Q144-二叉树的前序遍历-中等-树

144. 二叉树的前序遍历

Question

给你二叉树的根节点 root ，返回它节点值的前序遍历。

Example 1:

输入：root = [1,null,2,3] 输出：[1,2,3]

Example 2:

输入：root = [] 输出：[]

提示：

树中节点数目在范围 [0, 100] 内

-100 <= Node.val <= 100

进阶： 递归算法很简单，你可以通过迭代算法完成吗？

Approach 1: 递归

思路与算法

首先我们需要了解什么是二叉树的前序遍历：按照访问根节点——左子树——右子树的方式遍历这棵树，而在访问左子树或者右子树的时候，我们按照同样的方式遍历，直到遍历完整棵树。因此整个遍历过程天然具有递归的性质，我们可以直接用递归函数来模拟这一过程。

定义 preorder(root) 表示当前遍历到 root 节点的答案。按照定义，我们只要首先将 root 节点的值加入答案，然后递归调用 preorder(root.left) 来遍历 root 节点的左子树，最后递归调用 preorder(root.right) 来遍历 root 节点的右子树即可，递归终止的条件为碰到空节点。

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        def preorder(root: TreeNode):
            if not root:
                return
            res.append(root.val)
            preorder(root.left)
            preorder(root.right)

        res = list()
        preorder(root)
        return res

复杂度分析

时间复杂度：，其中 n 是二叉树的节点数。每一个节点恰好被遍历一次。
空间复杂度：，为递归过程中栈的开销，平均情况下为，最坏情况下树呈现链状，为。

Approach 2: 迭代

我们也可以用迭代的方式实现方法一的递归函数，两种方式是等价的，区别在于递归的时候隐式地维护了一个栈，而我们在迭代的时候需要显式地将这个栈模拟出来，其余的实现与细节都相同，具体可以参考下面的代码。

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        res = list()
        if not root:
            return res

        stack = []
        node = root
        while stack or node:
            while node:
                res.append(node.val)
                stack.append(node)
                node = node.left
            node = stack.pop()
            node = node.right
        return res

复杂度分析

时间复杂度：O(n)，其中 n 是二叉树的节点数。每一个节点恰好被遍历一次。
空间复杂度：O(n)，为迭代过程中显式栈的开销，平均情况下为 O(logn)，最坏情况下树呈现链状，为 O(n)。

Approach 3: Morris 遍历

有一种巧妙的方法可以在线性时间内，只占用常数空间来实现前序遍历。这种方法由 J. H. Morris 在 1979 年的论文「Traversing Binary Trees Simply and Cheaply」中首次提出，因此被称为 Morris 遍历。

Morris 遍历的核心思想是利用树的大量空闲指针，实现空间开销的极限缩减。其前序遍历规则总结如下：

新建临时节点，令该节点为 root；
如果当前节点的左子节点为空，将当前节点加入答案，并遍历当前节点的右子节点；
如果当前节点的左子节点不为空，在当前节点的左子树中找到当前节点在中序遍历下的前驱节点：
- 如果前驱节点的右子节点为空，将前驱节点的右子节点设置为当前节点。然后将当前节点加入答案，并将前驱节点的右子节点更新为当前节点。当前节点更新为当前节点的左子节点。
- 如果前驱节点的右子节点为当前节点，将它的右子节点重新设为空。当前节点更新为当前节点的右子节点。
重复步骤 2 和步骤 3，直到遍历结束。

这样我们利用 Morris 遍历的方法，前序遍历该二叉树，即可实现线性时间与常数空间的遍历。

class Solution:
    def preorderTraversal(self, root: TreeNode) -> List[int]:
        res = list()
        if not root:
            return res

        p1 = root
        while p1:
            p2 = p1.left
            if p2:
                while p2.right and p2.right != p1:
                    p2 = p2.right
                if not p2.right:
                    res.append(p1.val)
                    p2.right = p1
                    p1 = p1.left
                    continue
                else:
                    p2.right = None
            else:
                res.append(p1.val)
            p1 = p1.right

        return res

复杂度分析

时间复杂度：O(n)，其中 n 是二叉树的节点数。没有左子树的节点只被访问一次，有左子树的节点被访问两次。
空间复杂度：O(1)。只操作已经存在的指针（树的空闲指针），因此只需要常数的额外空间。