【数据结构】AVL树

news2024/10/7 2:28:25

AVL树

  • 一、AVL树的概念
  • 二、AVL的接口
    • 2.1 插入
    • 2.2 旋转
      • 2.2.1 左单旋
      • 2.2.2 右单旋
      • 2.2.3 左右双旋
      • 2.2.4 右左双旋
  • 三、验证
  • 四、源码

一、AVL树的概念

当我们用普通的搜索树插入数据的时候，如果插入的数据是有序的，那么就退化成了一个链表，搜索效率低下。

为了应对这种情况，就出现了AVL树（高度平衡二叉搜索树）：

当向二叉搜索树中插入新结点后，如果能保证每个结点的左右子树高度之差的绝对值不超过1

AVL树的性质：

  • 它的左右子树都是AVL树。
  • 左右子树高度之差(简称平衡因子)的绝对值不超过1

平衡因子= 右子树高度-左子树高度

在这里插入图片描述
平衡因子是用来检测树的状态，如果平衡因子都在（-1， 0， 1）中，则没问题，反之则需要调整。

二、AVL的接口

AVL的节点定义：

template <class K, class V>
struct AVLNode
{
	AVLNode(const pair<K, V>& kv)
		: _kv(kv)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _bf(0)
	{}

	pair<K, V> _kv;
	AVLNode<K, V>* _left;
	AVLNode<K, V>* _right;
	AVLNode<K, V>* _parent;
	int _bf;// 平衡因子
};

2.1 插入

AVL的基本插入流程跟搜索树相似，但是AVL树多了一个平衡因子。
一旦插入新节点，就要往上更新平衡因子。

  • 如果是在左边点插入，则平衡因子--
  • 如果是在右边点插入，则平衡因子++

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
更新一个结点之后我们需要去进行判断，子树的高度是否发生了变化：

1️⃣ 当父节点的平衡因子变成0：说明原来是-1或1，那么也就是把矮的地方填平了，父节点所在树的高度不变，不需要继续更新。
2️⃣ 当父节点的平衡因子变成1或-1：说明原来是0，父节点所在树的高度发生变化，需要继续更新。
3️⃣ 当当父节点的平衡因子变成2或-2：违反规则，需要进行旋转处理。

所以我们可以利用parent节点（插入之前的叶子节点），从它开始往上更新。

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

	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (kv.first < cur->_kv.first)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else if (kv.first > cur->_kv.first)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else return false;
	}
	cur = new Node(kv);
	if (kv.first < parent->_kv.first)
	{
		parent->_left = cur;
	}
	else
	{
		parent->_right = cur;
	}
	cur->_parent = parent;
	// 更新平衡因子
	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 = parent;
			parent = parent->_parent;
		}
		else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
		{
			// 旋转
			if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
			{
				// 左单旋
				RotateL(parent);
			}
			else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
			{
				// 右单旋
				RotateR(parent);
			}
			else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
			{
				// 左右双旋
				RotateLR(parent);
			}
			else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
			{
				// 右左双旋
				RotateRL(parent);
			}
			break;
		}
		else
		{
			cout << "结构出错" << endl;
			assert(false);
		}
	}
	return true;
}

2.2 旋转

为了保证每个结点的左右子树高度之差的绝对值不超过1，所以当平衡因子变为-2或2时，需要旋转来保持平衡。
旋转规则：
1️⃣ 让这颗子树左右高度差不超过1
2️⃣ 旋转过程中继续保持它是搜索树
3️⃣ 更新调整孩子节点的平衡因子
4️⃣ 让这颗子树的高度根插入前保持一致

2.2.1 左单旋

二叉树的结构有无数种情况，所以我们需要总结出抽象图来分析
在这里插入图片描述
解释：
a/b/c是高度为h的AVL树。

新节点插入较高右子树的右侧—右右：左单旋
在这里插入图片描述
左单旋的步骤：

1️⃣ 20的左边调整到10的右边
2️⃣ 10变成20的左边，20做根
3️⃣ 把平衡因子变为0

在这里插入图片描述

void RotateL(Node* parent)
{
	Node* top = parent->_parent;
	Node* right = parent->_right;
	// 20的左边调整到10的右边
	parent->_right = right->_left;
	if (right->_left) right->_left->_parent = parent;
	// 10变成20的左边，20做根
	right->_left = parent;
	parent->_parent = right;
	if (top)// 子树
	{
		if (parent == top->_left) top->_left = right;
		else top->_right = right;
		right->_parent = top;
	}
	else// 完整的树
	{
		_root = right;
		_root->_parent = nullptr;
	}
	// 更新平衡因子
	parent->_bf = right->_bf = 0;
}

2.2.2 右单旋

新节点插入较高左子树的左侧—左左：右单旋
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

void RotateR(Node* parent)
{
	Node* top = parent->_parent;
	Node* left = parent->_left;
	Node* leftR = left->_right;
	parent->_left = leftR;
	if (leftR) leftR->_parent = parent;
	left->_right = parent;
	parent->_parent = left;
	if (top)
	{
		if (parent == top->_left) top->_left = left;
		else top->_right = left;
		left->_parent = top;
	}
	else
	{
		_root = left;
		_root->_parent = nullptr;
	}
	parent->_bf = left->_bf = 0;
}

2.2.3 左右双旋

新节点插入较高左子树的右侧—左右：先左单旋再右单旋

我们看到上面的单旋，我们会想，如果是这么插入呢？
在这里插入图片描述

其实这个图可以转化为：

在这里插入图片描述
先以10为轴进行左单旋，这样就把“折线”变成了直线，在以20为轴进行右单旋。
在这里插入图片描述
这里就要注意平衡因子的更新
15的平衡因子为0
但是其他两个会有三个不同的情况：

1️⃣ 当right的平衡因子为-1时（插入在b），双旋结束后parent、left、right的平衡因子分别更新为1、0、0
在这里插入图片描述
2️⃣ 当right的平衡因子为1时（插入在c），双旋结束后parent、left、right的平衡因子分别更新为0、-1、0
在这里插入图片描述
3️⃣ 当right的平衡因子为0时，双旋后parent、left、right的平衡因子分别更新为0、0、0
在这里插入图片描述

所以在旋转前要先进行判断在哪插入（通过平衡因子），旋转后手动更新即可。

void RotateLR(Node* parent)
{
	Node* left = parent->_left;
	Node* right = left->_right;
	int bf = right->_bf;// 提前记录
	RotateL(parent->_left);
	RotateR(parent);
	if (bf == -1)// 左子树新增
	{
		left->_bf = 0;
		right->_bf = 0;
		parent->_bf = 1;
	}
	else if (bf == 1)// 右子树新增
	{
		left->_bf = -1;
		right->_bf = 0;
		parent->_bf = 0;
	}
	else if (bf == 0)// 自己就是新增
	{
		left->_bf = right->_bf = parent->_bf = 0;
	}
	else assert(false);
}

2.2.4 右左双旋

	void RotateRL(Node* parent)
	{
		Node* right = parent->_right;
		Node* left = right->_left;
		int bf = left->_bf;
		RotateR(right);
		RotateL(parent);
		if (bf == -1)
		{
			parent->_bf = 0;
			left->_bf = 0;
			right->_bf = 1;
		}
		else if (bf == 1)
		{
			right->_bf = 0;
			left->_bf = 0;
			parent->_bf = -1;
		}
		else if (bf == 0)
		{
			left->_bf = right->_bf = parent->_bf = 0;
		}
		else assert(false);
	}

三、验证

为了验证是否为二叉搜索树，我们可以先写一个中序遍历

void _Inorder(Node* root)
{
	if (root == nullptr)
		return;

	_Inorder(root->_left);
	cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
	_Inorder(root->_right);
}

void Inorder()
{
	_Inorder(_root);
}

为了验证是否为AVL树，我们要让每个节点的左右子树高度的绝对值差小于等于1。

int Height(Node* root)
{
	if (!root)
	{
		return 0;
	}
	int lh = Height(root->_left) + 1;
	int rh = Height(root->_right) + 1;
	return max(lh, rh);
}

bool IsBalance(Node* root)
{
	if (!root)
	{
		return true;
	}
	int lh = Height(root->_left);
	int rh = Height(root->_right);
	if (rh - lh != root->_bf)
	{
		cout << root->_kv.first << ":";
		cout << root->_bf << ":";
		cout << "平衡因子出错" << endl;
		return false;
	}
	if (abs(rh - lh) > 1)
	{
		return false;
	}
	return IsBalance(root->_left) && IsBalance(root->_right);
}

bool IsBalance()
{
	return IsBalance(_root);
}

我们可以用大量的随机值来测定：

void test()
{
	const int N = 100000;
	AVLTree<int, int> tt;
	srand(time(0));
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		int x = rand();
		tt.insert(make_pair(x, x));
	}
	//tt.Inorder();
	cout << tt.IsBalance() << endl;
}

四、源码

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cassert>
#include <cstdlib> 

using namespace std;

template <class K, class V>
struct AVLNode
{
	AVLNode(const pair<K, V>& kv)
		: _kv(kv)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _bf(0)
	{}

	pair<K, V> _kv;
	AVLNode<K, V>* _left;
	AVLNode<K, V>* _right;
	AVLNode<K, V>* _parent;
	int _bf;// 平衡因子
};


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

		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (kv.first < cur->_kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (kv.first > cur->_kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else return false;
		}
		cur = new Node(kv);
		if (kv.first < parent->_kv.first)
		{
			parent->_left = cur;
		}
		else
		{
			parent->_right = cur;
		}
		cur->_parent = parent;
		// 更新平衡因子
		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 = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
			{
				// 旋转
				if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
				{
					// 左单旋
					RotateL(parent);
				}
				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
				{
					// 右单旋
					RotateR(parent);
				}
				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
				{
					// 左右双旋
					RotateLR(parent);
				}
				else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
				{
					// 右左双旋
					RotateRL(parent);
				}
				break;
			}
			else
			{
				cout << "结构出错" << endl;
				assert(false);
			}
		}
		return true;
	}

	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* top = parent->_parent;
		Node* right = parent->_right;
		// 20的左边调整到10的右边
		parent->_right = right->_left;
		if (right->_left) right->_left->_parent = parent;
		// 10变成20的左边，20做根
		right->_left = parent;
		parent->_parent = right;
		if (top)// 子树
		{
			if (parent == top->_left) top->_left = right;
			else top->_right = right;
			right->_parent = top;
		}
		else// 完整的树
		{
			_root = right;
			_root->_parent = nullptr;
		}
		// 更新平衡因子
		parent->_bf = right->_bf = 0;
	}

	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* top = parent->_parent;
		Node* left = parent->_left;
		Node* leftR = left->_right;
		parent->_left = leftR;
		if (leftR) leftR->_parent = parent;
		left->_right = parent;
		parent->_parent = left;
		if (top)
		{
			if (parent == top->_left) top->_left = left;
			else top->_right = left;
			left->_parent = top;
		}
		else
		{
			_root = left;
			_root->_parent = nullptr;
		}
		parent->_bf = left->_bf = 0;
	}

	void RotateLR(Node* parent)
	{
		Node* left = parent->_left;
		Node* right = left->_right;
		int bf = right->_bf;// 提前记录
		RotateL(left);
		RotateR(parent);
		if (bf == -1)// 左子树新增
		{
			left->_bf = 0;
			right->_bf = 0;
			parent->_bf = 1;
		}
		else if (bf == 1)// 右子树新增
		{
			left->_bf = -1;
			right->_bf = 0;
			parent->_bf = 0;
		}
		else if (bf == 0)// 自己就是新增
		{
			left->_bf = right->_bf = parent->_bf = 0;
		}
		else assert(false);
	}

	void RotateRL(Node* parent)
	{
		Node* right = parent->_right;
		Node* left = right->_left;
		int bf = left->_bf;
		RotateR(right);
		RotateL(parent);
		if (bf == -1)
		{
			parent->_bf = 0;
			left->_bf = 0;
			right->_bf = 1;
		}
		else if (bf == 1)
		{
			right->_bf = 0;
			left->_bf = 0;
			parent->_bf = -1;
		}
		else if (bf == 0)
		{
			left->_bf = right->_bf = parent->_bf = 0;
		}
		else assert(false);
	}

	void _Inorder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;

		_Inorder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << "<=>" << root->_kv.second << endl;
		_Inorder(root->_right);
	}

	void Inorder()
	{
		_Inorder(_root);
	}

	int Height(Node* root)
	{
		if (!root)
		{
			return 0;
		}
		int lh = Height(root->_left) + 1;
		int rh = Height(root->_right) + 1;
		return max(lh, rh);
	}

	bool IsBalance(Node* root)
	{
		if (!root)
		{
			return true;
		}
		int lh = Height(root->_left);
		int rh = Height(root->_right);
		if (rh - lh != root->_bf)
		{
			cout << root->_kv.first << ":";
			cout << root->_bf << ":";
			cout << "平衡因子出错" << endl;
			return false;
		}
		if (abs(rh - lh) > 1)
		{
			return false;
		}
		return IsBalance(root->_left) && IsBalance(root->_right);
	}

	bool IsBalance()
	{
		return IsBalance(_root);
	}
private:
	Node* _root = nullptr;
};

void test()
{
	const int N = 100000;
	AVLTree<int, int> tt;
	srand(time(0));
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		int x = rand();
		tt.insert(make_pair(x, x));
	}
	//tt.Inorder();
	cout << tt.IsBalance() << endl;
}

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Python内置了许多标准模块&#xff0c;例如sys、os、random和time模块等&#xff0c;下面为大家介绍几个常用的标准模块。 1.sys模块 sys模块中提供了一系列与Python解释器交互的函数和变量&#xff0c;用于操控Python的运行时环境。sys模块中常用变量与函数如表1所示。 表1…
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Apifox = Postman + Swagger + Mock + JMeter

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目录 可视化API设计 高效 & 零学习成本 可复用的“数据模型” 遵循 OpenAPI(Swagger) 规范 可导入 Swagger 等 20 数据格式 具体使用尝鲜 多项目管理 支持多环境切换 支持IDEA、浏览器、桌面应用 Idea插件 公共API hub库 如题&#xff1a;一款非常好用的API管理测…
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