105. 🌟Construct Binary Tree from Preorder and Inorder Traversal (M)

https://leetcode.com/problems/construct-binary-tree-from-preorder-and-inorder-traversal/

Given two integer arrays preorder and inorder where preorder is the preorder traversal of a binary tree and inorder is the inorder traversal of the same tree, construct and return the binary tree.

Example 1:

Input: preorder = [3,9,20,15,7], inorder = [9,3,15,20,7]
Output: [3,9,20,null,null,15,7]

Example 2:

Input: preorder = [-1], inorder = [-1]
Output: [-1]

Constraints:

• 1 <= preorder.length <= 3000

• inorder.length == preorder.length

• -3000 <= preorder[i], inorder[i] <= 3000

• preorder and inorder consist of unique values.

• Each value of inorder also appears in preorder.

• preorder is guaranteed to be the preorder traversal of the tree.

• inorder is guaranteed to be the inorder traversal of the tree.

Solution:

类似，我们肯定要想办法确定根节点的值，把根节点做出来，然后递归构造左右子树即可。

我们先来回顾一下，前序遍历和中序遍历的结果有什么特点？

void traverse(TreeNode root) {
    // 前序遍历
    preorder.add(root.val);
    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}

void traverse(TreeNode root) {
    traverse(root.left);
    // 中序遍历
    inorder.add(root.val);
    traverse(root.right);
}

前文 二叉树就那几个框架 写过，这样的遍历顺序差异，导致了 preorder 和 inorder 数组中的元素分布有如下特点：

找到根节点是很简单的，前序遍历的第一个值 preorder[0] 就是根节点的值，关键在于如何通过根节点的值，将 preorder 和 postorder 数组划分成两半，构造根节点的左右子树？

换句话说，对于以下代码中的 ? 部分应该填入什么：

/* 主函数 */
TreeNode buildTree(int[] preorder, int[] inorder) {
    return build(preorder, 0, preorder.length - 1,
                 inorder, 0, inorder.length - 1);
}

/* 
   若前序遍历数组为 preorder[preStart..preEnd]，
   后序遍历数组为 postorder[postStart..postEnd]，
   构造二叉树，返回该二叉树的根节点 
*/
TreeNode build(int[] preorder, int preStart, int preEnd, 
               int[] inorder, int inStart, int inEnd) {
    // root 节点对应的值就是前序遍历数组的第一个元素
    int rootVal = preorder[preStart];
    // rootVal 在中序遍历数组中的索引
    int index = 0;
    for (int i = inStart; i <= inEnd; i++) {
        if (inorder[i] == rootVal) {
            index = i;
            break;
        }
    }

    TreeNode root = new TreeNode(rootVal);
    // 递归构造左右子树
    root.left = build(preorder, ?, ?,
                      inorder, ?, ?);

    root.right = build(preorder, ?, ?,
                       inorder, ?, ?);
    return root;
}

对于代码中的 rootVal 和 index 变量，就是下图这种情况：

现在我们来看图做填空题，下面这几个问号处应该填什么：

root.left = build(preorder, ?, ?,
                  inorder, ?, ?);

root.right = build(preorder, ?, ?,
                   inorder, ?, ?);

对于左右子树对应的 inorder 数组的起始索引和终止索引比较容易确定：

root.left = build(preorder, ?, ?,
                  inorder, inStart, index - 1);

root.right = build(preorder, ?, ?,
                   inorder, index + 1, inEnd);

对于 preorder 数组呢？如何确定左右数组对应的起始索引和终止索引？

这个可以通过左子树的节点数推导出来，假设左子树的节点数为 leftSize，那么 preorder 数组上的索引情况是这样的：

看着这个图就可以把 preorder 对应的索引写进去了：

int leftSize = index - inStart;

root.left = build(preorder, preStart + 1, preStart + leftSize,
                  inorder, inStart, index - 1);

root.right = build(preorder, preStart + leftSize + 1, preEnd,
                   inorder, index + 1, inEnd);

至此，整个算法思路就完成了，我们再补一补 base case 即可写出解法代码：

TreeNode build(int[] preorder, int preStart, int preEnd, 
               int[] inorder, int inStart, int inEnd) {
        
    if (preStart > preEnd) {
        return null;
    }

    // root 节点对应的值就是前序遍历数组的第一个元素
    int rootVal = preorder[preStart];
    // rootVal 在中序遍历数组中的索引
    int index = 0;
    for (int i = inStart; i <= inEnd; i++) {
        if (inorder[i] == rootVal) {
            index = i;
            break;
        }
    }

    int leftSize = index - inStart;

    // 先构造出当前根节点
    TreeNode root = new TreeNode(rootVal);
    // 递归构造左右子树
    root.left = build(preorder, preStart + 1, preStart + leftSize,
                      inorder, inStart, index - 1);

    root.right = build(preorder, preStart + leftSize + 1, preEnd,
                       inorder, index + 1, inEnd);
    return root;
}

我们的主函数只要调用 build 函数即可，你看着函数这么多参数，解法这么多代码，似乎比我们上面讲的那道题难很多，让人望而生畏，实际上呢，这些参数无非就是控制数组起止位置的，画个图就能解决了。