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# 子树结构

* **需要检查子树结构的题都需要一个 helper 函数，带着两个 root，递归解决。 如果默认没给，就自己写一个。**
* **子树类问题如果出现不连续，或者需要多个子树信息的时候，自定义 SubtreeTuple 是最合适的选择。**
  * **subtree size (int);**
  * **在 size / count 这种非负情况下，还可以把符号当 flag 用;**
  * **subtree min/max (int);**
* **这种递归结构中先处理完 left / right 再来汇总结果的，其实就是 post-order traversal. 这点在 search 类 dfs 中也很常见，比如安卓解锁，数解锁方式数量的做法。**

## Tree 类问题另一个递归转迭代的思路就是，观察下递归是 pre-order, in-order 还是 post-order，然后对应的靠 stack 保存状态，模拟整个过程即可。

## [Same Tree](https://leetcode.com/problems/same-tree/)

Trivial problem.

```java
public class Solution {
    public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
        if(p == q) return true;
        if(p == null || q == null) return false;
        if(p.val != q.val) return false;

        return isSameTree(p.left, q.left) && isSameTree(p.right, q.right);
    }
}
```

### 迭代写法，思路很简单，就是按照同一个顺序做 DFS (pre-order)，每步上检查下元素值和 stack 大小就行，如果两个树一样，那么在迭代过程中所有的状态也都应该是一样的。

### 这个写法的子树访问路线以及顺序，和递归的写法是完全一样的。也就是说，其实这个迭代写法的思路，是完全建立在递归写法的代码上：

* **递归中先对两个 root 判断 (中)**
* **然后递归处理两棵子树：**
* **先左，后右；**
* **这就是 pre-order 嘛。**

```java
    public boolean isSameTree(TreeNode p, TreeNode q) {
        Stack<TreeNode> stack1 = new Stack<>();
        Stack<TreeNode> stack2 = new Stack<>();

        if(p != null) stack1.push(p);
        if(q != null) stack2.push(q);

        while(!stack1.isEmpty() && !stack2.isEmpty()){
            TreeNode node1 = stack1.pop();
            TreeNode node2 = stack2.pop();
            // Check cur
            if(node1.val != node2.val) return false;
            // Add Next
            if(node1.right != null) stack1.push(node1.right);
            if(node2.right != null) stack2.push(node2.right);

            if(stack1.size() != stack2.size()) return false;

            if(node1.left != null) stack1.push(node1.left);
            if(node2.left != null) stack2.push(node2.left);

            if(stack1.size() != stack2.size()) return false;
        }


        return stack1.size() == stack2.size();
    }
```

## [Symmetric Tree](https://leetcode.com/problems/symmetric-tree/)

这题和上一题非常像，都是给你两个 root，去判断他们的结构，考虑到要做 symmetric tree 所以每次递归的时候参数是 p.left 和 q.right ，而不是每次都同一方向。

```java
public class Solution {
    public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
        if(root == null) return true;

        return isSymmetric(root.left, root.right);
    }

    private boolean isSymmetric(TreeNode p, TreeNode q){
        if(p == q) return true;
        if(p == null || q == null) return false;
        if(p.val != q.val) return false;

        return isSymmetric(p.left, q.right) && isSymmetric(p.right, q.left);
    }
}
```

* **Bonus : 用迭代。**
* **这题用迭代的写法和思路，思路像 google onsite 面经里出现过的，交替输出 kth level 的节点。 Queue(deque) 的写法很好写，空间优化上就需要用 push 顺序相反的两个 stack 了。**

具体思路参考了下论坛，我当初的写法是用两个 queue 存两个 level，对于每个 level 用类似 two pointer 的方式去检查元素，不过因为 queue 的大小一直变动，而且 queue 的 implementation 直接 access by index 也不太方便，写起来很麻烦。

比较好的思路是根据题意，直接把每个 level 拆成两个 queue，像 segment tree 似的，一个 queue 对应左子树，一个 queue 对应右子树，插入的时候，如果 q1 放左节点，q2 就放右节点，vice versa. 如果结果正确的话，两个 queue 里面的元素完全一样。

```java
public class Solution {
    public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
        if(root == null) return true;

        Queue<TreeNode> q1 = new LinkedList<TreeNode>();
        Queue<TreeNode> q2 = new LinkedList<TreeNode>();

        evalAndAdd(root, root, q1, q2);

        while(!q1.isEmpty()){
            int size = q1.size();
            for(int i = 0; i < size; i++){
                TreeNode n1 = q1.poll();
                TreeNode n2 = q2.poll();

                if(!evalAndAdd(n1.left, n2.right, q1, q2)) return false;
                if(!evalAndAdd(n1.right, n2.left, q1, q2)) return false;
            }
        }
        return true;
    }

    private boolean evalAndAdd(TreeNode n1, TreeNode n2, Queue<TreeNode> q1, Queue<TreeNode> q2){
        if(n1 == null && n2 == null) return true;
        if(n1 == null || n2 == null) return false;

        if(n1.val == n2.val){
            q1.offer(n1);
            q2.offer(n2);
            return true;
        }
        return false;
    }
}
```

### 同样一题，用 stack 省空间的做法，其实和两个 queue 的思路基本完全一样。。

### 两种做法都是把树 traverse 了一遍，只不过顺序不同。有的时候我觉得，各种 tree 的 traversal，其实就像花式 for loop 一个 array 一样。

### 这题的双 stack 代码和 Same Tree 基本一样，只是 push 顺序不同而已。其代码的相似与不同可以追溯到各自的递归解法中，Tree 类问题递归结构是迭代写法的指引。

```java
    public boolean isSymmetric(TreeNode root) {
        if(root == null) return true;

        Stack<TreeNode> stack1 = new Stack<>();
        Stack<TreeNode> stack2 = new Stack<>();

        stack1.push(root);
        stack2.push(root);

        while(!stack1.isEmpty() && !stack2.isEmpty()){
            TreeNode node1 = stack1.pop();
            TreeNode node2 = stack2.pop();

            if(node1.val != node2.val) return false;

            if(node1.left != null)  stack1.push(node1.left);
            if(node2.right != null) stack2.push(node2.right);

            if(stack1.size() != stack2.size()) return false;

            if(node1.right != null) stack1.push(node1.right);
            if(node2.left != null)  stack2.push(node2.left);

            if(stack1.size() != stack2.size()) return false;
        }

        return stack1.size() == stack2.size();
    }
```

## [Largest BST Subtree](https://leetcode.com/problems/largest-bst-subtree/)

这题和[ Binary Tree Maximum Path Sum](https://leetcode.com/problems/binary-tree-maximum-path-sum/) 的联系非常密切，要一起研究。

这题因为执着于用一个 helper 函数同时做 “验证BST” 和 “数子树大小”的工作，做了很多次失败提交。

* **需要传递的信息太多就自定义 SubtreeTuple**

同时这题的定义也稍微有点模糊，正确定义是：如果整棵树都是 BST，那么返回 tree size; 反之返回左右子树的最大 size ，而不考虑 root. 这个 “不考虑root” 稍微有点歧义，因为如果右子树不是 BST，左子树是 BST，并且 root.val 大于左子树的情况下，按理讲算上 root 也是一个 BST 的，只是这题我们不考虑而已。

假如我们只用一个返回 int 的函数来层层递归，需要处理这些问题：

* 正解的的子树很可能和 root 以及上层的 node 不是连续的;
* 如果某个子树不是 BST (size = 0)，也意味着上层的所有 node 都不能包含这个子树;
* 给定 root，要验证这个 root 是否在合理的左右子树极值区间内；

这些问题都不是一个 int 就能完美解决的。

### 时间复杂度 O(n log n)，一次检查 BST/getSize 为O(n)，最多重复调用 O(log n) 次

```java
public class Solution {
    public int largestBSTSubtree(TreeNode root) {
        if(root == null) return 0;
        if(isBST(root, null, null)) return getSize(root);

        return Math.max(largestBSTSubtree(root.left), largestBSTSubtree(root.right));
    }

    private boolean isBST(TreeNode root, Integer min, Integer max){
        if(root == null) return true;
        if(min != null && root.val <= min) return false;
        if(max != null && root.val >= max) return false;

        return isBST(root.left, min, root.val) && isBST(root.right, root.val, max) ;
    }

    private int getSize(TreeNode root){
        if(root == null) return 0;

        return getSize(root.left) + getSize(root.right) + 1;
    }
}
```

### 自定义 SubtreeTuple 的写法：

* **自底向上连续传递的只有 size，代表这个 tree 下面最大的 BST subtree size.**
* **size 的绝对值代表以这个 node 为 tree root 的最大 BST subtree 大小；**
* **size 的符号代表到底是不是 BST.**
* **当我们有一个一定非负的变量时(在这里是 size)，符号就成了 boolean 一样的可利用信息。**

### 时间复杂度 O(n)，每个 node 只访问一次，没有重复递归调用。

```java
public class Solution {
    private class SubtreeTuple{
        // size of tree, negative value to reprensent invalid BST
        int size;
        // subtree min / max value
        int min;
        int max;
        public SubtreeTuple(int size, int min, int max){
            this.size = size;
            this.min = min;
            this.max = max;
        }
    }   

    public int largestBSTSubtree(TreeNode root) {
        return Math.abs(helper(root).size);
    }

    private SubtreeTuple helper(TreeNode root){
        if(root == null) return new SubtreeTuple(0, Integer.MAX_VALUE, Integer.MIN_VALUE);

        SubtreeTuple left = helper(root.left);
        SubtreeTuple right = helper(root.right);

        if(left.size < 0 || root.val <= left.max || right.size < 0 || root.val >= right.min){
            return new SubtreeTuple(Math.max(Math.abs(left.size), Math.abs(right.size)) * -1,
                                    Math.min(left.min, root.val), Math.max(right.max, root.val));
        } else {
            // current left + right + root is a valid BST
            return new SubtreeTuple(left.size + right.size + 1, 
                                    Math.min(root.val, left.min), 
                                    Math.max(root.val, right.max));
        }
    }
}
```

## [Count Univalue Subtrees](https://leetcode.com/problems/count-univalue-subtrees/)

### 对于 subtree 特征以及 flag 的处理上，和上一道题可以用完全一样的套路。

### 唯一的不同在于，我们要返回的是总数，而不是 max ，所以要左右加一起才行。

```java
public class Solution {
    private class Tuple{
        // ABS : max count
        // Sign: +/- , is/not univalue subtree
        // 
        int count;
        Integer val;
        public Tuple(int count, Integer val){
            this.count = count;
            this.val = val;
        }
    }
    public int countUnivalSubtrees(TreeNode root) {
        return Math.abs(helper(root).count);
    }

    private Tuple helper(TreeNode root){
        if(root == null) return new Tuple(0, null);

        Tuple left = helper(root.left);
        Tuple right = helper(root.right);

        if(left.count < 0 || right.count < 0 || 
          (left.val != null && !left.val.equals(root.val)) ||
          (right.val != null && !right.val.equals(root.val))){
            return new Tuple((Math.abs(left.count) + Math.abs(right.count)) * -1, 0);
        } else {
            return new Tuple(left.count + right.count + 1, root.val);  
        }
    }
}
```

## [Count Complete Tree Nodes](https://leetcode.com/problems/count-complete-tree-nodes/)

* **如果一个 Tree 是 complete tree，那所有的 subtree 也都是 complete tree.**

直接扫肯定 TLE .. 要利用好 complete tree 的定义和性质。

参考了一下论坛之后，写了这个解居然也 TLE，都 O(log n \* log n) 了

```java
public class Solution {
    public int countNodes(TreeNode root) {
        if(root == null) return 0;
        if(root.left == null && root.right == null) return 1;

        int leftPath = 0; 
        int rightPath = 0;
        TreeNode cur = root;
        while(cur != null){
            leftPath ++;
            cur = cur.left;
        }
        cur = root;
        while(cur != null){
            rightPath ++;
            cur = cur.right;
        }

        if(leftPath == rightPath) return (2 << (leftPath - 1)) - 1;

        return countNodes(root.left) + countNodes(root.right) + 1;
    }
}
```

能 AC 的代码是论坛上的这个:

* **如果一个 Tree 是 complete tree，那所有的 subtree 也都是 complete tree.**

1 << l 其实包含了每一层上加一（root） 的步骤。

按照这个代码的执行方式，每一次的左右子树必定有一个是 prefect tree，于是可以根据 depth 决定下一步处理哪棵。

```java
public class Solution {
    public int countNodes(TreeNode root) {
        if (root == null) {
            return 0;
        }
        int l = leftHeight(root.left);
        int r = leftHeight(root.right);
        if (l == r) { // left side is full
            return countNodes(root.right) + (1<<l);
        } 
        return countNodes(root.left) + (1<<r);
    }

    private int leftHeight(TreeNode node) {
        int h = 0;
        while (node != null) {
            h++;
            node = node.left;
        }
        return h;
    }
}
```

## (G) 面经

<http://www.1point3acres.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=197372&highlight=google>

## Given a binary tree, find if there are two subtrees that are the same. (i.e. the tree structures are the same; the values on all corresponding nodes are the same). You should find the largest subtree and don’t use brute force.

### [这篇 paper 值得一看，关于 tree / subtree isomorphism](http://www.cs.upc.edu/~valiente/graph-00-01-c.pdf)

### 贴个 hx 的思路，仔细讨论和思考之后觉得靠谱。

假设identical的子树share一个group id. NULL的group id是0.其它子树的group id按照group在后序遍历中第一次出现的时间顺序决定。 这样我们可以一边后序遍历子树，一边建两个hashmap:

(root value, group id of left, group id of right) -> group id of root group id -> subtrees of this group

这样我们做一遍后序遍历同时维护层数最高、subtree数量>=2的group id就行了。

这个其实跟用整棵子树的serialization作为key做法差不多，只是对key作了压缩。

如果只是要 size 的话，一个 hashmap 就够。

![](/files/-MUt7_pqs6zm76jzK1sF)

### 按着这个思路试着写了一下，附带两个 test case，返回的是最大 subtree 的 size.

### 第一个 comment 掉的 test case 和图里的一样，返回 4 .

### 第二个是左右完全一样的 binary tree，中间缺一个 leaf node，返回 6.

```java
public class Solution {
    private static class TreeNode{
        int val;
        TreeNode left, right;
        public  TreeNode(int val){
            this.val = val;
        }
    }

    private static class TreeTuple{
        String key;
        int id;
        int size;
        public TreeTuple(String key, int id, int size){
            this.key = key;
            this.id = id;
            this.size = size;
        }
    }

    public static int largestSubtree(TreeNode root){
        HashMap<String, Integer> keyMap = new HashMap<>();
        HashMap<Integer, List<TreeTuple>> groupMap = new HashMap<>();
        int[] id = new int[1];
        id[0] = 1;

        postOrder(root, keyMap, groupMap, id);

        Iterator<Integer> iter = groupMap.keySet().iterator();

        int maxSize = 0;

        while(iter.hasNext()){
            int groupId = iter.next();
            List<TreeTuple> list = groupMap.get(groupId);
            if(list.size() > 1) maxSize = Math.max(maxSize, list.get(0).size);

        }

        return maxSize;
    }

    // keyMap : Key - String - (val, leftId, rightId)
    //          Val - Integer - groupId
    // groupMap : Key - Integer - groupId
    //            Val - Integer - number of occurrances
    private static TreeTuple postOrder(TreeNode root, HashMap<String, Integer> keyMap,
                                       HashMap<Integer, List<TreeTuple>> groupMap, int[] id){

        if(root == null) return new TreeTuple("0,0,0", 0, 0);

        TreeTuple left = postOrder(root.left, keyMap, groupMap, id);
        TreeTuple right = postOrder(root.right, keyMap, groupMap, id);

        int curId;
        TreeTuple curTuple;

        String key = "" + root.val + "," + left.id + "," + right.id;
        if(!keyMap.containsKey(key)){
            curId = id[0]++;
            keyMap.put(key, curId);
            groupMap.put(curId, new ArrayList<>());
            curTuple = new TreeTuple(key, curId, left.size + right.size + 1);
            groupMap.get(curId).add(curTuple);
        } else {
            curId = keyMap.get(key);
            curTuple = new TreeTuple(key, curId, left.size + right.size + 1);
            groupMap.get(curId).add(curTuple);
        }

        return curTuple;
    }


    public static void main(String[] args) {
        /*
        TreeNode root = new TreeNode(5);
        TreeNode root2 = new TreeNode(9);
        TreeNode root3 = new TreeNode(2);
        TreeNode root4 = new TreeNode(7);
        TreeNode root5 = new TreeNode(3);
        TreeNode root6 = new TreeNode(12);
        TreeNode root7 = new TreeNode(10);
        TreeNode root8 = new TreeNode(9);
        TreeNode root9 = new TreeNode(2);
        TreeNode root10 = new TreeNode(7);
        TreeNode root11 = new TreeNode(3);

        root.left = root2;
        root.right = root6;
        root2.left = root3;
        root2.right = root4;
        root4.left = root5;
        root6.left = root7;
        root6.right = root8;
        root8.left = root9;
        root8.right = root10;
        root10.left = root11;
        */

        TreeNode root = new TreeNode(0);
        TreeNode rootl2 = new TreeNode(1);
        TreeNode rootr3 = new TreeNode(1);
        TreeNode rootl4 = new TreeNode(2);
        TreeNode rootr5 = new TreeNode(2);
        TreeNode rootl6 = new TreeNode(3);
        TreeNode rootr7 = new TreeNode(3);
        TreeNode rootl8 = new TreeNode(4);
        TreeNode rootr9 = new TreeNode(4);
        TreeNode rootl10 = new TreeNode(5);
        TreeNode rootr11 = new TreeNode(5);
        TreeNode rootl12 = new TreeNode(6);
        TreeNode rootr13 = new TreeNode(6);

        root.left = rootl2;
        root.right = rootr3;
        rootl2.left = rootl4;
        rootl2.right = rootl6;
        rootl4.left = rootl8;
        rootl4.right = rootl10;
        rootl6.right = rootl12;

        rootr3.left = rootr5;
        rootr3.right = rootr7;
        rootr5.left = rootr9;
        rootr5.right = rootr11;
        rootr7.right = rootr13;

        System.out.println(largestSubtree(root));
    }
}
```