vlambda
2021-04-05

如何根据数组创建二叉树？

之前的详述了Leetcode中链表相关算法题的测试方法。在Leetcode中关于树的算法题中，很多树的题目，测试用例都是一个数组，比如102. 二叉树的层序遍历中所示：

给定二叉树: [3,9,20,null,null,15,7] 3 / \ 9 20 / \ 15 7

那么问题来了，如何根据数组构造一颗树呢？

为了加快刷题，我们需要一个工具来实现构造树和打印树结构这2个问题。一、树

树是一种抽象数据类型（ADT）或是实现这种抽象数据类型的数据结构，用来模拟具有树状结构性质的数据集合。它是由 n(n>0)个有限节点组成一个具有层次关系的集合。

如上图所示，把它叫做「树」是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。

树具有以下的特点：

每个节点都只有有限个子节点或无子节点；
没有父节点的节点称为根节点；
每一个非根节点有且只有一个父节点；
除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树；
树里面没有环路。

当我们完成一棵树的构建之后，虽然我们已经有树的前序、中序和后序遍历这种可以遍历树，但是如果我们如上图一样展示这棵树的结构，如何才能直观地打印出来呢？

二、如何打印一棵树？

这里我们借用Leetcode中二叉树的数据结构定义：

/** * Definition for a binary tree node. */public class TreeNode { public int val;
 public TreeNode left; public TreeNode right;
 public TreeNode(int x) { this.val = x; }
 public TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) { this.val = val; this.left = left; this.right = right; }}

2.1 思路

树的展示方式有2种，水平展示和竖直展示。竖直展示比较直观，水平展示更适合用于节点元素大小长短不一致的情况，Linux下展示文件结构就是水平展示。

2.2 水平树

代码如下所示：

 public static int getTreeDepth(TreeNode root) { if (root == null) { return 0; }
 return 1 + Math.max(getTreeDepth(root.left), getTreeDepth(root.right)); }
 private static String traversePreOrder(TreeNode root) { if (root == null) { return ""; }
 StringBuilder sb = new StringBuilder(); sb.append(root.val);
 String pointerRight = "└──"; String pointerLeft; if (root.right != null) { pointerLeft = "├──"; } else { pointerLeft = "└──"; }
 traverseNodes(sb, "", pointerLeft, root.left, root.right != null); traverseNodes(sb, "", pointerRight, root.right, false);
 return sb.toString(); }
 private static void traverseNodes(StringBuilder sb, String padding, String pointer, TreeNode node, boolean hasRightSibling) { if (node == null) { return; }
 sb.append("\n"); sb.append(padding); sb.append(pointer); sb.append(node.val);
 StringBuilder paddingBuilder = new StringBuilder(padding); if (hasRightSibling) { paddingBuilder.append("│ "); } else { paddingBuilder.append(" "); }
 String paddingForBoth = paddingBuilder.toString(); String pointerRight = "└──"; String pointerLeft = (node.right != null) ? "├──" : "└──";
 traverseNodes(sb, paddingForBoth, pointerLeft, node.left, node.right != null); traverseNodes(sb, paddingForBoth, pointerRight, node.right, false); }
 public static void printTreeHorizontal(TreeNode root) { System.out.print(traversePreOrder(root)); }

2.3 垂直树

代码如下所示：

 public static void printTree(TreeNode root) { int maxLevel = getTreeDepth(root); printNodeInternal(Collections.singletonList(root), 1, maxLevel); }
 private static void printNodeInternal(List<TreeNode> nodes, int level, int maxLevel) { if (nodes == null || nodes.isEmpty() || isAllElementsNull(nodes)) { return; }
 int floor = maxLevel - level; int endgeLines = (int) Math.pow(2, (Math.max(floor - 1, 0))); int firstSpaces = (int) Math.pow(2, (floor)) - 1; int betweenSpaces = (int) Math.pow(2, (floor + 1)) - 1;
 printWhitespaces(firstSpaces);
 List<TreeNode> newNodes = new ArrayList<TreeNode>(); for (TreeNode node : nodes) { if (node != null) { System.out.print(node.val); newNodes.add(node.left); newNodes.add(node.right); } else { newNodes.add(null); newNodes.add(null); System.out.print(" "); }
 printWhitespaces(betweenSpaces); } System.out.println("");
 for (int i = 1; i <= endgeLines; i++) { for (int j = 0; j < nodes.size(); j++) { printWhitespaces(firstSpaces - i); if (nodes.get(j) == null) { printWhitespaces(endgeLines + endgeLines + i + 1); continue; }
 if (nodes.get(j).left != null) { System.out.print("/"); } else { printWhitespaces(1); }
 printWhitespaces(i + i - 1); if (nodes.get(j).right != null) { System.out.print("\\"); } else { printWhitespaces(1); } printWhitespaces(endgeLines + endgeLines - i); }
 System.out.println(""); }
 printNodeInternal(newNodes, level + 1, maxLevel); }
 private static void printWhitespaces(int count) { for (int i = 0; i < count; i++) { System.out.print(" "); } }
 private static <T> boolean isAllElementsNull(List<T> list) { for (Object object : list) { if (object != null) { return false; } }
 return true; }

三、从数组构建一棵二叉树

代码如下所示：

 public static TreeNode constructTree(Integer[] array) { if (array == null || array.length == 0 || array[0] == null) { return null; }
 int index = 0; int length = array.length;
 TreeNode root = new TreeNode(array[0]); Deque<TreeNode> nodeQueue = new LinkedList<>(); nodeQueue.offer(root); TreeNode currNode; while (index < length) { index++; if (index >= length) { return root; } currNode = nodeQueue.poll(); Integer leftChild = array[index]; if (leftChild != null) { currNode.left = new TreeNode(leftChild); nodeQueue.offer(currNode.left); } index++; if (index >= length) { return root; } Integer rightChild = array[index]; if (rightChild != null) { currNode.right = new TreeNode(rightChild); nodeQueue.offer(currNode.right); } }
 return root; }

四、测试

下面就来测试下代码吧：

 public static void main(String[] args) { Integer[] tstData1 = {1, null, 2, 2, 32, 31, 3, 23, 1, 23, 123, 12, 3, 12, 31, 23, 2}; TreeNode tstNode1 = constructTree(tstData1); System.out.println("\nTree:"); printTree(tstNode1); System.out.println("\nHorizontal Tree:"); printTreeHorizontal(tstNode1); System.out.println("\nPreOrder:"); preOrderPrint(tstNode1);
 Integer[] tstData2 = {1, 2, 3, null, 4, 5, 6, 7, null}; TreeNode tstNode2 = constructTree(tstData2); System.out.println("\nTree:"); printTree(tstNode2); System.out.println("\nHorizontal Tree:"); printTreeHorizontal(tstNode2); System.out.println("\nPreOrder:"); preOrderPrint(tstNode2); System.out.println("\nInOrder:"); inOrderPrint(tstNode2); System.out.println("\nPostOrder:"); postOrderPrint(tstNode2); }

输出如下所示：

Tree: 1  \   \   \   \   \   \   \   \   2  / \  / \  / \  / \  2 32  / \ / \  / \ / \  31 3 23 1  / \ / \ / \ / \  23 123 12 3 12 31 23 2 Horizontal Tree:1└──2 ├──2 │ ├──31 │ │ ├──23 │ │ └──123 │ └──3 │ ├──12 │ └──3 └──32 ├──23 │ ├──12 │ └──31 └──1 ├──23 └──2PreOrder:1,2,2,31,23,123,3,12,3,32,23,12,31,1,23,2,
Tree: 1  / \  / \  / \  / \  2 3  \  / \  \  / \  4 5 6  /  7 Horizontal Tree:1├──2│ └──4│ └──7└──3 ├──5 └──6PreOrder:1,2,4,7,3,5,6,InOrder:2,7,4,1,5,3,6,PostOrder:7,4,2,5,6,3,1,