给定一个二叉搜索树(BST)，找到树中第 K 小的节点

题目：给定一个二叉搜索树(BST)，找到树中第 K 小的节点。

出题人：阿里巴巴出题专家：文景／阿里云 CDN 资深技术专家

参考答案：

• 考察点

1. 基础数据结构的理解和编码能力
2. 递归使用

• 示例

       5
      / \
     3   6
    / \
   2   4
  /
 1
 

说明：保证输入的 K 满足 1<=K<=(节点数目）

解法1：树相关的题目，第一眼就想到递归求解，左右子树分别遍历。联想到二叉搜索树的性质，root 大于左子树，小于右子树，如果左子树的节点数目等于 K-1，那么 root 就是结果，否则如果左子树节点数目小于 K-1，那么结果必然在右子树，否则就在左子树。因此在搜索的时候同时返回节点数目，跟 K 做对比，就能得出结果了。

/**
 * Definition for a binary tree node.
 **/

public class TreeNode {
    int val;
    TreeNode left;
    TreeNode right;
    TreeNode(int x) { val = x; }
}

class Solution {
    private class ResultType {
    
        boolean found;  // 是否找到
        
        int val;  // 节点数目
        ResultType(boolean found, int val) {
            this.found = found;
            this.val = val;
        }
    }

    public int kthSmallest(TreeNode root, int k) {
        return kthSmallestHelper(root, k).val;
    }

    private ResultType kthSmallestHelper(TreeNode root, int k) {
        if (root == null) {
            return new ResultType(false, 0);
        }

        ResultType left = kthSmallestHelper(root.left, k);

        // 左子树找到，直接返回
        if (left.found) {
            return new ResultType(true, left.val);
        }

        // 左子树的节点数目 = K-1，结果为 root 的值
        if (k - left.val == 1) {
            return new ResultType(true, root.val);
        }

        // 右子树寻找
        ResultType right = kthSmallestHelper(root.right, k - left.val - 1);
        if (right.found) {
            return new ResultType(true, right.val);
        }

        // 没找到，返回节点总数
        return new ResultType(false, left.val + 1 + right.val);
    }
}

解法2：基于二叉搜索树的特性，在中序遍历的结果中，第k个元素就是本题的解。 最差的情况是k节点是bst的最右叶子节点，不过每个节点的遍历次数最多是1次。 遍历并不是需要全部做完，使用计数的方式，找到第k个元素就可以退出。 下面是go的一个简单实现。

// BST is binary search tree
type BST struct {
	key, value  int
	left, right *BST
}

func (bst *BST) setLeft(b *BST) {
	bst.left = b
}

func (bst *BST) setRight(b *BST) {
	bst.right = b
}

// count 查找bst第k个节点的值，未找到就返回0
func count(bst *BST, k int) int {
	if k < 1 {
		return 0
	}

	c := 0
	ok, value := countRecursive(bst, &c, k)

	if ok {
		return value
	}

	return 0
}

// countRecurisive 对bst使用中序遍历
// 用计数方式控制退出遍历，参数c就是已遍历节点数
func countRecursive(bst *BST, c *int, k int) (bool, int) {
	if bst.left != nil {
		ok, value := countRecursive(bst.left, c, k)
		if ok {
			return ok, value
		}
	}

	if *c == k-1 {
		return true, bst.value
	}

	*c++

	if bst.right != nil {
		ok, value := countRecursive(bst.right, c, k)
		if ok {
			return ok, value
		}
	}

	return false, 0
}

// 下面是测试代码，覆盖了退化的情况和普通bst

func createBST1() *BST {
	b1 := &BST{key: 1, value: 10}
	b2 := &BST{key: 2, value: 20}
	b3 := &BST{key: 3, value: 30}
	b4 := &BST{key: 4, value: 40}
	b5 := &BST{key: 5, value: 50}
	b6 := &BST{key: 6, value: 60}
	b7 := &BST{key: 7, value: 70}
	b8 := &BST{key: 8, value: 80}
	b9 := &BST{key: 9, value: 90}

	b9.setLeft(b8)
	b8.setLeft(b7)
	b7.setLeft(b6)
	b6.setLeft(b5)
	b5.setLeft(b4)
	b4.setLeft(b3)
	b3.setLeft(b2)
	b2.setLeft(b1)

	return b9
}

func createBST2() *BST {
	b1 := &BST{key: 1, value: 10}
	b2 := &BST{key: 2, value: 20}
	b3 := &BST{key: 3, value: 30}
	b4 := &BST{key: 4, value: 40}
	b5 := &BST{key: 5, value: 50}
	b6 := &BST{key: 6, value: 60}
	b7 := &BST{key: 7, value: 70}
	b8 := &BST{key: 8, value: 80}
	b9 := &BST{key: 9, value: 90}

	b1.setRight(b2)
	b2.setRight(b3)
	b3.setRight(b4)
	b4.setRight(b5)
	b5.setRight(b6)
	b6.setRight(b7)
	b7.setRight(b8)
	b8.setRight(b9)

	return b1
}

func createBST3() *BST {
	b1 := &BST{key: 1, value: 10}
	b2 := &BST{key: 2, value: 20}
	b3 := &BST{key: 3, value: 30}
	b4 := &BST{key: 4, value: 40}
	b5 := &BST{key: 5, value: 50}
	b6 := &BST{key: 6, value: 60}
	b7 := &BST{key: 7, value: 70}
	b8 := &BST{key: 8, value: 80}
	b9 := &BST{key: 9, value: 90}

	b5.setLeft(b3)
	b5.setRight(b7)
	b3.setLeft(b2)
	b3.setRight(b4)
	b2.setLeft(b1)
	b7.setLeft(b6)
	b7.setRight(b8)
	b8.setRight(b9)

	return b5
}

func createBST4() *BST {
	b := &BST{key: 1, value: 10}
	last := b

	for i := 2; i < 100000; i++ {
		n := &BST{key: i, value: i * 10}
		last.setRight(n)

		last = n
	}

	return b
}

func createBST5() *BST {
	b := &BST{key: 99999, value: 999990}
	last := b

	for i := 99998; i > 0; i-- {
		n := &BST{key: i, value: i * 10}
		last.setLeft(n)

		last = n
	}

	return b
}

func createBST6() *BST {
	b := &BST{key: 50000, value: 500000}
	last := b

	for i := 49999; i > 0; i-- {
		n := &BST{key: i, value: i * 10}
		last.setLeft(n)

		last = n
	}

	last = b

	for i := 50001; i < 100000; i++ {
		n := &BST{key: i, value: i * 10}
		last.setRight(n)

		last = n
	}

	return b
}

func TestK(t *testing.T) {
	bst1 := createBST1()
	bst2 := createBST2()
	bst3 := createBST3()
	bst4 := createBST4()

	check(t, bst1, 1, 10)
	check(t, bst1, 2, 20)
	check(t, bst1, 3, 30)
	check(t, bst1, 4, 40)
	check(t, bst1, 5, 50)
	check(t, bst1, 6, 60)
	check(t, bst1, 7, 70)
	check(t, bst1, 8, 80)
	check(t, bst1, 9, 90)

	check(t, bst2, 1, 10)
	check(t, bst2, 2, 20)
	check(t, bst2, 3, 30)
	check(t, bst2, 4, 40)
	check(t, bst2, 5, 50)
	check(t, bst2, 6, 60)
	check(t, bst2, 7, 70)
	check(t, bst2, 8, 80)
	check(t, bst2, 9, 90)

	check(t, bst3, 1, 10)
	check(t, bst3, 2, 20)
	check(t, bst3, 3, 30)
	check(t, bst3, 4, 40)
	check(t, bst3, 5, 50)
	check(t, bst3, 6, 60)
	check(t, bst3, 7, 70)
	check(t, bst3, 8, 80)
	check(t, bst3, 9, 90)

	check(t, bst4, 1, 10)
	check(t, bst4, 2, 20)
	check(t, bst4, 3, 30)
	check(t, bst4, 4, 40)
	check(t, bst4, 5, 50)
	check(t, bst4, 6, 60)
	check(t, bst4, 7, 70)
	check(t, bst4, 8, 80)
	check(t, bst4, 9, 90)

	check(t, bst4, 99991, 999910)
	check(t, bst4, 99992, 999920)
	check(t, bst4, 99993, 999930)
	check(t, bst4, 99994, 999940)
	check(t, bst4, 99995, 999950)
	check(t, bst4, 99996, 999960)
	check(t, bst4, 99997, 999970)
	check(t, bst4, 99998, 999980)
	check(t, bst4, 99999, 999990)
}

func check(t *testing.T, b *BST, k, value int) {
	t.Helper()

	checkCall(t, b, k, value, count)
	// 此处可添加其他解法的实现
}

func checkCall(t *testing.T, b *BST, k, value int, find func(bst *BST, kth int) int) {
	t.Helper()

	got := find(b, k)
	if got != value {
		t.Fatalf("want:%d, got:%d", value, got)
	}
}