数据结构/C++：AVL树

- 概念
- 实现
- - 插入
  - - 左单旋
    - 右单旋
    - 左右双旋
    - 右左双旋
- 总代码展示

概念

AVL树是一种自平衡二叉搜索树（BST），被命名为Adelson-Velskii和Landis树，以它们的发明者们的名字命名。AVL树通过在插入和删除操作后进行自旋操作来保持树的平衡，以确保树的高度始终保持在O(logN)。这样可以减少树的平均长度，提高搜索效率。

一颗二叉搜索树，如果每个根节点的左右子树的高度差的绝对值不超过1，那么这就是一颗AVL树

比如这就是一颗高度不平衡的树：
在这里插入图片描述

这是一颗AVL树：
在这里插入图片描述

那么我们要如何实现一颗AVL树？
一般的二叉搜索树在插入新节点以及删除节点时，都有可能会破坏树的平衡，所以AVL树需要对插入以及删除接口做修改，每次插入删除时，都要检测一下当前的树时候符合AVL树，如果不符合，要做出相应的调整措施。

实现

插入

限制于AVL树的要求，每个根节点的左右子树高度差绝对值不超过1，我们在此处为AVL树增加一个成员_bf，称为平衡因子(balance factor)，其值为左右子树高度的差值，当这个差值的绝对值>=2，就说明这个节点的左右子树不平衡，那么我们就要使用相应的手段调整这棵树。在此处，本博客的平衡因子为右子树高度 - 左子树高度，这样顺序没有严格要求。

AVL树节点类：

template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
    AVLTreeNode* _left;
    AVLTreeNode* _right;
    AVLTreeNode* _parent;
    int _bf;
    pair<K, V> _kv;

    AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
        : _left(nullptr)
        , _right(nullptr)
        , _parent(nullptr)
        , _bf(0)
        , _kv(kv)
    {}
};

_left：指向左子树
_right：指向右子树
_parent：指向父节点
_bf：平衡因子
_kv：存储的键值对

首先，由于平衡因子的限制，我们的AVL树任何一颗高为h + 1的子树只有可能会出现以下三种情况：

在这里插入图片描述

也就是，平衡因子为0，1，-1三种情况。
现在对这个AVL树进行插入操作，也就有多种可能，由于平衡因子为1与-1的情况是对称的，所以此处先举例平衡因子为-1的情况：

在这里插入图片描述
三种情况分别是：

两棵子树等高的情况，在任意一边插入
两棵子树不等高的情况，在矮的子树插入
两颗子树不等高的情况，在高的子树插入

首先，对于第一种情况，两棵子树等高，在任意一边插入：
对于这颗子树，其会有一颗子树变高，一颗子树不变，更新平衡因子：从_bf = 0变成_bf = 1或_bf = -1，此时平衡因子还处于正常范围内，这颗子树还是一颗AVL树。但是对于这颗子树的父节点，其一边的子树高度增加，所以还要往上影响父节点，往上继续判断。

情况一：_bf = 0变成_bf = 1或_bf = -1，不影响AVL结构，影响父节点

对于第二种情况：两棵子树不等高的情况，在矮的子树插入：
对于这颗子树，其矮的子树变高了，而且会与另外一颗子树等高，更新平衡因子：从_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 0。不影响AVL结构，原先整个子树高度是h + 1，插入节点后并没有影响整颗子树的高度，所以对于这个子树的父节点，不会受到影响。

情况二：_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 0，不影响AVL结构，不影响父节点

对于第三种情况：两颗子树不等高的情况，在高的子树插入：
对于这颗子树，其高的子树变得更高了，更新平衡因子：从_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 2或_bf = -2。这个插入操作影响了AVL树的结构，此时要立刻调整当前子树，让其平衡。

情况三：_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 2或_bf = -2，影响AVL结构，立刻调整子树

那么我们先写出当前的代码逻辑，既然要插入，那么就要先找到合适的位置插入，代码如下：

    bool Insert(const pair<K, V>& kv)
    {
        if (_root == nullptr)
        {
            _root = new Node(kv);
        }

        Node* cur = _root;
        Node* parent = nullptr;

        while (cur)
        {
            if (cur->_kv.first < kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_right;
            }
            else if (cur->_kv.first > kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_left;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }

        cur = new Node(kv);

        if (parent->_kv.first > kv.first)
            parent->_left = cur;
        else
            parent->_right = cur;

        cur->_parent = parent;
       
       //调整平衡
       //......
       //......
       //......
       
        return true;
    }

接下来，我先解析以上代码的逻辑：

if (_root == nullptr)
{
	_root = new Node(kv);
}
如果我们插入节点时，根节点_root为空，说明当前整棵树都为空，那么我们直接插入值作为根节点即可
while (cur)
{
	if (cur->_kv.first < kv.first)
	{
		parent = cur;
		cur = cur->_right;
	}
	else if (cur->_kv.first > kv.first)
	{
		parent = cur;
		cur = cur->_left;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}
以上代码，是在找到合适的插入位置，当key大于当前节点cur->_kv.first < kv.first，那么cur就向左寻找，反之向右寻找。如果当前节点值等于key，那么说明该节点已经存在，返回false代表插入失败。当我们的cur为空指针，说明已经找到了插入的节点，此时跳出循环进行插入。
cur = new Node(kv);

if (parent->_kv.first > kv.first)
	parent->_left = cur;
else
	parent->_right = cur;

cur->_parent = parent;
到达此处，说明前面已经找到插入的位置了，而parent节点就是插入位置的父亲节点。根据key的大小，来判断插入到左边还是右边，插入完成后，再让新节点的_parent指向parent。

至此我们就完成了插入操作，接下来就要根据一开始推导的三种情况进行调整。

既然我们在parent处插入了节点，那么我们第一步就是更新parent的平衡因子：

如果cur是parent的左子树，那么平衡因子-1
如果cur是parent的右子树，那么平衡因子+1

if (cur == parent->_left)
    parent->_bf--;
else
    parent->_bf++;

更新完平衡因子后，就要判断属于三种情况的哪一种：

if (parent->_bf == 0)
{
	//情况二
}
else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
{
	//情况一
}
else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
{
	//情况三
}
else
{
    assert(false);
}

如果我们的平衡因子在插入后是0，说明原先平衡因子是1或-1，此操作是两棵子树不等高的情况，在矮的子树插入，即情况二。

如果我们的平衡因子在插入后是1或-1，说明原先平衡因子是0，此操作是两棵子树等高的情况，在任意一边插入，即情况一。

如果我们的平衡因子在插入后是2或-2，说明原先平衡因子是1或-1，此操作是两颗子树不等高的情况，在高的子树插入，即情况三。

如果不是以上情况，说明在插入这个节点之前，就已经违反了AVL树的规则，直接assert退出程序，避免出现更糟糕的错误。

代码实现：

情况一：_bf = 0变成_bf = 1或_bf = -1，不影响AVL结构，影响父节点

其不会影响自身的AVL结构，所以不用对自生做操作，但是由于其高度增加了，所以有可能会影响其父节点，那么此时我们就要去看看父节点是否平衡。而对于其父节点而言，也必然会是三种情况之一，所以我们只需要一个循环即可：

 while (parent)
 {
     if (cur == parent->_left)
         parent->_bf--;
     else
         parent->_bf++;

     if (parent->_bf == 0)
     {
     	//情况二
     }
     else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
     {
         cur = cur->_parent;
         parent = parent->_parent;
     }
     else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
     {
     	//情况三
     }
     else
     {
         assert(false);
     }
 }

解析：

while (parent)  {  	//......  } 
这个while循环用于不停的判断父节点的平衡因子，并作出调整，直到某次调整不会影响父节点，或者已经到达根节点了，就退出循环。
parent->_bf--; else
parent->_bf++; 
这个步骤是在更新父节点的平衡因子。
后续判断当前的父节点属于哪一种情况，并做出相应措施，其中我们已经分析了第一种情况：
else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1) 
{
    cur = cur->_parent;
    parent = parent->_parent; 
}
如果当前的处于情况一，那么此次不需要调整，但是会影响其父节点，所以parent = parent->_parent;来更新父节点，并进入下一次while循环判断。

情况二：_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 0，不影响AVL结构，不影响父节点

因为其不会影响自己以外的节点，也没有破坏平衡，所以直接跳出while循环，啥也不用做。

if (parent->_bf == 0)
{
	break;
}

情况三：_bf = 1或_bf = -1变成_bf = 2或_bf = -2，影响AVL结构，立刻调整子树

我们先看到当前的调整总代码：

 while (parent)
 {
     if (cur == parent->_left)
         parent->_bf--;
     else
         parent->_bf++;

     if (parent->_bf == 0)
     {
         break;
     }
     else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
     {
         cur = cur->_parent;
         parent = parent->_parent;
     }
     else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
     {
     	//情况三
        //调整平衡
        //......
        //......
        //......
     }
     else
     {
         assert(false);
     }
 }

现在只差情况三了，而情况三比较复杂，我们现在分析一下：
第三种情况如下：
在这里插入图片描述

也就是子树不等高的情况下，在高子树插入节点，导致原本高的子树更高了，破坏了平衡。
以左侧为例，我们将高度为h的子树拆分出来，其一定是是以下情况之一：

在这里插入图片描述

为什么一定是这两种情况？高度为h的子树的两个子树一定是h-1吗？其实并不是的，我们先看看如果有一颗子树不为h-1会发生什么：
在这里插入图片描述

可以看到，这两种插入的情况，左子树的值分别是-2和0。对于0，此时左子树本身高度既没有变化，也没有破坏AVL结构，根本就不会影响到最高处的节点。对于-2，此时左子树已经破坏了AVL结构，此时应该先对左子树直接调整，处理问题，而不是留到最顶上的节点时，再去调整左子树。因此这两种情况下，循环根本就到不了最顶部的节点，情况三的两棵子树高度一定相等。

也就是以下情况：
在这里插入图片描述

对于左侧情况，叫做LL失衡（L表示left），对于右侧情况，叫做LR失衡（R表示right）。
与LL失衡对应的是RR失衡，我们先解决这两种情况的失衡：
在这里插入图片描述

想要解决这两种失衡，就分别要用到左单旋算法和右单旋算法。

左单旋

我们先看到左单旋的示意图，再做讲解：
在这里插入图片描述

我来解析一下以上过程：

我们在subL节点的左子树插入了一个节点，导致parent失衡，接着我们就要尝试调整节点，让这棵树平衡。

由于subL的右子树subLR高度为h-1，而parent的右子树高度也为h-1，此时我们可以想办法把这两个h-1的等高子树凑到一起去，于是我们把parent的左子树断开，把subL的右子树拿去给parent做左子树，此时parent就得到了等高的两棵子树。也就是第二张图片的情况。

随后，以parent为根的树，总高度为h，而subL的左子树刚好高度也是h-1+1 = h，所以我们可以把parent交给subL做子树，这样subL的两边也就平衡了。而刚刚我们把subL的右子树空出来了，此时可以直接转移，就得到了第三种图片的情况。

这个情况下，我们以subL为根的树是一颗平衡的树，而且平衡因子为0，插入节点前以parent为根的子树，高度为h+1，插入节点且旋转后高度仍为h+1。插入前后高度不变，不会影响父节点，直接跳出循环。

接下来我们完成左单旋的代码：

//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
    Node* subR = parent->_right;
    Node* subRL = subR->_left;

    parent->_right = subRL;
    if (subRL)
        subRL->_parent = parent;

    subR->_left = parent;
    Node* ppNode = parent->_parent;
    parent->_parent = subR;

    if (parent == _root)
    {
        _root = subR;
        subR->_parent = nullptr;
    }
    else
    {
        if (ppNode->_left == parent)
            ppNode->_left = subR;
        else
            ppNode->_right = subR;

        subR->_parent = ppNode;
    }

    parent->_bf = 0;
    subR->_bf = 0;
}

代码解析：

parent->_right = subRL;
if (subRL)
    subRL->_parent = parent;

此代码完成了parent与subL之间的链接，要注意的是，subRL有可能是空指针，比如这样：
在这里插入图片描述
所以在访问 subRL->_parent之前，需要先确保subRL不是空指针。

subR->_left = parent;
Node* ppNode = parent->_parent;
parent->_parent = subR;

这一段代码完成了subR与parent之间的链接，由于parent可能还有父节点，所以我们先把parent的父节点ppNode保存下来，后续完成subR与ppNode链接。

if (parent == _root)
{
    _root = subR;
    subR->_parent = nullptr;
}
else
{
    if (ppNode->_left == parent)
        ppNode->_left = subR;
    else
        ppNode->_right = subR;

    subR->_parent = ppNode;
}

这一段代码，完成了ppNode与subR之间的链接，但是如果parent原先是_root节点的话，那么ppNode就是空指针，此时直接把_root更新为subR即可。
如果parent不是_root，那么直接进行链接即可，由于不确定parent原先是ppNode的左子树还是右子树，所以链接前需要检测一下。

parent->_bf = 0;
subR->_bf = 0;

这段代码则是完成平衡因子的更新，左单旋后，parent与subR的平衡因子都变成0。

以下是一个左单旋的示例：

请添加图片描述

右单旋

右单旋与左单旋同理，此处直接放出动图与代码：

//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
    Node* subL = parent->_left;
    Node* subLR = subL->_right;

    parent->_left = subLR;
    if (subLR)
        subLR->_parent = parent;

    subL->_right = parent;
    Node* ppNode = parent->_parent;
    parent->_parent = subL;

    if (parent == _root)
    {
        _root = subL;
        subL->_parent = nullptr;
    }
    else
    {
        if (ppNode->_left == parent)
            ppNode->_left = subL;
        else
            ppNode->_right = subL;

        subL->_parent = ppNode;
    }

    parent->_bf = 0;
    subL->_bf = 0;
}

以下是一个右单旋的示例：
请添加图片描述

我们现在还有两种失衡没有解决：
在这里插入图片描述

对于这种失衡，我们需要用到双旋算法：左右双旋和右左双旋。

左右双旋

当AVL树出现LR失衡，我们就需要用到左右双旋，LR失衡又分为以下两种情况：
在这里插入图片描述

也就是对subLR进行了再细分，到底新节点插入了左子树还是右子树。那么我们先展示一下左右双旋的过程：

在subLR的左子树插入后旋转：

在subLR的右子树插入后旋转：

我来解析一下以上过程：
我们在subLR节点的右子树插入了一个节点，导致parent失衡，接着我们就要尝试调整节点，让这棵树平衡。

现在假设我们直接对parent进行右单旋，我们就会得到：

可以发现，直接右单旋得到的树是不平衡的，subL的左子树高度为h-1，右子树高度为h+1，两者高度差为2。这是由于subLR的高度太高了，当把subLR移交给parent左子树，没有完成降低高度的功能。所以我们要想办法降低移交给parent的子树高度，再进行右单旋。
所以我们把subLR子树的根节点抽离出来，先对subL进行左单旋：

对subL进行左单旋，可以把subLR的左子树抽离出来，并提升subLR的高度。此时再进行右单旋，subLR就会把右子树交给parent。相比于直接进行右单旋，这个过程把subLR抽出来，parent得到的左子树少了一层高度（即subLR这层），所以parent这次没有出现不平衡的问题。

那为什么subLR到达顶部之后，也可以保持稳定呢？
可以看到，在subLR向上走的过程中，分别把左右子树交给了parent和subL，而parent和subL原先都有一个高度为h-1的子树，而subLR旋转过程中移交给parent和subL的子树高度分别是h-1和h-2，它们都低于h-1，移交过程中不会影响subL和parent的高度，而这两个节点最后分别成为了subLR的左右子树，所以subLR的左右子树最后高度一定都是h-1。因此subLR平衡因子一定为0。

现在我们来完成代码：

//右左单旋
void RotateRL(Node* parent)
{
    RotateR(parent->_right);
    RotateL(parent);
    //更新平衡因子
}

现在的问题就是，要如何更新平衡因子？

在subLR的左子树插入后旋转：

在subLR的右子树插入后旋转：

当subLR就是新插入的节点：

可以看到，整体上有三种情况，三种情况对应的平衡因子最后都不同，所以我们要分类讨论。三种情况的区别在于：第一种情况subLR的平衡因子为-1，第二种情况subLR的平衡因子为1，第三种情况subLR的平衡因子为0。

这样我们就可以写出以下代码：

//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
    Node* subL = parent->_left;
    Node* subLR = subL->_right;

    int bf = subLR->_bf;
    RotateL(parent->_left);
    RotateR(parent);

    if (bf == -1)
    {
        subLR->_bf = 0;
        subL->_bf = 0;
        parent->_bf = 1;
    }
    else if (bf == 1)
    {
        subLR->_bf = 0;
        subL->_bf = -1;
        parent->_bf = 0;
    }
    else if (bf == 0)
    {
        subLR->_bf = 0;
        subL->_bf = 0;
        parent->_bf = 0;
    }
    else
    {
        assert(false);
    }
}

以下是一个左右双旋示例：

请添加图片描述

右左双旋

代码如下：

//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
    Node* subR = parent->_right;
    Node* subRL = subR->_left;

    int bf = subRL->_bf;
    RotateR(parent->_right);
    RotateL(parent);

    if (bf == -1)
    {
        subR->_bf = 1;
        subRL->_bf = 0;
        parent->_bf = 0;
    }
    else if (bf == 1)
    {
        subR->_bf = 0;
        subRL->_bf = 0;
        parent->_bf = -1;
    }
    else if (bf == 0)
    {
        subR->_bf = 0;
        subRL->_bf = 0;
        parent->_bf = 0;
    }
    else
    {
        assert(false);
    }
}

以下是一个右左双旋示例：
请添加图片描述

总代码展示

由于插入操作已经可以很好的理解AVL控制平衡的手段了，此处就不讲解erase操作了，总代码如下：

AVLTree.h：

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;

template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
    AVLTreeNode* _left;
    AVLTreeNode* _right;
    AVLTreeNode* _parent;
    int _bf; // balance factor
    pair<K, V> _kv;

    AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
        : _left(nullptr)
        , _right(nullptr)
        , _parent(nullptr)
        , _bf(0)
        , _kv(kv)
    {}
};

template<class K, class V>
class AVLTree
{
    typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
public:
    bool Insert(const pair<K, V>& kv)
    {
        if (_root == nullptr)
        {
            _root = new Node(kv);
        }

        Node* cur = _root;
        Node* parent = nullptr;

        while (cur)
        {
            if (cur->_kv.first < kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_right;
            }
            else if (cur->_kv.first > kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_left;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }

        cur = new Node(kv);

        if (parent->_kv.first > kv.first)
            parent->_left = cur;
        else
            parent->_right = cur;

        cur->_parent = parent;

        while (parent)//最坏情况一直更新到root，此时parent为nullptr
        {
            if (cur == parent->_left)//更新平衡因子
                parent->_bf--;
            else
                parent->_bf++;

            if (parent->_bf == 0)
            {
                break;
            }
            else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)//向上查找，检测是否出现不平衡
            {
                cur = cur->_parent;
                parent = parent->_parent;
            }
            else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
            {
                //旋转
                if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)//2，1说明右边子树深度阶梯式增加，所以往左旋转
                    RotateL(parent);//左单旋
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)//-2，-1说明左边子树深度阶梯式增加，所以往右旋转
                    RotateR(parent);//右单旋
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)//-2, 1说明左边子树中间深，先左单旋提高中间节点，再右单旋提高中间节点
                    RotateLR(parent);
                else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)//2, -1说明右边子树中间深，先右单旋提高中间节点，再左单旋提高中间节点
                    RotateRL(parent);
                else
                    assert(false);

                break;
            }
            else //说明插入前AVL出现了问题，直接报错
            {
                assert(false);
            }
        }

        return true;
    }

    //左单旋
    void RotateL(Node* parent)
    {
        Node* subR = parent->_right;
        Node* subRL = subR->_left;

        parent->_right = subRL;
        if (subRL)
            subRL->_parent = parent;

        subR->_left = parent;
        Node* ppNode = parent->_parent;
        parent->_parent = subR;

        if (parent == _root)
        {
            _root = subR;
            subR->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            if (ppNode->_left == parent)
                ppNode->_left = subR;
            else
                ppNode->_right = subR;

            subR->_parent = ppNode;
        }

        parent->_bf = 0;
        subR->_bf = 0;
    }

    //右单旋
    void RotateR(Node* parent)
    {
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;

        parent->_left = subLR;
        if (subLR)
            subLR->_parent = parent;

        subL->_right = parent;
        Node* ppNode = parent->_parent;
        parent->_parent = subL;

        if (parent == _root)
        {
            _root = subL;
            subL->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            if (ppNode->_left == parent)
                ppNode->_left = subL;
            else
                ppNode->_right = subL;

            subL->_parent = ppNode;
        }

        parent->_bf = 0;
        subL->_bf = 0;
    }

    //左右双旋
    void RotateLR(Node* parent)
    {
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;

        int bf = subLR->_bf;
        RotateL(parent->_left);
        RotateR(parent);

        if (bf == -1)
        {
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
            parent->_bf = 1;
        }
        else if (bf == 1)
        {
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = -1;
            parent->_bf = 0;
        }
        else if (bf == 0)
        {
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
            parent->_bf = 0;
        }
        else
        {
            assert(false);
        }
    }

    //右左双旋
    void RotateRL(Node* parent)
    {
        Node* subR = parent->_right;
        Node* subRL = subR->_left;

        int bf = subRL->_bf;
        RotateR(parent->_right);
        RotateL(parent);

        if (bf == -1)
        {
            subR->_bf = 1;
            subRL->_bf = 0;
            parent->_bf = 0;
        }
        else if (bf == 1)
        {
            subR->_bf = 0;
            subRL->_bf = 0;
            parent->_bf = -1;
        }
        else if (bf == 0)
        {
            subR->_bf = 0;
            subRL->_bf = 0;
            parent->_bf = 0;
        }
        else
        {
            assert(false);
        }
    }
    
    //中序
    void InOrder()
    {
        _InOrder(_root);
        cout << "end" << endl;
    }
    
private:
    //中序
    void _InOrder(Node* root)
    {
        if (root == nullptr)
            return;

        _InOrder(root->_left);
        cout << root->_kv.first << " - ";

        _InOrder(root->_right);
    }
    
    Node* _root = nullptr;
};