LC 331. 验证二叉树的前序序列化

题目描述

这是 LeetCode 上的 331. 验证二叉树的前序序列化 ，难度为 中等。

序列化二叉树的一种方法是使用前序遍历。当我们遇到一个非空节点时，我们可以记录下这个节点的值。

如果它是一个空节点，我们可以使用一个标记值记录，例如 #。

     _9_
    /   \
   3     2
  / \   / \
 4   1  #  6
/ \ / \   / \
# # # #   # #

例如，上面的二叉树可以被序列化为字符串 "9,3,4,#,#,1,#,#,2,#,6,#,#"，其中 # 代表一个空节点。

给定一串以逗号分隔的序列，验证它是否是正确的二叉树的前序序列化。

编写一个在不重构树的条件下的可行算法。

每个以逗号分隔的字符或为一个整数或为一个表示 null 指针的 '#' 。

你可以认为输入格式总是有效的，例如它永远不会包含两个连续的逗号，比如 "1,,3"。

示例 1:

输入: "9,3,4,#,#,1,#,#,2,#,6,#,#"
输出: true

示例 2:

输入: "1,#"
输出: false

示例 3:

输入: "9,#,#,1"
输出: false

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二叉树规律解法

事实上，我们能利用「二叉树」的特性来做。

由于每一个非空节点都对应了 2 个出度，空节点都对应了 0 个出度；除了根节点，每个节点都有一个入度。

我们可以使用 in 和 out 来分别记录「入度」和「出度」的数量；m 和 n 分别代表「非空节点数量」和「空节点数量」。

同时，一颗合格的二叉树最终结果必然满足 in == out。

但我们又不能只利用最终 in == out 来判断是否合法，这很容易可以举出反例：考虑将一个合法序列的空节点全部提前，这样最终结果仍然满足 in == out，但这样的二叉树是不存在的。

我们还需要一些额外的特性，支持我们在遍历过程中提前知道一颗二叉树不合法。

例如，我们可以从合格二叉树的前提出发，挖掘遍历过程中 in 和 out 与 n 和 m 的关系。

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证明 1（利用不等式）

我们令非空节点数量为 $m$，空节点数量为 $n$，入度和出度仍然使用 $in$ 和 $out$ 代表。

找一下 $in$ 和 $out$ 与 $n$ 和 $m$ 之间的关系。

一颗合格二叉树 $m$ 和 $n$ 的最小的比例关系是 $1 : 2$，也就是对应了这么一个形状：

 4 
/ \
# #

而遍历过程中 $m$ 和 $n$ 的最小的比例关系则是 $1 : 0$，这其实对应了二叉树空节点总是跟在非空节点的后面这一性质。

换句话说，在没到最后一个节点之前，我们是不会遇到 空节点数量 > 非空节点数量 的情况的。

非空节点数量 >= 空节点数量 在遍历没结束前恒成立：$m>=n$

然后再结合「每一个非空节点都对应了 $2$ 个出度，空节点都对应了 $0$ 个出度；除了根节点，每个节点都有一个入度」特性。

在遍历尚未结束前，我们有以下关系：

1. $m >= n$
2. $in <= m + n - 1$
3. $out <= 2 * m$

简单的变形可得：

• 由 $2$ 变形可得：$m >= in + 1 - n$
• 由 $3$ 变形可得：$m >= out / 2$

即有：

1. $m >= n$
2. $m >= in + 1 - n$
3. $m >= out / 2$

再将 $1$ 和 $2$ 相加，抵消 $n$：$2m >= in + 1$

1. $2m >= in + 1$ => $in <= 2m - 1$
2. $m >= out / 2$ => $out <= 2m$

因此，在遍历尚未完成时，$in$ 和 $out$ 始终满足上述关系（与空节点数量 $n$ 无关）。

如果不从合格二叉树的前提（$m>=n$）出发，我们是无法得到上述关系式的。

因此，我们可以一边遍历一边统计「严格出度」和「严格入度」，然后写一个 check 函数去判定 $in$、$out$ 和 $m$ 三者关系是否符合要求，如果不符合则说明二叉树不合法。

伪代码：

class Solution {
  public boolean isValidSerialization(String s) {
    String[] ss = s.split(",");
    int n = ss.length;
    int in = 0, out = 0;
    for (int i = 0, m = 0; i < n; i++) {
      // 统计「严格出度」和「严格入度」...
      if (i != n - 1 && !check(m, in, out)) return false;
    } 
    return in == out;
  }
  boolean check(int m, int in, int out) {
    boolean a = (in <= 2 * m - 1), b = (out <= 2 * m);
    return a && b; 
  }
}

注意：因为我们这里的证明使用到的是不等式。因此统计的必须是「严格出度」&「严格入度」，不能假定一个「非空节点（非根）」必然对应两个「出度」和一个「入度」。

要想统计出「严格出度」&「严格入度」在编码上还是有一定难度的。那么是否可以推导出更加简单性质来使用呢？

请看「证明 2」。

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证明 2（利用技巧转换为等式）

我们令非空节点数量为 $m$，空节点数量为 $n$，入度和出度仍然使用 $in$ 和 $out$ 代表。

找一下 $in$ 和 $out$ 与 $n$ 和 $m$ 之间的关系。

一颗合格二叉树 $m$ 和 $n$ 的最小的比例关系是 $1 : 2$，也就是对应了这么一个形状：

 4 
/ \
# #

而遍历过程中 $m$ 和 $n$ 的最小的比例关系则是 $1 : 0$，这其实对应了二叉树空节点总是跟在非空节点的后面这一性质。

换句话说，在没到最后一个节点之前，我们是不会遇到 空节点数量 > 非空节点数量 的情况的。

非空节点数量 >= 空节点数量 在遍历没结束前恒成立：$m>=n$

之后我们再采用一个技巧，就是遍历过程中每遇到一个「非空节点」就增加两个「出度」和一个「入度」，每遇到一个「空节点」只增加一个「入度」。而不管每个「非空节点」是否真实对应两个子节点。

那么我们的起始条件变成：

1. $m >= n$
2. $in = m + n - 1$
3. $out = 2 * m$

从第 $2$ 个等式出发，结合第 $1$ 个等式：

$in = m + n - 1 <= m + m - 1 = 2m - 1 = out - 1$

即可得 $in + 1 <= out$ ，也就是 $in < out$ 恒成立。

Java 代码：

class Solution {
    public boolean isValidSerialization(String s) {
        String[] ss = s.split(",");
        int n = ss.length;
        int in = 0, out = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (!ss[i].equals("#")) out += 2;
            if (i != 0) in++;
            if (i != n - 1 && out <= in) return false;
        } 
        return in == out;
    }
}

C++ 代码：

class Solution {
public:
    bool isValidSerialization(string s) {
        vector<string> ss;
        split(s, ',', ss);
        int n = ss.size();
        int in = 0, out = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (ss[i] != "#") out += 2;
            if (i != 0) in++;
            if (i != n - 1 && out <= in) return false;
        }
        return in == out;
    }
    void split(const string &s, char delimiter, vector<string> &ss) {
        stringstream ss_stream(s);
        string item;
        while (getline(ss_stream, item, delimiter)) {
            ss.push_back(item);
        }
    }
};

Python 代码：

class Solution:
    def isValidSerialization(self, s: str) -> bool:
        ss = s.split(',')
        n = len(ss)
        inval, outval = 0, 0
        for i in range(n):
            if ss[i] != '#':
                outval += 2
            if i != 0:
                inval += 1
            if i != n - 1 and outval <= inval:
                return False
        return inval == outval

TypeScript 代码：

function isValidSerialization(s: string): boolean {
    const ss = s.split(',');
    const n = ss.length;
    let inval = 0, outval = 0;
    for (let i = 0; i < n; i++) {
        if (ss[i] !== '#') outval += 2;
        if (i !== 0) inval++;
        if (i !== n - 1 && outval <= inval) return false;
    }
    return inval === outval;
};

• 时间复杂度：$O(n)$
• 空间复杂度：$O(n)$

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最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.331 篇，系列开始于 2021/01/01，截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目，部分是有锁题，我们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章里面，除了讲解解题思路以外，还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码，我建立了相关的仓库：https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。

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