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# 222.完全二叉树的节点个数

[力扣题目链接](https://leetcode-cn.com/problems/count-complete-tree-nodes/)

给出一个完全二叉树，求出该树的节点个数。

示例 1：
* 输入：root = [1,2,3,4,5,6]
* 输出：6

示例 2：
* 输入：root = []
* 输出：0

示例 3：
* 输入：root = [1]
* 输出：1

提示：

* 树中节点的数目范围是[0, 5 * 10^4]
* 0 <= Node.val <= 5 * 10^4
* 题目数据保证输入的树是 完全二叉树


# 思路

本篇给出按照普通二叉树的求法以及利用完全二叉树性质的求法。


## 普通二叉树

首先按照普通二叉树的逻辑来求。

这道题目的递归法和求二叉树的深度写法类似， 而迭代法，[二叉树：层序遍历登场！](https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html)遍历模板稍稍修改一下，记录遍历的节点数量就可以了。

递归遍历的顺序依然是后序（左右中）。

### 递归

如果对求二叉树深度还不熟悉的话，看这篇：[二叉树：看看这些树的最大深度](https://programmercarl.com/0104.二叉树的最大深度.html)。

1. 确定递归函数的参数和返回值：参数就是传入树的根节点，返回就返回以该节点为根节点二叉树的节点数量，所以返回值为int类型。

代码如下：
```
int getNodesNum(TreeNode* cur) {
```

2. 确定终止条件：如果为空节点的话，就返回0，表示节点数为0。

代码如下：

```
if (cur == NULL) return 0;
```

3. 确定单层递归的逻辑：先求它的左子树的节点数量，再求的右子树的节点数量，最后取总和再加一 （加1是因为算上当前中间节点）就是目前节点为根节点的节点数量。

代码如下：

```
int leftNum = getNodesNum(cur->left);      // 左
int rightNum = getNodesNum(cur->right);    // 右
int treeNum = leftNum + rightNum + 1;      // 中
return treeNum;
```

所以整体C++代码如下：

```CPP
// 版本一
class Solution {
private:
    int getNodesNum(TreeNode* cur) {
        if (cur == NULL) return 0;
        int leftNum = getNodesNum(cur->left);      // 左
        int rightNum = getNodesNum(cur->right);    // 右
        int treeNum = leftNum + rightNum + 1;      // 中
        return treeNum;
    }
public:
    int countNodes(TreeNode* root) {
        return getNodesNum(root);
    }
};
```

代码精简之后C++代码如下：
```CPP
// 版本二
class Solution {
public:
    int countNodes(TreeNode* root) {
        if (root == NULL) return 0;
        return 1 + countNodes(root->left) + countNodes(root->right);
    }
};
```

* 时间复杂度：$O(n)$
* 空间复杂度：$O(\log n)$，算上了递归系统栈占用的空间

**网上基本都是这个精简的代码版本，其实不建议大家照着这个来写，代码确实精简，但隐藏了一些内容，连遍历的顺序都看不出来，所以初学者建议学习版本一的代码，稳稳的打基础**。


### 迭代法

如果对求二叉树层序遍历还不熟悉的话，看这篇：[二叉树：层序遍历登场！](https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html)。

那么只要模板少做改动，加一个变量result，统计节点数量就可以了

```CPP
class Solution {
public:
    int countNodes(TreeNode* root) {
        queue<TreeNode*> que;
        if (root != NULL) que.push(root);
        int result = 0;
        while (!que.empty()) {
            int size = que.size();
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                TreeNode* node = que.front();
                que.pop();
                result++;   // 记录节点数量
                if (node->left) que.push(node->left);
                if (node->right) que.push(node->right);
            }
        }
        return result;
    }
};
```
* 时间复杂度：$O(n)$
* 空间复杂度：$O(n)$

## 完全二叉树

以上方法都是按照普通二叉树来做的，对于完全二叉树特性不了解的同学可以看这篇 [关于二叉树，你该了解这些！](https://programmercarl.com/二叉树理论基础.html)，这篇详细介绍了各种二叉树的特性。

完全二叉树只有两种情况，情况一：就是满二叉树，情况二：最后一层叶子节点没有满。

对于情况一，可以直接用 2^树深度 - 1 来计算，注意这里根节点深度为1。

对于情况二，分别递归左孩子，和右孩子，递归到某一深度一定会有左孩子或者右孩子为满二叉树，然后依然可以按照情况1来计算。

完全二叉树（一）如图：
![222.完全二叉树的节点个数](https://img-blog.csdnimg.cn/20201124092543662.png)

完全二叉树（二）如图：
![222.完全二叉树的节点个数1](https://img-blog.csdnimg.cn/20201124092634138.png)

可以看出如果整个树不是满二叉树，就递归其左右孩子，直到遇到满二叉树为止，用公式计算这个子树（满二叉树）的节点数量。

C++代码如下：

```CPP
class Solution {
public:
    int countNodes(TreeNode* root) {
        if (root == nullptr) return 0;
        TreeNode* left = root->left;
        TreeNode* right = root->right;
        int leftHeight = 0, rightHeight = 0; // 这里初始为0是有目的的，为了下面求指数方便
        while (left) {  // 求左子树深度
            left = left->left;
            leftHeight++;
        }
        while (right) { // 求右子树深度
            right = right->right;
            rightHeight++;
        }
        if (leftHeight == rightHeight) {
            return (2 << leftHeight) - 1; // 注意(2<<1) 相当于2^2，所以leftHeight初始为0
        }
        return countNodes(root->left) + countNodes(root->right) + 1;
    }
};
```

* 时间复杂度：$O(\log n × \log n)$
* 空间复杂度：$O(\log n)$

# 其他语言版本

## Java
```java
class Solution {
    // 通用递归解法
    public int countNodes(TreeNode root) {
        if(root == null) {
            return 0;
        }
        return countNodes(root.left) + countNodes(root.right) + 1;
    }
}
```
```java
class Solution {
    // 迭代法
    public int countNodes(TreeNode root) {
        if (root == null) return 0;
        Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(root);
        int result = 0;
        while (!queue.isEmpty()) {
            int size = queue.size();
            while (size -- > 0) {
                TreeNode cur = queue.poll();
                result++;
                if (cur.left != null) queue.offer(cur.left);
                if (cur.right != null) queue.offer(cur.right);
            }
        }
        return result;
    }
}
```
```java
class Solution {
    /**
     * 针对完全二叉树的解法
     *
     * 满二叉树的结点数为：2^depth - 1
     */
    public int countNodes(TreeNode root) {
        if(root == null) {
            return 0;
        }
        int leftDepth = getDepth(root.left);
        int rightDepth = getDepth(root.right);
        if (leftDepth == rightDepth) {// 左子树是满二叉树
            // 2^leftDepth其实是 （2^leftDepth - 1） + 1 ，左子树 + 根结点
            return (1 << leftDepth) + countNodes(root.right);
        } else {// 右子树是满二叉树
            return (1 << rightDepth) + countNodes(root.left);
        }
    }

    private int getDepth(TreeNode root) {
        int depth = 0;
        while (root != null) {
            root = root.left;
            depth++;
        }
        return depth;
    }
}
```

## Python

递归法：
```python
class Solution:
    def countNodes(self, root: TreeNode) -> int:
        return self.getNodesNum(root)
        
    def getNodesNum(self, cur):
        if not cur:
            return 0
        leftNum = self.getNodesNum(cur.left) #左
        rightNum = self.getNodesNum(cur.right) #右
        treeNum = leftNum + rightNum + 1 #中
        return treeNum
```

递归法：精简版
```python
class Solution:
    def countNodes(self, root: TreeNode) -> int:
        if not root:
            return 0
        return 1 + self.countNodes(root.left) + self.countNodes(root.right)
```

迭代法：
```python
import collections
class Solution:
    def countNodes(self, root: TreeNode) -> int:
        queue = collections.deque()
        if root:
            queue.append(root)
        result = 0
        while queue:
            size = len(queue)
            for i in range(size):
                node = queue.popleft()
                result += 1 #记录节点数量
                if node.left:
                    queue.append(node.left)
                if node.right:
                    queue.append(node.right)
        return result
```

完全二叉树
```python
class Solution:
    def countNodes(self, root: TreeNode) -> int:
        if not root:
            return 0
        left = root.left
        right = root.right
        leftHeight = 0 #这里初始为0是有目的的，为了下面求指数方便
        rightHeight = 0
        while left: #求左子树深度
            left = left.left
            leftHeight += 1
        while right: #求右子树深度
            right = right.right
            rightHeight += 1
        if leftHeight == rightHeight:
            return (2 << leftHeight) - 1 #注意(2<<1) 相当于2^2，所以leftHeight初始为0
        return self.countNodes(root.left) + self.countNodes(root.right) + 1
```

## Go

递归版本

```go
/**
 * Definition for a binary tree node.
 * type TreeNode struct {
 *     Val int
 *     Left *TreeNode
 *     Right *TreeNode
 * }
 */
//本题直接就是求有多少个节点，无脑存进数组算长度就行了。
func countNodes(root *TreeNode) int {
    if root == nil {
        return 0
    }
    res := 1
    if root.Right != nil {
        res += countNodes(root.Right)
    }
    if root.Left != nil {
        res += countNodes(root.Left)
    }
    return res
}
```

利用完全二叉树特性的递归解法
```go
func countNodes(root *TreeNode) int {
    if root == nil {
        return 0
    }
    leftH, rightH := 0, 0
    leftNode := root.Left
    rightNode := root.Right
    for leftNode != nil {
        leftNode = leftNode.Left
        leftH++
    }
    for rightNode != nil {
        rightNode = rightNode.Right
        rightH++
    }
    if leftH == rightH {
        return (2 << leftH) - 1
    }
    return countNodes(root.Left) + countNodes(root.Right) + 1
}
```



## JavaScript:

递归版本
```javascript
var countNodes = function(root) {
    //递归法计算二叉树节点数
    // 1. 确定递归函数参数
    const getNodeSum=function(node){
    //2. 确定终止条件
        if(node===null){
            return 0;
        }
    //3. 确定单层递归逻辑
        let leftNum=getNodeSum(node.left);
        let rightNum=getNodeSum(node.right);
        return leftNum+rightNum+1;
    }
    return getNodeSum(root);
};
```

迭代(层序遍历)版本
```javascript
var countNodes = function(root) {
    //层序遍历
    let queue=[];
    if(root===null){
        return 0;
    }
    queue.push(root);
    let nodeNums=0;
    while(queue.length){
        let length=queue.length;
        while(length--){
            let node=queue.shift();
            nodeNums++;
            node.left&&queue.push(node.left);
            node.right&&queue.push(node.right);
        }
    }
    return nodeNums;
};
```

利用完全二叉树性质 
```javascript
var countNodes = function(root) {
    //利用完全二叉树的特点
    if(root===null){
        return 0;
    }
    let left=root.left;
    let right=root.right;
    let leftHeight=0,rightHeight=0;
    while(left){
        left=left.left;
        leftHeight++;
    }
    while(right){
        right=right.right;
        rightHeight++;
    }
    if(leftHeight==rightHeight){
        return Math.pow(2,leftHeight+1)-1;
    }
    return countNodes(root.left)+countNodes(root.right)+1;
};
```

## C:
递归法
```c
int countNodes(struct TreeNode* root) {
    //若传入结点不存在，返回0
    if(!root)
        return 0;
    //算出左右子树的结点总数
    int leftCount = countNodes(root->left);
    int rightCount = countNodes(root->right);
    //返回左右子树结点总数+1
    return leftCount + rightCount + 1;
}

int countNodes(struct TreeNode* root){
    return getNodes(root);
}
```

迭代法
```c
int countNodes(struct TreeNode* root){
    //记录结点总数
    int totalNum = 0;
    //开辟栈空间
    struct TreeNode** stack = (struct TreeNode**)malloc(sizeof(struct TreeNode*) * 100);
    int stackTop = 0;
    //如果root结点不为NULL，则将其入栈。若为NULL，则不会进入遍历，返回0
    if(root)
        stack[stackTop++] = root;
    //若栈中有结点存在，则进行遍历
    while(stackTop) {
        //取出栈顶元素
        struct TreeNode* tempNode = stack[--stackTop];
        //结点总数+1
        totalNum++;
        //若栈顶结点有左右孩子，将它们入栈
        if(tempNode->left)
            stack[stackTop++] = tempNode->left;
        if(tempNode->right)
            stack[stackTop++] = tempNode->right;
    }
    return totalNum;
}
```

满二叉树
```c
int countNodes(struct TreeNode* root){
    if(!root)
        return 0;
    int leftHeight = 0;
    int rightHeight = 0;
    struct TreeNode* rightNode = root->right;
    struct TreeNode* leftNode = root->left;
    //求出左子树深度
    while(leftNode) {
        leftNode = leftNode->left;
        leftHeight++;
    }

    //求出右子树深度
    while(rightNode) {
        rightNode = rightNode->right;
        rightHeight++;
    }
    //若左右子树深度相同，为满二叉树。结点个数为2^height-1
    if(rightHeight == leftHeight) {
        return (2 << leftHeight) - 1;
    }
    //否则返回左右子树的结点个数+1
    return countNodes(root->right) + countNodes(root->left) + 1;
}
```

## Swift:

> 递归
```swift
func countNodes(_ root: TreeNode?) -> Int {
    return _countNodes(root)
}
func _countNodes(_ root: TreeNode?) -> Int {
    guard let root = root else {
        return 0
    }
    let leftCount = _countNodes(root.left)
    let rightCount = _countNodes(root.right)
    return 1 + leftCount + rightCount
}
```
  
> 层序遍历
```Swift
func countNodes(_ root: TreeNode?) -> Int {
    guard let root = root else {
        return 0
    }
    var res = 0
    var queue = [TreeNode]()
    queue.append(root)
    while !queue.isEmpty {
        let size = queue.count
        for _ in 0 ..< size {
            let node = queue.removeFirst()
            res += 1
            if let left = node.left {
                queue.append(left)
            }
            if let right = node.right {
                queue.append(right)
            }
        }
    }
    return res
}
```
  
> 利用完全二叉树性质
```Swift
func countNodes(_ root: TreeNode?) -> Int {
    guard let root = root else {
        return 0
    }
    var leftNode = root.left
    var rightNode = root.right
    var leftDepth = 0
    var rightDepth = 0
    while leftNode != nil {
        leftNode = leftNode!.left
        leftDepth += 1
    }
    while rightNode != nil {
        rightNode = rightNode!.right
        rightDepth += 1
    }
    if leftDepth == rightDepth {
        return (2 << leftDepth) - 1
    }
    return countNodes(root.left) + countNodes(root.right) + 1
}
```

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<div align="center"><img src=https://code-thinking.cdn.bcebos.com/pics/01二维码一.jpg width=500> </img></div>
