LC 173. 二叉搜索树迭代器

题目描述

这是 LeetCode 上的 173. 二叉搜索树迭代器 ，难度为 中等。

实现一个二叉搜索树迭代器类 BSTIterator，表示一个按中序遍历二叉搜索树（BST）的迭代器：

• BSTIterator(TreeNode root) 初始化 BSTIterator 类的一个对象。BST 的根节点 root 会作为构造函数的一部分给出。指针应初始化为一个不存在于 BST 中的数字，且该数字小于 BST 中的任何元素。
• boolean hasNext() 如果向指针右侧遍历存在数字，则返回 true；否则返回 false。
• int next() 将指针向右移动，然后返回指针处的数字。

注意，指针初始化为一个不存在于 BST 中的数字，所以对 next() 的首次调用将返回 BST 中的最小元素。

你可以假设 next() 调用总是有效的，也就是说，当调用 next() 时，BST 的中序遍历中至少存在一个下一个数字。

示例：

输入
["BSTIterator", "next", "next", "hasNext", "next", "hasNext", "next", "hasNext", "next", "hasNext"]
[[[7, 3, 15, null, null, 9, 20]], [], [], [], [], [], [], [], [], []]
输出
[null, 3, 7, true, 9, true, 15, true, 20, false]

解释
BSTIterator bSTIterator = new BSTIterator([7, 3, 15, null, null, 9, 20]);
bSTIterator.next();    // 返回 3
bSTIterator.next();    // 返回 7
bSTIterator.hasNext(); // 返回 True
bSTIterator.next();    // 返回 9
bSTIterator.hasNext(); // 返回 True
bSTIterator.next();    // 返回 15
bSTIterator.hasNext(); // 返回 True
bSTIterator.next();    // 返回 20
bSTIterator.hasNext(); // 返回 False

提示：

• 树中节点的数目在范围 [1, $10^5$] 内
• $0 <= Node.val <= 10^6$
• 最多调用 $10^5$ 次 hasNext 和 next 操作

进阶：

• 你可以设计一个满足下述条件的解决方案吗？next() 和 hasNext() 操作均摊时间复杂度为 $O(1)$ ，并使用 $O(h)$ 内存。其中 h 是树的高度。

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基本思路

这道题本质上考的是「将迭代版的中序遍历代码」做等价拆分。

我们知道，中序遍历的基本逻辑是：处理左子树 -> 处理当前节点 -> 处理右子树。

其中迭代做法是利用「栈」进行处理：

1. 先将当前节点的所有左子树压入栈，压到没有为止
2. 将最后一个压入的节点弹出（栈顶元素），加入答案
3. 将当前弹出的节点作为当前节点，重复步骤一

相应的裸题在这里：94. 二叉树的中序遍历。

中序遍历的迭代代码：

class Solution {
    List<Integer> ans = new ArrayList<>();
    Deque<TreeNode> d = new ArrayDeque<>();
    public List<Integer> inorderTraversal(TreeNode root) {
        while (root != null || !d.isEmpty()) {
            // 步骤 1
            while (root != null) {
                d.addLast(root);
                root = root.left;
            }

            // 步骤 2
            root = d.pollLast();
            ans.add(root.val);

            // 步骤 3
            root = root.right;
        }
        return ans;
    }
}

总的来说是这么一个迭代过程：步骤 1 -> 步骤 2 -> 步骤 3 -> 步骤 1 …

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「中序遍历」代码的「等价拆分」

首先因为 next() 方法中我们需要输出一个值，执行的的是「步骤 2」的逻辑，同时我们需要在其前后添加「步骤 1」和「步骤 3」。

另外，我们还有一个 hasNext() 要处理，显然 hasNext() 应该对应我们的栈是否为空。

为此，我们需要确保每次输出之后「步骤 1」被及时执行。

综上，我们应该在初始化时，走一遍「步骤 1」，然后在 next() 方法中走「步骤 2」、「步骤 3」和「步骤 1」。

Java 代码：

class BSTIterator {
    Deque<TreeNode> d = new ArrayDeque<>();
    public BSTIterator(TreeNode root) {
        // 步骤 1
        dfsLeft(root);
    }
    public int next() {
        // 步骤 2
        TreeNode root = d.pollLast();
        int ans = root.val;
        // 步骤 3
        root = root.right;
        // 步骤 1
        dfsLeft(root);
        return ans;
    }
    public boolean hasNext() {
        return !d.isEmpty();
    }
    void dfsLeft(TreeNode root) {
        while (root != null) {
            d.addLast(root);
            root = root.left;
        }
    }
}

C++ 代码：

class BSTIterator {
public:
    stack<TreeNode*> d;
    BSTIterator(TreeNode* root) {
        dfsLeft(root);
    }
    int next() {
        TreeNode* root = d.top();
        d.pop();
        int ans = root->val;
        root = root->right;
        dfsLeft(root);
        return ans;
    }
    bool hasNext() {
        return !d.empty();
    }
    void dfsLeft(TreeNode* root) {
        while (root != nullptr) {
            d.push(root);
            root = root->left;
        }
    }
};

Python 代码：

class BSTIterator:
    def __init__(self, root: TreeNode):
        self.d = deque()
        self.dfsLeft(root)

    def next(self) -> int:
        root = self.d.pop()
        ans = root.val
        root = root.right
        self.dfsLeft(root)
        return ans

    def hasNext(self) -> bool:
        return len(self.d) > 0

    def dfsLeft(self, root):
        while root:
            self.d.append(root)
            root = root.left

TypeScript 代码：

class BSTIterator {
    d: TreeNode[];
    constructor(root: TreeNode | null) {
        this.d = [];
        this.dfsLeft(root);
    }
    next(): number {
        const root = this.d.pop()!;
        const ans = root.val;
        root.right && this.dfsLeft(root.right);
        return ans;
    }
    hasNext(): boolean {
        return this.d.length > 0;
    }
    dfsLeft(root: TreeNode | null): void {
        while (root) {
            this.d.push(root);
            root = root.left;
        }
    }
}

• 时间复杂度：由于每个元素都是严格「进栈」和「出栈」一次，复杂度为均摊 $O(1)$
• 空间复杂度：栈内最多保存与深度一致的节点数量，复杂度为 $O(h)$

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进阶

若要求空间复杂度也能做到 $O(1)$，该如何做呢？

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最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.173 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。

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