DFS（深度优先搜索）
一句话说清 DFS
DFS 沿着一条路一直走，走不动了才回头，回到最近一个还有岔路的路口，换一条继续走。 它不保证第一次到达就是最短，但能在很小的空间里走遍整张图，也天然适合「枚举所有方案」和「汇总子树信息」。
1
/ \
2 3
/ \ \
4 5 6
DFS 访问顺序：1 → 2 → 4 → （回退）→ 5 → （回退）→ 3 → 6
两个实现：递归与显式栈
| 实现 | 优点 | 缺点 | 适用 |
|---|---|---|---|
| 递归 | 代码短，前/中/后序位置清晰 | 受调用栈深度限制 | 树、网格、回溯 |
| 显式栈 | 不受递归限制，可控制入栈顺序 | 中序/后序写起来绕 | 超深图、需要手动管理状态 |
递归的本质就是用系统调用栈保存「回退点」。把递归改写成显式栈，就是把系统栈换成一个列表， 逻辑并没有变。
递归模板
def dfs(node):
if not node: # 1. 终止条件
return
# 前序位置：刚进入 node，此时还没处理子树
dfs(node.left) # 2. 处理左子树
# 中序位置：左子树处理完，右子树还没开始
dfs(node.right) # 3. 处理右子树
# 后序位置：左右子树都处理完，可以汇总信息
显式栈模板（前序）
def preorder(root):
if not root:
return []
ans = []
stack = [root]
while stack:
node = stack.pop()
ans.append(node.val)
# 栈是后进先出，所以先压右子树，保证左子树先被处理
if node.right:
stack.append(node.right)
if node.left:
stack.append(node.left)
return ans
前序、中序、后序：到底该把代码放在哪
同一个递归框架里有三个「位置」，它们决定了你能拿到什么信息：
| 位置 | 时机 | 适合做的事 |
|---|---|---|
| 前序 | 刚进入节点 | 向下传递信息：路径、当前和、深度、父节点状态 |
| 中序 | 左子树处理完 | 二叉搜索树的有序输出、验证 BST |
| 后序 | 左右子树都处理完 | 向上汇总信息：高度、节点数、子树是否合法、删节点 |
一句话记忆：信息往下走用前序，信息往上走用后序。
以「求最大深度」为例，深度是子树的结果，必须等左右子树都算完才能合并，所以用后序：
def max_depth(root):
if not root:
return 0
left = max_depth(root.left)
right = max_depth(root.right)
return max(left, right) + 1 # 后序：先有子结果，再合并
反过来，「路径总和」把剩余目标值往下传，用前序更自然：
def has_path_sum(root, target):
if not root:
return False
if not root.left and not root.right: # 叶子
return root.val == target
return (has_path_sum(root.left, target - root.val)
or has_path_sum(root.right, target - root.val))
什么时候该想到 DFS
| 题目信号 | 对应模型 |
|---|---|
| 判断连通、数连通块、Flood Fill | 图/网格遍历 |
| 枚举所有路径、所有组合、所有方案 | DFS + 回溯 |
| 需要子树的高度、节点数、是否平衡 | 树的后序遍历 |
| 判断有向图是否有环 | 三色标记 DFS |
| 需要记录「从根到当前节点」的路径 | 前序 + 回溯 |
| 记忆化搜索（递归 + 缓存） | DFS + memo |
不适合 DFS 的情况：
- 无权图最短路 / 最少步数：DFS 第一次到达不保证最短，用 BFS。
- 只关心「最近的那一个」：BFS 可以提前停，DFS 往往要把整片走完。
- 图非常深、递归层数会超过 Python 限制：改成显式栈或 BFS。
- 需要按层聚合结果：层序天然属于 BFS。
图的 DFS
图与树的区别是可能有环，所以必须记录访问状态，否则会无限递归。
def dfs_graph(graph, start):
visited = set()
order = []
def dfs(u):
if u in visited:
return
visited.add(u) # 进入时标记，保证每个点只处理一次
order.append(u)
for v in graph[u]:
dfs(v)
dfs(start)
return order
如果图不连通，需要对每个未访问的点调用一次 dfs：
for u in range(n):
if u not in visited:
dfs(u)
三色标记判环
只用一个 visited 集合，能判断「走没走过」，但判断不了「当前路径上有没有环」。
有向图判环需要三种状态：
0：没访问过；1：正在当前 DFS 路径上（访问中）；2：已经彻底处理完。
如果 DFS 时遇到状态 1 的邻居，说明沿着当前路径又走回了它 —— 有环。
def can_finish(num_courses, prerequisites):
graph = [[] for _ in range(num_courses)]
for course, pre in prerequisites:
graph[pre].append(course) # pre -> course
state = [0] * num_courses # 0 未访问 / 1 访问中 / 2 已完成
def dfs(u):
if state[u] == 1:
return False # 回到当前路径上的点：有环
if state[u] == 2:
return True # 这个点已经确认安全
state[u] = 1
for v in graph[u]:
if not dfs(v):
return False
state[u] = 2 # 所有后代都处理完，标记为安全
return True
return all(dfs(u) for u in range(num_courses))
同一道 207. 课程表 也可以用 BFS 的 Kahn 算法做。 两种写法都对：Kahn 更直观，三色 DFS 更容易扩展成「输出环上的点」。
网格的 DFS（Flood Fill）
网格可以看成一个每个格子最多有 4 个邻居的图。DFS 的写法非常短，代价是递归深度可能达到 m × n。
def num_islands(grid):
if not grid or not grid[0]:
return 0
rows, cols = len(grid), len(grid[0])
def dfs(r, c):
# 越界、不是陆地、已经访问过，都直接返回
if not (0 <= r < rows and 0 <= c < cols):
return
if grid[r][c] != '1':
return
grid[r][c] = '0' # 原地标记为已访问
dfs(r + 1, c)
dfs(r - 1, c)
dfs(r, c + 1)
dfs(r, c - 1)
count = 0
for r in range(rows):
for c in range(cols):
if grid[r][c] == '1':
count += 1
dfs(r, c)
return count
200. 岛屿数量 用 DFS 或 BFS 都可以。 区别只在：DFS 代码短、占递归栈；BFS 代码长一点、占队列，但不会被递归深度卡住。
回溯：DFS 的一个特殊分支
普通 DFS 每个节点只访问一次；回溯则是在 DFS 的基础上，进入下一层前「做选择」， 返回后「撤销选择」，从而枚举所有路径。
def subsets(nums):
ans = []
path = []
def dfs(i):
if i == len(nums):
ans.append(path.copy()) # 必须拷贝，否则后续修改会污染答案
return
dfs(i + 1) # 不选 nums[i]
path.append(nums[i]) # 选 nums[i]
dfs(i + 1)
path.pop() # 撤销选择
dfs(0)
return ans
「选 / 不选」的决策树有 2^n 个叶子，所以子集问题的复杂度是 O(2^n)。
回溯的模板、去重和剪枝细节见 回溯模式。
例题精讲
例 1：二叉树的最大深度（LeetCode 104）
def max_depth(root):
if not root:
return 0
return max(max_depth(root.left), max_depth(root.right)) + 1
推演 [3, 9, 20, null, null, 15, 7]：
| 节点 | 左子树深度 | 右子树深度 | 返回 |
|---|---|---|---|
| 9 | 0 | 0 | 1 |
| 15 | 0 | 0 | 1 |
| 7 | 0 | 0 | 1 |
| 20 | 1（15） | 1（7） | 2 |
| 3 | 1（9） | 2（20） | 3 |
答案 3。注意递归是先一路走到叶子，再在返回的路上逐层加一 —— 这就是后序。
例 2：二叉树的直径（LeetCode 543）
直径 = 任意两个节点之间最长路径的边数。它不一定经过根，所以不能只算「左高 + 右高」。 正确做法是：对每个节点，算出「以它为最高点的路径长度」，取全局最大值。
def diameter_of_binary_tree(root):
ans = 0
def depth(node):
nonlocal ans
if not node:
return 0
left = depth(node.left)
right = depth(node.right)
# 后序位置：左右深度都已经知道，可以更新答案
ans = max(ans, left + right)
return max(left, right) + 1 # 返回给父节点的是「单边最大深度」
depth(root)
return ans
这里有两个不同的量：
- 返回值是「以当前节点为端点、向下走的最长边数」，父节点只能接这一条；
- 答案是「以当前节点为拐点的左右两条边之和」，它不需要返回给父节点。
把这两个量分清楚，是树形 DFS 最关键的一步。
例 3：二叉树的最近公共祖先（LeetCode 236）
后序的经典应用。对每个节点，返回它的子树里找到了什么：
- 左右都找到目标 → 当前节点就是最近公共祖先；
- 只在一边找到 → 把那个结果继续往上传递；
- 都没找到 → 返回
None。
def lowest_common_ancestor(root, p, q):
if not root or root is p or root is q:
return root
left = lowest_common_ancestor(root.left, p, q)
right = lowest_common_ancestor(root.right, p, q)
if left and right:
return root # p、q 分居两侧，当前节点就是 LCA
return left or right # 都在同一侧，继续向上传
例 4：岛屿数量（LeetCode 200）
前面已经给出完整代码。这里补充一个易错点：DFS 的终止条件必须同时覆盖「越界」和「不是陆地」。
只判断 grid[r][c] != '1' 时，越界会先发生，Python 会报 IndexError；只判断越界时，
又会把水当成陆地继续递归。
例 5：单词搜索（LeetCode 79）
在网格里找一条路径，使字符依次拼成 word。每个格子只能使用一次，所以需要「访问标记 + 恢复现场」：
def exist(board, word):
rows, cols = len(board), len(board[0])
def dfs(r, c, i):
if i == len(word):
return True
if not (0 <= r < rows and 0 <= c < cols):
return False
if board[r][c] != word[i]:
return False
saved = board[r][c]
board[r][c] = '#' # 标记为当前路径已使用
found = (dfs(r + 1, c, i + 1) or dfs(r - 1, c, i + 1)
or dfs(r, c + 1, i + 1) or dfs(r, c - 1, i + 1))
board[r][c] = saved # 回溯：恢复现场
return found
return any(dfs(r, c, 0) for r in range(rows) for c in range(cols))
这类题和普通 Flood Fill 的区别是：访问标记只对当前路径有效。
如果像岛屿数量那样把格子永久改成 '0'，其他分支就再也用不了这个格子了。
常见变体
1. 多连通块遍历
图不连通时，外层套一个循环，对每个未访问的点启动一次 DFS。连通块个数就是启动次数。
2. 记录 DFS 序（时间戳）
在进入和离开节点时各记一个时间戳，可以把「子树」映射成一段连续区间， 用于「子树查询」「祖先判断」等问题。树链剖分、欧拉序都建立在这个思想上。
3. 记忆化搜索
DFS 的返回值只依赖参数时，可以把结果缓存起来，避免重复计算：
from functools import cache
@cache
def dfs(i, j):
...
这就是自顶向下的动态规划，详见 动态规划。
4. 迭代加深
当答案深度未知、且 BFS 空间太大时，限制 DFS 的最大深度，逐次放宽。 它在每一轮都重复搜索浅层，但空间仍是 O(深度)。常见于「最少步数但状态空间巨大」的题。
复杂度分析
| 场景 | 时间复杂度 | 空间复杂度 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 二叉树遍历 | O(n) | O(h) | h 是树高，最坏 O(n) |
| 图的 DFS | O(V + E) | O(V) | visited + 递归栈 |
| 网格 Flood Fill | O(m × n) | O(m × n) | 最坏递归深度为格子数 |
| 三色判环 | O(V + E) | O(V) | 每个点、每条边各访问一次 |
| 子集枚举 | O(2^n × n) | O(n) | 2^n 个叶子，每个答案拷贝 O(n) |
| 全排列 | O(n! × n) | O(n) | n! 个答案，每个长度 n |
易错点
- ❌ 忘记 visited：图有环时无限递归，直接栈溢出。
- ❌ visited 时机不对：普通遍历进入时标记没问题；判环必须区分「访问中」和「已完成」。
- ❌ 回溯忘记恢复现场：修改了
board/path却没有还原，后面的分支会拿到脏状态。 - ❌ 答案没有拷贝：
ans.append(path)存的是引用，最后所有答案都会变成同一个列表。 - ❌ 递归深度超限：Python 默认约 1000 层。网格 DFS 在
1000 × 1000的图上会直接崩，改用 BFS 或显式栈。 - ❌ 只从一个点开始 DFS：图/网格可能不连通，要外层遍历所有起点。
- ❌ 树题漏掉空节点判断：
if not root: return ...是所有树递归的第一行。 - ❌ 在递归中修改全局状态却不恢复：尤其是
nonlocal变量和闭包里的列表。
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图与网格：
回溯：
相关模式
算法可视化
下面有两个播放器。
树的 DFS 遍历：输入格式是 层序数组; 前序/中序/后序（例如 1,2,3,4,5,null,7; 前序）。
同一棵树，把遍历顺序切换成前序 / 中序 / 后序，观察访问序列的差别。
三种遍历的代码只差「记录当前节点」这一句的位置：前序在进入时记录，中序在左子树返回后记录，
后序在右子树返回后记录。中序在二叉搜索树上会得到有序序列，这不是巧合，而是 BST 的定义决定的。
回溯：子集：输入是逗号分隔的数字（例如 1,2,3）。跟着决策树走一遍「选 → 递归 → 撤销」。重点看 path 在每次返回后如何退回上一层。
如果撤销那一步被漏掉，后续分支会把别的分支的数字带进来，画面上会立刻出现重复或错误的答案。
算法可视化 · 树的 DFS 遍历（前序 / 中序 / 后序）可改输入后重跑
算法可视化 · 回溯：子集可改输入后重跑
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