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东哥带你刷二叉树（序列化篇）

读完本文，你不仅学会了算法套路，还可以顺便解决如下题目：

LeetCode	力扣	难度
297. Serialize and Deserialize Binary Tree	297. 二叉树的序列化与反序列化	🔴
-	剑指 Offer 37. 序列化二叉树	🔴
-	剑指 Offer II 048. 序列化与反序列化二叉树	🔴

———–

在开头先打个广告，我的手把手刷二叉树课程按照公式和套路讲解了 150 道二叉树题目，只需一顿饭钱，就能手把手带你刷完二叉树分类的题目，迅速掌握递归思维，让你豁然开朗。我绝对有这个信心，信不信，可以等你看完我的二叉树算法系列文章再做评判。

本文是承接东哥带你刷二叉树（纲领篇）的第三篇文章，前文东哥带你刷二叉树（构造篇）带你学习了二叉树构造技巧，本文加大难度，让你对二叉树同时进行「序列化」和「反序列化」。

要说序列化和反序列化，得先从 JSON 数据格式说起。

JSON 的运用非常广泛，比如我们经常将变成语言中的结构体序列化成 JSON 字符串，存入缓存或者通过网络发送给远端服务，消费者接受 JSON 字符串然后进行反序列化，就可以得到原始数据了。

这就是序列化和反序列化的目的，以某种特定格式组织数据，使得数据可以独立于编程语言。

那么假设现在有一棵用 Java 实现的二叉树，我想把它通过某些方式存储下来，然后用 C++ 读取这棵并还原这棵二叉树的结构，怎么办？这就需要对二叉树进行序列化和反序列化了。

零、前/中/后序和二叉树的唯一性

谈具体的题目之前，我们先思考一个问题：什么样的序列化的数据可以反序列化出唯一的一棵二叉树？

比如说，如果给你一棵二叉树的前序遍历结果，你是否能够根据这个结果还原出这棵二叉树呢？

答案是也许可以，也许不可以，具体要看你给的前序遍历结果是否包含空指针的信息。如果包含了空指针，那么就可以唯一确定一棵二叉树，否则就不行。

举例来说，如果我给你这样一个不包含空指针的前序遍历结果 [1,2,3,4,5]，那么如下两棵二叉树都是满足这个前序遍历结果的：

所以给定不包含空指针信息的前序遍历结果，是不能还原出唯一的一棵二叉树的。

但如果我的前序遍历结果包含空指针的信息，那么就能还原出唯一的一棵二叉树了。比如说用 # 表示空指针，上图左侧的二叉树的前序遍历结果就是 [1,2,3,#,#,4,#,#,5,#,#]，上图右侧的二叉树的前序遍历结果就是 [1,2,#,3,#,#,4,5,#,#,#]，它俩就区分开了。

那么估计就有聪明的小伙伴说了：东哥我懂了，甭管是前中后序哪一种遍历顺序，只要序列化的结果中包含了空指针的信息，就能还原出唯一的一棵二叉树了。

首先要夸一下这种举一反三的思维，但很不幸，正确答案是，即便你包含了空指针的信息，也只有前序和后序的遍历结果才能唯一还原二叉树，中序遍历结果做不到。

本文后面会具体探讨这个问题，这里只简单说下原因：因为前序/后序遍历的结果中，可以确定根节点的位置，而中序遍历的结果中，根节点的位置是无法确定的。

更直观的，比如如下两棵二叉树显然拥有不同的结构，但它俩的中序遍历结果都是 [#,1,#,1,#]，无法区分：

说了这么多，总结下结论：

如果你的序列化结果中不包含空指针的信息，且你只给出一种遍历顺序，那么你无法还原出唯一的一棵二叉树。
如果你的序列化结果中不包含空指针的信息，且你会给出两种遍历顺序，那么按照前文东哥手把手带你刷二叉树（构造篇）所说，分两种情况：

2.1. 如果你给出的是前序和中序，或者后序和中序，那么你可以还原出唯一的一棵二叉树。

2.2. 如果你给出前序和后序，那么除非你的整棵树中不包含值相同的节点，否则你无法还原出唯一的一棵二叉树。
如果你的序列化结果中包含空指针的信息，且你只给出一种遍历顺序，也要分两种情况：

3.1. 如果你给出的是前序或者后序，那么你可以还原出唯一的一棵二叉树。

3.2. 如果你给出的是中序，那么除非你的整棵树中不包含值相同的节点，否则你无法还原出唯一的一棵二叉树。

我在开头提一下这些总结性的认识，可以理解性记忆，之后会遇到一些相关的题目，再回过头来看看这些总结，会有更深的理解，下面看具体的题目吧。

一、题目描述

力扣第 297 题「二叉树的序列化与反序列化」就是给你输入一棵二叉树的根节点 root，要求你实现如下一个类：

public class Codec {

    // 把一棵二叉树序列化成字符串
    public String serialize(TreeNode root) {}

    // 把字符串反序列化成二叉树
    public TreeNode deserialize(String data) {}
}

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

class Codec {
public:
    // 把一棵二叉树序列化成字符串
    string serialize(TreeNode* root);

    // 把字符串反序列化成二叉树
    TreeNode* deserialize(string data);
};

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

class Codec:
    
    # 把一棵二叉树序列化成字符串
    def serialize(self, root: TreeNode) -> str:
        pass

    # 把字符串反序列化成二叉树
    def deserialize(self, data: str) -> TreeNode:
        pass

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

type Codec struct{}

// 把一棵二叉树序列化成字符串
func (codec *Codec) serialize(root *TreeNode) string {}

// 把字符串反序列化成二叉树
func (codec *Codec) deserialize(data string) *TreeNode {}

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var Codec = function () {
    
    // 把一棵二叉树序列化成字符串
    this.serialize = function (root) {}
    
    // 把字符串反序列化成二叉树
    this.deserialize = function (data) {}
};

我们可以用 serialize 方法将二叉树序列化成字符串，用 deserialize 方法将序列化的字符串反序列化成二叉树，至于以什么格式序列化和反序列化，这个完全由你决定。

比如说输入如下这样一棵二叉树：

serialize 方法也许会把它序列化成字符串 2,1,#,6,#,#,3,#,#，其中 # 表示 null 指针，那么把这个字符串再输入 deserialize 方法，依然可以还原出这棵二叉树。

也就是说，这两个方法会成对儿使用，你只要保证他俩能够自洽就行了。

想象一下，二叉树结该是一个二维平面内的结构，而序列化出来的字符串是一个线性的一维结构。所谓的序列化不过就是把结构化的数据「打平」，本质就是在考察二叉树的遍历方式。

二叉树的遍历方式有哪些？递归遍历方式有前序遍历，中序遍历，后序遍历；迭代方式一般是层级遍历。本文就把这些方式都尝试一遍，来实现 serialize 方法和 deserialize 方法。

二、前序遍历解法

前文学习数据结构和算法的框架思维说过了二叉树的几种遍历方式，前序遍历框架如下：

void traverse(TreeNode root) {
    if (root == null) return;

    // 前序位置的代码
    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

void traverse(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) return;

    // 前序位置的代码
    traverse(root->left);
    traverse(root->right);
}

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

def traverse(root):
    if root is None:
        return
    # 前序位置的代码
    traverse(root.left)
    traverse(root.right)

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

func traverse(root *TreeNode) {
    if root == nil {
        return
    }

    // 前序位置的代码
    traverse(root.left)
    traverse(root.right)
}

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var traverse = function(root) {
  if (root == null) return;
  traverse(root.left); // 前序位置的代码
  traverse(root.right);
};

真的很简单，在递归遍历两棵子树之前写的代码就是前序遍历代码，那么请你看一看如下伪码：

LinkedList<Integer> res;
void traverse(TreeNode root) {
    if (root == null) {
        // 暂且用数字 -1 代表空指针 null
        res.addLast(-1);
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    res.addLast(root.val);
    /***********************/

    traverse(root.left);
    traverse(root.right);
}

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

list<int> res;
void traverse(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        // 暂且用数字 -1 代表空指针 null
        res.push_back(-1);
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    res.push_back(root->val);
    /***********************/

    traverse(root->left);
    traverse(root->right);
}

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

from typing import List

res: List[int]
def traverse(root: TreeNode) -> None:
    if root is None:
        # 暂且用数字 -1 代表空指针 null
        res.append(-1)
        return

    /****** 前序位置 ******/
    res.append(root.val)
    /***********************/

    traverse(root.left)
    traverse(root.right)

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var res *list.List

func traverse(root *TreeNode) {
    if root == nil {
        // 暂且用数字 -1 代表空指针 null
        res.PushBack(-1)
        return
    }

    /****** 前序位置 ******/
    res.PushBack(root.Val)
    /***********************/

    traverse(root.Left)
    traverse(root.Right)
}

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var res;
function traverse(root) {
  if (root == null) {
    // 暂且用数字 -1 代表空指针 null
    res.addLast(-1);
    return;
  }

  /****** 前序位置 ******/
  res.addLast(root.val);
  /***********************/

  traverse(root.left);
  traverse(root.right);
}

调用 traverse 函数之后，你是否可以立即想出这个 res 列表中元素的顺序是怎样的？比如如下二叉树（# 代表空指针 null），可以直观看出前序遍历做的事情：

那么 res = [1,2,-1,4,-1,-1,3,-1,-1]，这就是将二叉树「打平」到了一个列表中，其中 -1 代表 null。

那么，将二叉树打平到一个字符串中也是完全一样的：

// 代表分隔符的字符
String SEP = ",";
// 代表 null 空指针的字符
String NULL = "#";
// 用于拼接字符串
StringBuilder sb = new StringBuilder();

/* 将二叉树打平为字符串 */
void traverse(TreeNode root, StringBuilder sb) {
    if (root == null) {
        sb.append(NULL).append(SEP);
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    sb.append(root.val).append(SEP);
    /***********************/

    traverse(root.left, sb);
    traverse(root.right, sb);
}

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

// 代表分隔符的字符
string SEP = ",";
// 代表 null 空指针的字符
string NULL = "#";
// 用于拼接字符串
stringstream ss;

/* 将二叉树打平为字符串 */
void traverse(TreeNode* root, stringstream& ss) {
    if (root == NULL) {
        ss << NULL << SEP;
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    ss << root->val << SEP;
    /***********************/

    traverse(root->left, ss);
    traverse(root->right, ss);
}

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

# 代表分隔符的字符
SEP = ","
# 代表 null 空指针的字符
NULL = "#"
# 用于拼接字符串
sb = []

# 将二叉树打平为字符串
def traverse(root: TreeNode, sb: List[str]):
    if not root:
        sb.append(NULL)
        sb.append(SEP)
        return

    /****** 前序位置 ******/
    sb.append(str(root.val))
    sb.append(SEP)
    /***********************/

    traverse(root.left, sb)
    traverse(root.right, sb)

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

// 代表分隔符的字符
const SEP = ","
// 代表null空指针的字符
const NULL = "#"
// 用于拼接字符串
var sb strings.Builder

/* 将二叉树打平为字符串 */
func traverse(root *TreeNode, sb *strings.Builder) {
    if root == nil {
        sb.WriteString(NULL)
        sb.WriteString(SEP)
        return
    }

    /****** 前序位置 ******/
    sb.WriteString(strconv.Itoa(root.Val))
    sb.WriteString(SEP)
    /***********************/

    traverse(root.Left, sb)
    traverse(root.Right, sb)
}

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

// 代表分隔符的字符
var SEP = ",";
// 代表 null 空指针的字符
var NULL = "#";
// 用于拼接字符串
var sb = new StringBuilder();

/* 将二叉树打平为字符串 */
function traverse(root, sb) {
    if (root == null) {
        sb.append(NULL).append(SEP);
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    sb.append(root.val).append(SEP);
    /***********************/

    traverse(root.left, sb);
    traverse(root.right, sb);
}

StringBuilder 可以用于高效拼接字符串，所以也可以认为是一个列表，用 , 作为分隔符，用 # 表示空指针 null，调用完 traverse 函数后，sb 中的字符串应该是 1,2,#,4,#,#,3,#,#,。

至此，我们已经可以写出序列化函数 serialize 的代码了：

String SEP = ",";
String NULL = "#";

/* 主函数，将二叉树序列化为字符串 */
String serialize(TreeNode root) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    serialize(root, sb);
    return sb.toString();
}

/* 辅助函数，将二叉树存入 StringBuilder */
void serialize(TreeNode root, StringBuilder sb) {
    if (root == null) {
        sb.append(NULL).append(SEP);
        return;
    }

    /****** 前序位置 ******/
    sb.append(root.val).append(SEP);/**<extend up -200><img src="/algo/images/二叉树序列化/1.jpeg"> */
    /***********************/

    serialize(root.left, sb);
    serialize(root.right, sb);
}

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

string SEP = ",";
string NULL = "#";

/* 主函数，将二叉树序列化为字符串 */
string serialize(TreeNode* root) {
    string str;
    serialize(root, str);
    return str;
}

/* 辅助函数，将二叉树存入 string */
void serialize(TreeNode* root, string& str) {
    if (root == NULL) {
        str += NULL + SEP;
        return;
    }

    /* 前序位置 */
    str += to_string(root->val) + SEP;

    serialize(root->left, str);
    serialize(root->right, str);
}

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

SEP = ","
NULL = "#"

def serialize(root: TreeNode) -> str:
    sb = StringBuilder()
    serialize_helper(root, sb)
    return sb.toString()

def serialize_helper(root: TreeNode, sb: StringBuilder):
    if root is None:
        sb.append(NULL).append(SEP)
        return
    
    #前序位置
    sb.append(root.val).append(SEP) # <extend up -200><img src="/algo/images/二叉树序列化/1.jpeg"> #
    serialize_helper(root.left, sb)
    serialize_helper(root.right, sb)

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var SEP string = ","
var NULL string = "#"

// 主函数，将二叉树序列化为字符串
func serialize(root *TreeNode) string {
    sb := new(strings.Builder)
    serialize_helper(root, sb)
    return sb.String()
}

// 辅助函数，将二叉树存入 StringBuilder
func serialize_helper(root *TreeNode, sb *strings.Builder) {
    if root == nil {
        sb.WriteString(NULL)
        sb.WriteString(SEP)
        return
    }

    /****** 前序位置 ******/
    sb.WriteString(strconv.Itoa(root.Val))
    sb.WriteString(SEP)/**<extend up -200><img src="/algo/images/二叉树序列化/1.jpeg"> */
    /***********************/

    serialize_helper(root.Left, sb)
    serialize_helper(root.Right, sb)
}

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var SEP = ",";
var NULL = "#";

/* 主函数，将二叉树序列化为字符串 */
function serialize(root) {
    var sb = "";
    serializeHelper(root, sb);
    return sb.toString();
}

/* 辅助函数，将二叉树存入字符串 */
function serializeHelper(root, sb) {
    if (root == null) {
        sb += NULL + SEP;
        return;
    }

    /* 前序位置 */
    sb += root.val + SEP;
    /* extend up -200
    <figure><img src="/images/%e4%ba%8c%e5%8f%89%e6%a0%91%e5%ba%8f%e5%88%97%e5%8c%96/1.jpeg"
     class="shadow myimage"/>
</figure>
    */

    serializeHelper(root.left, sb);
    serializeHelper(root.right, sb);
}

现在，思考一下如何写 deserialize 函数，将字符串反过来构造二叉树。

首先我们可以把字符串转化成列表：

String data = "1,2,#,4,#,#,3,#,#,";
String[] nodes = data.split(",");

// 注意：cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

string data = "1,2,#,4,#,#,3,#,#,";
vector<string> nodes;
stringstream ss(data);
string item;
while(getline(ss, item, ',')) {
    nodes.push_back(item);
}

# 注意：python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

data = "1,2,#,4,#,#,3,#,#,"
nodes = data.split(",")

// 注意：go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

data := "1,2,#,4,#,#,3,#,#,"
nodes := strings.Split(data, ",")

// 注意：javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译，旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试，仅供参考，如有疑惑，可以参照我写的 java 代码对比查看。

var data = "1,2,#,4,#,#,3,#,#,";
var nodes = data.split(",");

这样，nodes 列表就是二叉树的前序遍历结果，问题转化为：如何通过二叉树的前序遍历结果还原一棵二叉树？

前文东哥带你刷二叉树（构造篇）说过，至少要得到前、中、后序遍历中的两种互相配合才能还原二叉树。那是因为前文的遍历结果没有记录空指针的信息。这里的 nodes 列表包含了空指针的信息，所以只使用 nodes 列表就可以还原二叉树。

根据我们刚才的分析，nodes 列表就是一棵打平的二叉树：

那么，反序列化过程也是一样，先确定根节点 root，然后遵循前序遍历的规则，递归生成左右子树即可：

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