# 路径总和 (Path Sum)

LeetCode 112. 简单

## 题目描述

给你二叉树的根节点 `root` 和一个表示目标和的整数 `targetSum`，判断该树中是否存在根节点到叶子节点的路径，这条路径上所有节点值相加等于目标和 `targetSum`。

**示例 1:**
```
输入：root = [5,4,8,11,null,13,4,7,2,null,null,null,1], targetSum = 22
输出：true
解释：等于目标和的根节点到叶节点路径如上图所示。
```

**示例 2:**
```
输入：root = [1,2,3], targetSum = 5
输出：false
解释：树中存在两条根节点到叶子节点的路径：
(1 --> 2): 和为 3
(1 --> 3): 和为 4
不存在 sum = 5 的根节点到叶子节点的路径。
```

**示例 3:**
```
输入：root = [], targetSum = 0
输出：false
解释：由于树是空的，所以不存在根节点到叶子节点的路径。
```

## 思路推导

### 理解路径总和

**路径定义**: 从根节点到叶子节点的节点序列

**叶子节点**: 没有子节点的节点（左右子节点都为空）

```
示例树:
      5
     / \
    4   8
   /   / \
  11  13  4
 /  \      \
7    2      1

路径示例:
- 5 → 4 → 11 → 7: 和 = 27
- 5 → 4 → 11 → 2: 和 = 22 ✓
- 5 → 8 → 13: 和 = 26
- 5 → 8 → 4 → 1: 和 = 18
```

### 暴力解法分析

**思路**: 从根节点开始，递归计算到每个叶子节点的路径和

**核心观察**:
1. 当前节点的路径和 = 节点值 + 子节点的路径和
2. 到达叶子节点时，检查路径和是否等于目标值
3. 这是一个天然的递归问题

**递归思路**:
```
hasPathSum(node, target):
  1. 空节点 → false（不存在路径）
  2. 叶子节点 → 检查 node.Val == target
  3. 非叶子节点 → 递归检查子节点
     hasPathSum(left, target - node.Val) ||
     hasPathSum(right, target - node.Val)
```

**为什么是 `target - node.Val`?**
- 到达当前节点时，已经累加了 `node.Val`
- 剩余需要的和 = `target - node.Val`
- 传递给子节点的目标是剩余值

**图解**:
```
目标: 22

      5          target=22
     / \
    4   8        target=17 (22-5)
   /   / \
  11  13  4      target=13 (17-4)
 /  \      \
7    2      1    target=2 (13-11)

检查叶子节点:
- 7: 7 == 2? ✗
- 2: 2 == 2? ✓ 找到路径！
```

**时间复杂度**: O(n) - 最坏情况遍历所有节点
**空间复杂度**: O(h) - h为树高，递归栈空间

### 为什么这样思考?

**核心思想**:
1. **降维**: 从"寻找路径"降为"检查单个节点"
2. **递归传递**: 每层递归传递剩余目标值
3. **基准情况**: 叶子节点判断是否满足条件

**为什么不是累加后比较?**
```go
// 方案1: 累加后比较（需要额外参数）
func hasPathSum(node, target, currentSum int) bool {
    if node == nil {
        return false
    }
    currentSum += node.Val
    if node.Left == nil && node.Right == nil {
        return currentSum == target
    }
    return hasPathSum(node.Left, target, currentSum) ||
           hasPathSum(node.Right, target, currentSum)
}

// 方案2: 递减目标值（更简洁）✓
func hasPathSum(node, target int) bool {
    if node == nil {
        return false
    }
    target -= node.Val
    if node.Left == nil && node.Right == nil {
        return target == 0
    }
    return hasPathSum(node.Left, target) ||
           hasPathSum(node.Right, target)
}
```

**原因**: 方案2更简洁，不需要额外参数

## 解题思路

### 核心思想
从根节点开始，递归检查每条路径，每次递归传递剩余目标值，到达叶子节点时判断是否满足条件。

### 详细算法流程

**步骤1: 处理空节点**
```go
if root == nil {
    return false  // 空树没有路径
}
```

**关键点**: 这是递归的基准情况之一

**步骤2: 判断是否为叶子节点**
```go
if root.Left == nil && root.Right == nil {
    return root.Val == targetSum
}
```

**关键点**: 叶子节点是路径的终点

**步骤3: 递归检查左右子树**
```go
// 传递剩余目标值
return hasPathSum(root.Left, targetSum - root.Val) ||
       hasPathSum(root.Right, targetSum - root.Val)
```

**关键点**:
- `targetSum - root.Val` 是剩余目标值
- 使用 `||` 短路运算：找到一条路径即可返回true

**图解**:
```
示例: root = [1,2,3], targetSum = 3

      1          target=3
     / \
    2   3        target=2 (3-1)

检查:
├─ 路径1: 1 → 2
│  └─ 叶子节点2: 2 == 2? ✓ 返回true
└─ 路径2: 1 → 3
   └─ 由于||短路，不再检查

最终返回: true
```

### 关键细节说明

**细节1: 为什么先判断空节点，再判断叶子节点?**

```go
// ❌ 错误顺序
if root.Left == nil && root.Right == nil {
    return root.Val == targetSum
}
if root == nil {
    return false
}

// ✅ 正确顺序
if root == nil {
    return false
}
if root.Left == nil && root.Right == nil {
    return root.Val == targetSum
}
```

**原因**: 空节点检查必须在前面，否则空节点会被误判

**细节2: 为什么叶子节点要同时检查左右为空?**

```go
// 只有左右都为空才是叶子节点
if root.Left == nil && root.Right == nil {
    return root.Val == targetSum
}
```

**原因**:
- `root.Left == nil` 但 `root.Right != nil`: 不是叶子节点
- `root.Right == nil` 但 `root.Left != nil`: 不是叶子节点
- 只有两者都为空才是叶子节点

**细节3: 为什么使用 `||` 而不是 `&&`?**

```go
return hasPathSum(root.Left, targetSum - root.Val) ||
       hasPathSum(root.Right, targetSum - root.Val)
```

**原因**:
- `||`: 只要有一条路径满足即可
- `&&`: 需要所有路径都满足（错误理解）

### 边界条件分析

**边界1: 空树**
```
输入: root = nil, targetSum = 0
输出: false
处理: 直接返回false（空树没有路径）
```

**边界2: 只有根节点且值等于目标**
```
输入: root = [1], targetSum = 1
输出: true
处理:
- 1是叶子节点
- 1 == 1? ✓ 返回true
```

**边界3: 只有根节点但值不等于目标**
```
输入: root = [1], targetSum = 2
输出: false
处理:
- 1是叶子节点
- 1 == 2? ✗ 返回false
```

**边界4: 目标值为0但树非空**
```
输入:
  1
 / \
2   3
targetSum = 0

输出: false
处理:
- 路径1: 1 → 2, 和=3 ≠ 0
- 路径2: 1 → 3, 和=4 ≠ 0
- 返回false
```

**边界5: 负数节点值**
```
输入:
   -2
   / \
  3   1
targetSum = 1

输出: true
处理:
- 路径1: -2 → 3, 和=1 ✓
- 路径2: -2 → 1, 和=-1 ✗
- 返回true
```

**边界6: 单链树**
```
输入:
  1
 /
2
/
3
targetSum = 6

输出: true
处理:
- 路径: 1 → 2 → 3, 和=6 ✓
- 返回true
```

### 复杂度分析（详细版）

**时间复杂度**:
```
- 最坏情况: O(n) - 遍历所有节点
- 最好情况: O(1) - 根节点就是目标
- 平均情况: O(n)

为什么是O(n)?
- 每个节点最多访问一次
- 找到路径后可能提前退出（||短路）
- 最坏情况需要遍历所有节点
```

**空间复杂度**:
```
- 递归栈: O(h) - h为树高
  - 最坏情况（链状树）: O(n)
  - 最好情况（完全平衡树）: O(log n)
- 总计: O(h)
```

### 执行过程演示

**输入**:
```
      5
     / \
    4   8
   /   / \
  11  13  4
 /  \      \
7    2      1
targetSum = 22
```

**执行过程**:
```
调用 hasPathSum(5, 22):
├─ target = 22 - 5 = 17
├─ 5不是叶子节点
├─ 调用 hasPathSum(4, 17):
│  ├─ target = 17 - 4 = 13
│  ├─ 4不是叶子节点
│  ├─ 调用 hasPathSum(11, 13):
│  │  ├─ target = 13 - 11 = 2
│  │  ├─ 11不是叶子节点
│  │  ├─ 调用 hasPathSum(7, 2):
│  │  │  ├─ target = 2 - 7 = -5
│  │  │  ├─ 7是叶子节点
│  │  │  └─ -5 == 7? ✗ 返回false
│  │  ├─ 调用 hasPathSum(2, 2):
│  │  │  ├─ target = 2 - 2 = 0
│  │  │  ├─ 2是叶子节点
│  │  │  └─ 0 == 2? ✓ 返回true
│  │  └─ 返回 true || false = true
│  └─ 返回 true（短路，不检查8）
└─ 返回 true

最终返回: true
```

**找到的路径**: 5 → 4 → 11 → 2，和 = 22

## 代码实现

### 方法一：递归（推荐）

```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root == nil {
        return false
    }

    // 叶子节点，检查是否满足条件
    if root.Left == nil && root.Right == nil {
        return root.Val == targetSum
    }

    // 递归检查左右子树
    return hasPathSum(root.Left, targetSum - root.Val) ||
           hasPathSum(root.Right, targetSum - root.Val)
}
```

**复杂度**: O(n) 时间，O(h) 空间

### 方法二：递归（提前返回优化）

```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root == nil {
        return false
    }

    targetSum -= root.Val

    // 叶子节点
    if root.Left == nil && root.Right == nil {
        return targetSum == 0
    }

    // 先检查左子树，找到路径直接返回
    if root.Left != nil {
        if hasPathSum(root.Left, targetSum) {
            return true
        }
    }

    // 再检查右子树
    if root.Right != nil {
        if hasPathSum(root.Right, targetSum) {
            return true
        }
    }

    return false
}
```

**复杂度**: O(n) 时间，O(h) 空间

### 方法三：BFS（队列）

```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root == nil {
        return false
    }

    type NodeWithSum struct {
        node *TreeNode
        sum  int
    }

    queue := []NodeWithSum{{root, 0}}

    for len(queue) > 0 {
        current := queue[0]
        queue = queue[1:]

        current.sum += current.node.Val

        // 叶子节点
        if current.node.Left == nil && current.node.Right == nil {
            if current.sum == targetSum {
                return true
            }
            continue
        }

        if current.node.Left != nil {
            queue = append(queue, NodeWithSum{current.node.Left, current.sum})
        }
        if current.node.Right != nil {
            queue = append(queue, NodeWithSum{current.node.Right, current.sum})
        }
    }

    return false
}
```

**复杂度**: O(n) 时间，O(n) 空间

### 方法四：DFS迭代（栈）

```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root == nil {
        return false
    }

    type NodeWithSum struct {
        node *TreeNode
        sum  int
    }

    stack := []NodeWithSum{{root, 0}}

    for len(stack) > 0 {
        current := stack[len(stack)-1]
        stack = stack[:len(stack)-1]

        current.sum += current.node.Val

        // 叶子节点
        if current.node.Left == nil && current.node.Right == nil {
            if current.sum == targetSum {
                return true
            }
            continue
        }

        if current.node.Right != nil {
            stack = append(stack, NodeWithSum{current.node.Right, current.sum})
        }
        if current.node.Left != nil {
            stack = append(stack, NodeWithSum{current.node.Left, current.sum})
        }
    }

    return false
}
```

**复杂度**: O(n) 时间，O(n) 空间

## 常见错误

### 错误1: 判断顺序错误

❌ **错误写法**:
```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root.Left == nil && root.Right == nil {
        return root.Val == targetSum
    }
    if root == nil {
        return false  // 永远不会执行！
    }
    // ...
}
```

✅ **正确写法**:
```go
func hasPathSum(root *TreeNode, targetSum int) bool {
    if root == nil {
        return false
    }
    if root.Left == nil && root.Right == nil {
        return root.Val == targetSum
    }
    // ...
}
```

**原因**: 空节点检查必须在前面

### 错误2: 忘记递减目标值

❌ **错误写法**:
```go
return hasPathSum(root.Left, targetSum) ||  // 忘记减去root.Val
       hasPathSum(root.Right, targetSum)
```

✅ **正确写法**:
```go
return hasPathSum(root.Left, targetSum - root.Val) ||
       hasPathSum(root.Right, targetSum - root.Val)
```

**原因**: 需要传递剩余目标值

### 错误3: 叶子节点判断错误

❌ **错误写法**:
```go
if root.Left == nil {  // 只检查左子树
    return root.Val == targetSum
}
```

✅ **正确写法**:
```go
if root.Left == nil && root.Right == nil {  // 同时检查左右
    return root.Val == targetSum
}
```

**原因**: 叶子节点必须左右子节点都为空

### 错误4: 空树与目标为0混淆

❌ **错误理解**:
```go
// 错误：认为空树且目标为0时返回true
if root == nil && targetSum == 0 {
    return true
}
```

✅ **正确理解**:
```go
// 空树没有路径，永远返回false
if root == nil {
    return false
}
```

**原因**: 空树不存在根节点到叶子节点的路径

## 变体问题

### 变体1: 路径总和 II（返回所有路径）

```go
func pathSum(root *TreeNode, targetSum int) [][]int {
    result := [][]int{}
    path := []int{}
    dfs(root, targetSum, path, &result)
    return result
}

func dfs(node *TreeNode, target int, path []int, result *[][]int) {
    if node == nil {
        return
    }

    target -= node.Val
    path = append(path, node.Val)

    if node.Left == nil && node.Right == nil {
        if target == 0 {
            // 复制path，避免修改
            temp := make([]int, len(path))
            copy(temp, path)
            *result = append(*result, temp)
        }
        return
    }

    dfs(node.Left, target, path, result)
    dfs(node.Right, target, path, result)
}
```

### 变体2: 路径总和 III（任意起点和终点）

```go
func pathSumIII(root *TreeNode, targetSum int) int {
    if root == nil {
        return 0
    }

    // 以当前节点为起点的路径数
    count := countPath(root, targetSum)

    // 递归检查左右子树
    count += pathSumIII(root.Left, targetSum)
    count += pathSumIII(root.Right, targetSum)

    return count
}

func countPath(node *TreeNode, target int) int {
    if node == nil {
        return 0
    }

    count := 0
    if node.Val == target {
        count++
    }

    count += countPath(node.Left, target - node.Val)
    count += countPath(node.Right, target - node.Val)

    return count
}
```

### 变体3: 最大路径和（路径可以任意起止）

```go
func maxPathSum(root *TreeNode) int {
    maxSum := math.MinInt32
    maxGain(root, &maxSum)
    return maxSum
}

func maxGain(node *TreeNode, maxSum *int) int {
    if node == nil {
        return 0
    }

    // 递归计算左右子树的最大贡献值
    leftGain := max(0, maxGain(node.Left, maxSum))
    rightGain := max(0, maxGain(node.Right, maxSum))

    // 当前节点的最大路径和
    currentSum := node.Val + leftGain + rightGain
    *maxSum = max(*maxSum, currentSum)

    // 返回当前节点的最大贡献值
    return node.Val + max(leftGain, rightGain)
}
```

## 总结

**核心要点**:
1. **递归传递剩余目标值**: `targetSum - node.Val`
2. **叶子节点判断**: 左右子节点都为空
3. **空节点处理**: 空树没有路径，返回false
4. **|| 短路运算**: 找到一条路径即可返回true

**易错点**:
- 判断顺序错误（空节点必须在叶子节点前）
- 忘记递减目标值
- 叶子节点判断不完整
- 空树与目标为0混淆

**方法选择**:
- 递归法（推荐）：代码简洁，逻辑清晰
- BFS/DFS迭代：避免递归栈溢出

**关键规律**:
- 路径 = 根节点到叶子节点的节点序列
- 目标值递减传递，叶子节点判断是否为0
- 使用 || 找到任意一条满足条件的路径即可