【LeetCode二叉树#16】二叉（搜索）树的最近公共祖先（递归后序遍历，巩固回溯机制）
二叉树的最近公共祖先
给定一个二叉树, 找到该树中两个指定节点的最近公共祖先。
百度百科中最近公共祖先的定义为：“对于有根树 T 的两个结点 p、q，最近公共祖先表示为一个结点 x，满足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度尽可能大（一个节点也可以是它自己的祖先）。”
例如，给定如下二叉树: root = [3,5,1,6,2,0,8,null,null,7,4]
示例 1: 输入: root = [3,5,1,6,2,0,8,null,null,7,4], p = 5, q = 1 输出: 3 解释: 节点 5 和节点 1 的最近公共祖先是节点 3。
示例 2: 输入: root = [3,5,1,6,2,0,8,null,null,7,4], p = 5, q = 4 输出: 5 解释: 节点 5 和节点 4 的最近公共祖先是节点 5。因为根据定义最近公共祖先节点可以为节点本身。
说明:
- 所有节点的值都是唯一的。
- p、q 为不同节点且均存在于给定的二叉树中
思路
根据题目要求，我们需要先找到对应的两个节点p、q，然后再回去找他们的最近的公共父节点
这么一个过程实际上顺序是自下而上的，也就是说，如果能从下往上搜索父节点，那么这个问题就好解决了，如何做到呢？
首先，节点p、q肯定是左右节点，那么我们遍历的时候肯定得先遍历到这两个左右节点
符合上述条件的遍历方式是：后序遍历（左右中）
其次，当找到节点p、q，我们需要"回头"往上找他们的公共父节点，实际上就可以在左右中的 中 里面处理查找公共父节点的逻辑
后序遍历也满足查找父节点的要求
判断公共祖先
遍历方式确定了，那么还需要解决一个问题：怎么判断一个节点是不是节点q和节点p的公共祖先？
这里一共有两种情况：
情况1
最容易想到的是第一种，即当遍历到某个节点A，其左子节点B找到p（并返回），右子节点C找到q（并返回），那么此时可以认为节点A是B、C的最近公共祖先
图示如下：
从根节点6开始进行后序遍历，那么先遍历6的左子节点4和右子节点7
（先进入左子节点4的递归中）
到4之后，因为其左右子节点不为空，使用又继续按后序顺序遍历
此时在4的左子节点找到了p，返回
在4的右子节点找到了q，返回
然后再p、q的父节点4这里处理逻辑：找到目标节点，当前根节点4为最近公共节点
于是把4往根节点6传
最后的效果就是：在递归函数中输入了一颗二叉树的根节点6，然后通过递归找到了目标节点p、q，然后通过后序遍历左右中的顺序在 中 里面处理了最近公共父节点的判断逻辑，并把处理所得的最近公共父节点通过回溯传到递归的第一层，得到结果
情况2
还是从根节点6开始，只不过这次我们在6的左子节点就找到了q
因为还没有找到p，并且节点4还有子节点，所以还得继续遍历（只要没有找齐p、q都应该继续遍历，因此在该问题中，我们可能被迫需要遍历整颗二叉树而不是找到目标值就返回）
继续
遍历节点4的左右子节点，在左子节点找到p，并且其没有子节点，此时需要返回
在节点4的位置处理其左右子节点返回的结果，并给出当前p、q的最近公共父节点（具体操作在代码里再解释），实际上就是节点4
于是我们得到了p、q的最近公共父节点，此时将结果往上返回，得出最后的解
总结
通过分析两种情况，可以发现：不论p、q以哪种方式被找到，最终的处理过程都在左右中顺序里面的 中 的位置处理。（也就是调用递归函数时输入的节点。从递归函数的角度讲，该节点为根节点；从我们遍历的角度讲，该节点为当前节点，也就是左右中里面位于 中 的节点）
因此，情况2会被情况1包含，在处理情况1的逻辑下，情况2会被一并处理
代码分析
还是写递归的老一套
1、确定递归函数参数和返回值
首先能够确定的是，这里的递归函数需要返回值，因为我们需要通过返回值来了解是否找到了p、q
一种直接的想法是返回bool值，但是不行
因为在中节点位置完成逻辑处理后，我们需要返回的是 最近公共父节点 ，这是一个节点类型值
所以干脆直接就设定返回值为节点类型，如果有返回值就表明找到p或q
这样的话还可以利用解题模板
class Solution {
public:
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
}
};
2、确定终止条件
根据上面的分析，递归结束的情况有：
- 当找到p
- 找到q
- 当前输入的节点root为NULL
class Solution {
public:
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
if(root == p || root ==q || root == NULL) return root;
}
};
如果 root == q，或者 root == p，说明找到 q p ，则将其返回，这个返回值，后面在中节点的处理过程中会用到
3、确定单层处理逻辑
因为本题中需要使用回溯机制来处理返回值，而后序遍历的顺序是 左右中
我们是在中节点位置处理父节点判断逻辑的，但是由于是先遍历 左右 节点
因此在得到返回值并处理之前，需要等待左右节点的递归遍历完成，而递归一旦触发，就会一直遍历下去直到递归函数的输入为NULL，也就是遇到叶子节点才会结束
因此，在本题中，由于使用了后序遍历，我们被迫遍历了整颗二叉树
根据在路径总和问题中的讨论有提到这种情况
题外话
如果递归函数有返回值，如何区分要搜索一条边，还是搜索整个树呢？
搜索一条边的写法：
if (递归函数(root->left)) return ;
if (递归函数(root->right)) return ;
搜索整个树写法：
left = 递归函数(root->left); // 左
right = 递归函数(root->right); // 右
left与right的逻辑处理; // 中
上面两种写法的区别是：
搜索一条边时，我们遇到不符合条件的节点时就立马返回，然后换边搜索
搜索整个树时，我们使用一个变量去接收递归函数的返回值（是的，根据规则搜索整棵树时一般有返回值），然后在中节点处进行逻辑处理，并通过回溯返回到上一级递归
这也是为什么会"被迫"遍历整颗树的原因
言归正传
现在可以按照后序遍历顺序去写处理逻辑了
class Solution {
public:
//确定递归函数的输入和返回值
//因为需要通过返回值，在中节点位置判断父节点，且需要返回父节点值，故返回值应该是节点类型
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
//确定终止条件
//当以下条件满足时，都要返回当前节点
if(root == NULL || root == q || root == p) return root;
//确定单层处理逻辑
//后序遍历
//左
TreeNode* left = lowestCommonAncestor(root->left, p, q);
//右
TreeNode* right = lowestCommonAncestor(root->right, p, q);
//中，在中节点位置处理左右的返回值，判断当前节点是否为最近公共父节点
//如果当前节点的左右子节点的返回值都不为空
//表明找到目标值，那么当前节点即为最近公共父节点
if(left != NULL && right != NULL) return root;
if(left == NULL && right != NULL){//左节点不为空右为空，说明当前节点不是公共父节点，把left再往上传（回溯）
return right;
}else if(left != NULL && right == NULL){//右节点不为空左为空，说明当前节点不是公共父节点，把right再往上传（回溯）
return left;
}else{// (left == NULL && right == NULL)
return NULL;//什么都没找到返回空
}
}
};
注意，这里我们是使用回溯过程中返回的值来判断公共父节点的
当前节点调用递归函数后，通过递归我们会寻找其下所有子节点中p、q存在的位置（题目说了必定存在，且不会是重复值）
当找到之后递归函数会通过回溯机制层层返回p、q
假如出现以下情况：（p、q不在同一分支）
这种情况的话，虽然不能马上找到最近公共父节点，但是通过层层递归并回溯p、q的值，总会在满足最近公共父节点的节点处触发条件
如果是代码分析中的情况1，那么返回一次就遇到了它们的最近公共父节点
如果是代码分析中的情况2，或者p、q距离比较远，那么就继续回溯返回呗，反正如果都找不到这个满足条件的公共父节点，那最后的最近公共父节点就是最开始调用递归的那个节点，也就是根节点
找二叉搜索树的最近公共祖先就简单多了↓
二叉搜索树的最近公共祖先
给定一个二叉搜索树, 找到该树中两个指定节点的最近公共祖先。
百度百科中最近公共祖先的定义为：“对于有根树 T 的两个结点 p、q，最近公共祖先表示为一个结点 x，满足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度尽可能大（一个节点也可以是它自己的祖先）。”
例如，给定如下二叉搜索树: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5]
示例 1:
- 输入: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5], p = 2, q = 8
- 输出: 6
- 解释: 节点 2 和节点 8 的最近公共祖先是 6。
示例 2:
- 输入: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5], p = 2, q = 4
- 输出: 2
- 解释: 节点 2 和节点 4 的最近公共祖先是 2, 因为根据定义最近公共祖先节点可以为节点本身。
说明:
- 所有节点的值都是唯一的。
- p、q 为不同节点且均存在于给定的二叉搜索树中
思路
回想一下二叉搜索树的性质：
- 若它的左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；
- 若它的右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；
- 它的左、右子树也分别为二叉搜索树
利用这个性质可以进一步得知
若当前节点A是其左右子节点p、q的最近公共父节点
如果p、q在当前根节点A的左子树，那么节点A的值应该会满足：
A.val > p.val && A.val > q.val，节点A的值大于p、q范围，要往更小的那边去遍历（即节点A的左子树）
同理，如果p、q在当前根节点A的右子树，那么节点A的值应该会满足：
A.val < p.val && A.val < q.val，节点A的值小于于p、q范围，要往更大的那边去遍历（即节点A的右子树）
总结一下上述描述：在二叉搜索树中寻找最近公共父节点是靠判断当前节点（父节点）与目标值p、q之间的大小关系来实现的
什么意思？举个例子
我们从 根节点10 开始遍历，此时的[p, q]是[1, 9]（这里pq谁大谁小实际上是没有确定的），显然 根节点10 超出了[p, q]的范围，那么它就不可能是p、q的最近公共父节点，因此再往下遍历时，要走 根节点10 的左子树
（由于二叉搜索树的特性，其左子树里面的节点值均小于10，即有可能存在落在p、q区间内并且满足成为他们公共父节点的节点值）
遍历到 节点5 ，此时节点值已经落在[p, q]的范围内
如果继续向下遍历会出现以下结果：
- 向左，错过p；
- 向右，错过q；
因此，当我们在二叉搜索树里从上往下遍历时，如果遇到当前节点落在[p, q]（或[q, p]）里的情况，那么这个节点就是p、q的最近公共父节点
递归法
思路分析
1、确定递归函数的返回值和参数
这里我们不需要遍历整颗二叉树，且遇到满足条件的值就要返回，理论上来说应该是返回个bool就行了
但这里我们要找的是一个父节点，因此需要返回节点类型，传入参数与解题模板一致
class Solution {
public:
//确定递归函数的返回值和参数
TreeNode* traversal(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q){
}
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
}
};
2、确定终止条件
因为题目规定了p、q一定存在，那么递归一定会自行结束，所以其实有无终止条件都行
理论上，我们可以设置：当cur指向NULL后就终止
class Solution {
public:
//确定递归函数的返回值和参数
TreeNode* traversal(TreeNode* cur, TreeNode* p, TreeNode* q){
if(cur == NULL) return NULL;
}
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
}
};
3、确定单层处理逻辑
从上往下遍历就行，顺序不限（这里没有中节点的处理逻辑，遍历顺序无所谓了）
当我们遍历到当前某个节点，其落在p、q的范围内，那么就结束遍历，返回该节点
class Solution {
public:
//确定递归函数的返回值和参数
TreeNode* traversal(TreeNode* cur, TreeNode* p, TreeNode* q){
if(cur == NULL) return NULL;//确定终止条件
//当前值大于p、q范围，往左子树遍历
if(cur->val > p->val && cur->val > q->val){
TreeNode* left = traversal(cur->left, p, q);
//如果往左子树不断递归搜索，有返回值说明找到，此时可以直接将结果返回
if(left != NULL) return left;
}
//当前值小于p、q范围，往右子树遍历
if(cur->val < p->val && cur->val < q->val){
TreeNode* left = traversal(cur->right, p, q);
//如果往右子树不断递归搜索，有返回值说明找到，此时可以直接将结果返回
if(right != NULL) return right;
}
//剩下的情况就是cur落到p、q范围内的情况，那么此时cur就是要找的节点，返回即可
return cur;
}
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
}
};
完整代码
class Solution {
public:
//确定递归函数的返回值和参数
TreeNode* traversal(TreeNode* cur, TreeNode* p, TreeNode* q){
if(cur == NULL) return NULL;//确定终止条件
//当前值大于p、q范围，往左子树遍历
if(cur->val > p->val && cur->val > q->val){
TreeNode* left = traversal(cur->left, p, q);
//如果往左子树不断递归搜索，有返回值说明找到，此时可以直接将结果返回
if(left != NULL) return left;
}
//当前值小于p、q范围，往右子树遍历
if(cur->val < p->val && cur->val < q->val){
TreeNode* right = traversal(cur->right, p, q);
//如果往右子树不断递归搜索，有返回值说明找到，此时可以直接将结果返回
if(right != NULL) return right;
}
//剩下的情况就是cur落到p、q范围内的情况，那么此时cur就是要找的节点，返回即可
return cur;
}
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
return traversal(root, p, q);
}
};
迭代法
本题的迭代解法最简单，推荐记忆
你二叉搜索树不是有顺序嘛，那我就直接从根节点开始一直往下遍历就好了
如果当前节点大于p、q范围，往左子树遍历
如果当前节点小于p、q范围，往右子树遍历
class Solution {
public:
TreeNode* lowestCommonAncestor(TreeNode* root, TreeNode* p, TreeNode* q) {
while(root){
if(root->val > q->val && root->val > p->val){
//当前节点大于p、q范围，往左子树遍历
root = root->left;
}else if(root->val < q->val && root->val < p->val){
//当前节点小于p、q范围，往右子树遍历
root = root->right;
}else{//在范围内
return root;
}
}
return NULL;
}
};
