);}return ret;}
};
03.二叉树最大宽度
题目链接:https://leetcode.cn/problems/maximum-width-of-binary-tree
给你一棵二叉树的根节点 root
,返回树的 最大宽度 。
树的 最大宽度 是所有层中最大的 宽度 。
每一层的 宽度 被定义为该层最左和最右的非空节点(即,两个端点)之间的长度。将这个二叉树视作与满二叉树结构相同,两端点间会出现一些延伸到这一层的 null
节点,这些 null
节点也计入长度。
题目数据保证答案将会在 32 位 带符号整数范围内。
示例 1:
输入:root = [1,3,2,5,3,null,9]
输出:4
解释:最大宽度出现在树的第 3 层,宽度为 4 (5,3,null,9) 。
示例 2:
输入:root = [1,3,2,5,null,null,9,6,null,7]
输出:7
解释:最大宽度出现在树的第 4 层,宽度为 7 (6,null,null,null,null,null,7) 。
示例 3:
输入:root = [1,3,2,5]
输出:2
解释:最大宽度出现在树的第 2 层,宽度为 2 (3,2) 。
提示:
- 树中节点的数目范围是
[1, 3000]
-100 <= Node.val <= 100
思路
这道题最大的坑点在于如果二叉树极度不平衡,若使用模拟的方式,空节点也进行插入操作去计算的话,空间是远远不够的,所以这里我们不能像前面两题这样操作,我们可以通过计算每层插入节点的头和尾下标差值,并使用vector来模拟队列操作,每次都覆盖前一层,以防超出内存,还有计算差值,我们使用无符号整型,这样我们可以避免数据溢出带来的计算错误的值
- 定义一个队列
q
,其中每个元素是一个pair
,包含一个二叉树节点指针和该节点在完全二叉树中的编号。 - 将根节点和其对应编号 1 放入队列
q
中。 - 初始化一个变量
ret
用于存储最大宽度。 - 进入主循环,该循环用于遍历二叉树的每一层。 a. 获取当前队列的首尾元素,即队列中最左边和最右边的节点及其编号。 b. 计算当前层的宽度,即
y2 - y1 + 1
,其中y1
是最左边节点的编号,y2
是最右边节点的编号。 c. 更新ret
,取ret
和当前层宽度的较大值。 d. 创建一个临时队列tmp
。 e. 遍历队列q
中的每个节点:- 如果节点有左子节点,将左子节点及其编号(编号乘以 2)加入
tmp
。 - 如果节点有右子节点,将右子节点及其编号(编号乘以 2 加 1)加入
tmp
。 f. 将tmp
赋值给队列q
。
- 如果节点有左子节点,将左子节点及其编号(编号乘以 2)加入
- 返回最终的宽度
ret
。
代码
/*** Definition for a binary tree node.* struct TreeNode {* int val;* TreeNode *left;* TreeNode *right;* TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}* };*/
class Solution {
public:int widthOfBinaryTree(TreeNode* root) {vector<pair<TreeNode*,unsigned int>> q;q.push_back({root,1});unsigned int ret=0;while(q.size()){auto& [x1,y1]=q[0];auto& [x2,y2]=q.back();ret=max(ret,y2-y1+1);vector<pair<TreeNode*,unsigned int>> tmp;for(auto& [x,y]:q){if(x->left) tmp.push_back({x->left,y*2});if(x->right) tmp.push_back({x->right,y*2+1});}q=tmp; }return ret;}
};
04.在每个树行中找最大值
题目链接:https://leetcode.cn/problems/find-largest-value-in-each-tree-row/
给定一棵二叉树的根节点 root
,请找出该二叉树中每一层的最大值。
示例1:
输入: root = [1,3,2,5,3,null,9]
输出: [1,3,9]
示例2:
输入: root = [1,2,3]
输出: [1,3]
提示:
- 二叉树的节点个数的范围是
[0,104]
-231 <= Node.val <= 231 - 1
思路
根据前面几个题型,我们不难想到,无非就是在层序遍历的基础上增加一个每层的最大值计算,在之前的基础上增加条件即可。
- 定义一个队列
q
,其中每个元素是二叉树节点指针。 - 将根节点放入队列
q
中。 - 初始化一个空的数组
ret
,用于存储每一层的最大值。 - 进入主循环,该循环用于遍历二叉树的每一层。 a. 初始化一个变量
m
为INT_MIN
,用于记录当前层的最大值。 b. 获取当前队列的大小(即当前层的节点数)。 c. 遍历当前层的每个节点:- 弹出队列的首元素,即最左边的节点。
- 更新
m
,取m
和当前节点值的较大值。 - 如果节点有左子节点,将左子节点加入队列
q
。 - 如果节点有右子节点,将右子节点加入队列
q
。 d. 将m
添加到数组ret
中。
- 返回最终的数组
ret
,其中包含了每一层的最大值。
代码
/*** Definition for a binary tree node.* struct TreeNode {* int val;* TreeNode *left;* TreeNode *right;* TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}* TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}* };*/
class Solution {
public:vector<int> largestValues(TreeNode* root) {queue<TreeNode*> q;vector<int> ret;if(!root) return ret;q.push(root);while(q.size()){int m=INT_MIN;int n=q.size();for(int i=0;i<n;++i){auto t=q.front();q.pop();m=max(m,t->val);if(t->left) q.push(t->left);if(t->right) q.push(t->right);}ret.push_back(m);}return ret;}
};