AVL树（二叉搜索树）

news2024/11/15 7:11:07

AVL树

  • 1.1 AVL树的概念
  • 1.2 AVL树节点的定义
  • 1.3 AVL树的旋转
    • 1.3.1 右旋（右单旋）
    • 1.3.2 左旋（左单旋）
    • 1.3.3 左右双旋（先左单旋再右单旋）
    • 1.3.4 右左双旋（先右单旋再左单旋）
  • 1.4 AVL树的插入
  • 1.5 AVL树的遍历和树的高度

1.1 AVL树的概念

1.AVL树是一种自平衡的二叉搜索树，它的特点是任何一个节点的左右子树的高度差不超过1。AVL树的平衡性保证了它的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是O(logn)。AVL树的平衡调整是通过旋转操作来实现的，有四种基本的旋转方式：左旋、右旋、左右旋和右左旋。AVL树的命名来自于它的发明者Adelson-Velsky和Landis。
2.一棵AVL树或者是空树，或者是具有以下性质的二叉搜索树：

  1. 它的左右子树都是AVL树；
  2. 左右子树高度之差(简称平衡因子)的绝对值不超过1(-1/0/1)。

因为AVL树的特点是任何一个节点的左右子树的高度差不超过1，所以当插入一个节点，需要判断平衡因子是否满足，不满足则需要调整，这就导致插入时效率低下，实际中用的并不多，但是AVL树的旋转 是需要了解的。

1.2 AVL树节点的定义

节点的平衡因子是它的左子树的高度减去它的右子树的高度（有时相反）。带有平衡因子1、0或-1的节点被认为是平衡的。带有平衡因子-2或2的节点被认为是不平衡的，并需要重新平衡这个树。平衡因子可以直接存储在每个节点中，或从可能存储在节点中的子树高度计算出来。

template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
    AVLTreeNode<K, V>* _left;   // 该节点的左孩子
    AVLTreeNode<K, V>* _right;  // 该节点的右孩子
    AVLTreeNode<K, V>* _parent; // 该节点的双亲
    pair<K, V> _kv;             // 该节点所保存的数据
    int _bf; // balance factor  // 该节点的平衡因子

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

二叉搜索树的头文件AVLTree.h：

template<class K, class V>
class AVLTree
{
    typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
public:
	bool Insert(const pair<K, V>& kv); //插入
	void InOrder();  //遍历
	int Height(); //树的高度
private:
	void RotateR(Node* parent); //右旋
	void RotateL(Node* parent); //左旋
	void RotateLR(Node* parent); //左右双旋
	void RotateRL(Node* parent); //右左双旋
	void _InOrder(Node* root); //遍历
	int _Height(Node* root); //树的高度
private:
    Node* _root = nullptr;
};

1.3 AVL树的旋转

如果在一棵原本是平衡的AVL树中插入一个新节点，可能造成不平衡，此时必须调整树的结构，
使之平衡化。根据节点插入位置的不同，AVL树的旋转分为四种：左旋、右旋、左右旋和右左旋。
至于哪四种，只需要画图看看就很会清楚：
在这里插入图片描述
如果按顺序插入，可以看到每个节点的左右子树的高度差不超过1，所以不需要旋转。

1.3.1 右旋（右单旋）

而如果如下图，那么就需要旋转，其中，parent为平衡因子大于1的结点，subL为parent的左节点，subLR为parent的右节点；下图的树，可能为某棵树的子树，subLR可能为空，也可能不为空。

如下图，subLR不为空，parent为平衡因子大于1的结点：
在这里插入图片描述

如何旋转？让parent变为subL的右子树，subL的右子树即subLR变为parent的左子树，这样可以降低高度并且旋转后仍为AVL树，如下图：
在这里插入图片描述
代码于解析如下：

    void RotateR(Node* parent) //右单旋
    {
        //找到旋转需要的结点
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;
        //parent可能为某一棵树的子树，所以parent->_parent有两种情况，所以先更改别的指针
        parent->_left = subLR;
        //subLR可能为空也可能不为空，所以这里需要判断一下，防止指针非法访问
        if (subLR)
            subLR->_parent = parent;
        //接下来处理parent->_parent的节点，先找到parent->_parent节点的位置，然后可以修改parent->_parent的指针
        Node* ppnode = parent->_parent;
        subL->_right = parent;
        parent->_parent = subL;
        //判断parent->_parent的两种情况
        if (parent == _root) //判断条件也可以为 ppnode == nullptr
        {
            //如果parent为根节点，则需要变根节点
            _root = subL;
            _root->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            //否则，判断parent为左子树还是右子树
            if (ppnode->_left == parent)
            {
                ppnode->_left = subL;
            }
            else
            {
                ppnode->_right = subL;
            }
            //修改指针
            subL->_parent = ppnode;
        }
        //更新平衡因子，高度降低，且parent、subL左右子树高度差为0
        parent->_bf = subL->_bf = 0;
    }

1.3.2 左旋（左单旋）

左单旋和右单旋思路基本相同。
在这里插入图片描述
代码如下：

    void RotateL(Node* parent)  //左单旋
    {
        //找到旋转需要的结点
        Node* subR = parent->_right;
        Node* subRL = subR->_left;
        //parent可能为某一棵树的子树，所以parent->_parent有两种情况，所以先更改别的指针
        parent->_right = subRL;
        //subRL可能为空也可能不为空，所以这里需要判断一下，防止指针非法访问
        if (subRL)
            subRL->_parent = parent;
        //接下来处理parent->_parent的节点，先找到parent->_parent节点的位置，然后可以修改parent->_parent的指针
        Node* ppnode = parent->_parent;

        subR->_left = parent;
        parent->_parent = subR;
        //判断parent->_parent的两种情况
        if (ppnode == nullptr)
        {
            //如果parent为根节点，则需要变根节点
            _root = subR;
            _root->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            //否则，判断parent为左子树还是右子树
            if (ppnode->_left == parent)
            {
                ppnode->_left = subR;
            }
            else
            {
                ppnode->_right = subR;
            }

            subR->_parent = ppnode;
        }
        //更新平衡因子，高度降低，且parent、subR左右子树高度差为0
        parent->_bf = subR->_bf = 0;
    }

1.3.3 左右双旋（先左单旋再右单旋）

如果按如下图插入，该如何旋转？
在这里插入图片描述

如果右单旋上图会是什么样子？
在这里插入图片描述

可以看到右旋后的树高度未降低，所以右旋后的不是AVL树，那么左旋？
在这里插入图片描述
可以看到树的高度虽然降低，但是旋转后的树违反了AVL树的规定，即左节点大于右结点，所以左旋后的不是AVL树。那么该如何旋转？所以这里必须旋转两次，即先对30进行左单旋，然后再对90进行右单旋，旋转完成后再考虑平衡因子的更新。如下图所示：
在这里插入图片描述

    void RotateLR(Node* parent) //左右双旋
    {
        //找到旋转需要更改的结点
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;
        //旋转之前，保存subLR的平衡因子，旋转完成之后，需要根据该平衡因子来调整其他节点的平衡因子
        int bf = subLR->_bf;
        //先左旋再右旋
        RotateL(parent->_left);
        RotateR(parent);
        //对subLR结点的平衡因子进行讨论
        //旋转之前，subLR的平衡因子可能是-1/0/1，旋转完成之后，根据情况对其他节点的平衡因子进行调整
        if (bf == 1)
        {
            parent->_bf = 0;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = -1;
        }
        else if (bf == -1)
        {
            parent->_bf = 1;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
        }
        else if (bf == 0)
        {
            parent->_bf = 0;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
        }
        else
        {
            //否则直接报错
            assert(false);
        }
    }

1.3.4 右左双旋（先右单旋再左单旋）

右左双旋代码如下：

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

1.4 AVL树的插入

AVL树就是在二叉搜索树的基础上引入了平衡因子，因此AVL树也可以看成是二叉搜索树。那么
AVL树的插入过程可以分为两步：

  1. 按照二叉搜索树的方式插入新节点
  2. 调整节点的平衡因子

1.先按照二叉搜索树的规则将节点插入到AVL树中
2.新节点插入后，AVL树的平衡性可能会遭到破坏，此时就需要更新平衡因子，并检测是否
破坏了AVL树的平衡性
插入后，pParent的平衡因子一定需要调整，在插入之前，pParent的平衡因子分为三种情况：-1，0, 1, 分以下两种情况：

  1. 如果pCur插入到pParent的左侧，只需给pParent的平衡因子-1即可
  2. 如果pCur插入到pParent的右侧，只需给pParent的平衡因子+1即可

此时：pParent的平衡因子可能有三种情况：0，正负1， 正负2
1.如果pParent的平衡因子为0，说明插入之前pParent的平衡因子为正负1，插入后被调整
成0，此时满足AVL树的性质，插入成功
2.如果pParent的平衡因子为正负1，说明插入前pParent的平衡因子一定为0，插入后被更
新成正负1，此 时以pParent为根的树的高度增加，需要继续向上更新
3.如果pParent的平衡因子为正负2，则pParent的平衡因子违反平衡树的性质，需要对其进
行旋转处理

代码如下：

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 (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;

        // 更新平衡因子
        while (parent)
        {
            if (cur == parent->_right)
            {
                parent->_bf++;
            }
            else
            {
                parent->_bf--;
            }

            if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
            {
                // 继续更新
                parent = parent->_parent;
                cur = cur->_parent;
            }
            else if (parent->_bf == 0)
            {
                break;
            }
            else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
            {
                // 需要旋转处理 -- 1、让这颗子树平衡 2、降低这颗子树的高度
                if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
                {
                    RotateL(parent);
                }
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
                {
                    RotateR(parent);
                }
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
                {
                    RotateLR(parent);
                }
                else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
                {
                    RotateRL(parent);
                }
                else
                {
                    assert(false);
                }

                break;
            }
            else
            {
                assert(false);
            }
        }
        return true;
    }

1.5 AVL树的遍历和树的高度

在类中调用AVL树的遍历和树的高度函数时，在类中套一层，因为类外不能访问私有成员，代码如下：

    void InOrder()
    {
        _InOrder(_root);
        cout << endl;
    }
    int Height()
    {
        return _Height(_root);
    }
    int _Height(Node* root)
    {
        if (root == NULL)
            return 0;

        int leftH = _Height(root->_left);
        int rightH = _Height(root->_right);

        return leftH > rightH ? leftH + 1 : rightH + 1;
    }
    void _InOrder(Node* root)
    {
        if (root == nullptr)
        {
            return;
        }
        _InOrder(root->_left);
        cout << root->_kv.first << " ";
        _InOrder(root->_right);
    }

完整代码如下：

#pragma once

template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
    AVLTreeNode<K, V>* _left;   // 该节点的左孩子
    AVLTreeNode<K, V>* _right;  // 该节点的右孩子
    AVLTreeNode<K, V>* _parent; // 该节点的双亲
    pair<K, V> _kv;             // 该节点所保存的数据
    int _bf; // balance factor  // 该节点的平衡因子

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

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);
            return true;
        }

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

        // 更新平衡因子
        while (parent)
        {
            if (cur == parent->_right)
            {
                parent->_bf++;
            }
            else
            {
                parent->_bf--;
            }

            if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
            {
                // 继续更新
                parent = parent->_parent;
                cur = cur->_parent;
            }
            else if (parent->_bf == 0)
            {
                break;
            }
            else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
            {
                // 需要旋转处理 -- 1、让这颗子树平衡 2、降低这颗子树的高度
                if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
                {
                    RotateL(parent);
                }
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
                {
                    RotateR(parent);
                }
                else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
                {
                    RotateLR(parent);
                }
                else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
                {
                    RotateRL(parent);
                }
                else
                {
                    assert(false);
                }

                break;
            }
            else
            {
                assert(false);
            }
        }
        return true;
    }
    void InOrder()
    {
        _InOrder(_root);
        cout << endl;
    }

    int Height()
    {
        return _Height(_root);
    }
private:
    int _Height(Node* root)
    {
        if (root == NULL)
            return 0;

        int leftH = _Height(root->_left);
        int rightH = _Height(root->_right);

        return leftH > rightH ? leftH + 1 : rightH + 1;
    }
    void _InOrder(Node* root)
    {
        if (root == nullptr)
        {
            return;
        }
        _InOrder(root->_left);
        cout << root->_kv.first << " ";
        _InOrder(root->_right);
    }
    void RotateR(Node* parent) //右单旋
    {
        //找到旋转需要的结点
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;
        //parent可能为某一棵树的子树，所以parent->_parent有两种情况，所以先更改别的指针
        parent->_left = subLR;
        //subLR可能为空也可能不为空，所以这里需要判断一下，防止指针非法访问
        if (subLR)
            subLR->_parent = parent;
        //接下来处理parent->_parent的节点，先找到parent->_parent节点的位置，然后可以修改parent->_parent的指针
        Node* ppnode = parent->_parent;
        subL->_right = parent;
        parent->_parent = subL;
        //判断parent->_parent的两种情况
        if (parent == _root) //判断条件也可以为 ppnode == nullptr
        {
            //如果parent为根节点，则需要变根节点
            _root = subL;
            _root->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            //否则，判断parent为左子树还是右子树
            if (ppnode->_left == parent)
            {
                ppnode->_left = subL;
            }
            else
            {
                ppnode->_right = subL;
            }
            //修改指针
            subL->_parent = ppnode;
        }
        //更新平衡因子，高度降低，且parent、subL左右子树高度差为0
        parent->_bf = subL->_bf = 0;
    }
    void RotateL(Node* parent)  //左单旋
    {
        //找到旋转需要的结点
        Node* subR = parent->_right;
        Node* subRL = subR->_left;
        //parent可能为某一棵树的子树，所以parent->_parent有两种情况，所以先更改别的指针
        parent->_right = subRL;
        //subRL可能为空也可能不为空，所以这里需要判断一下，防止指针非法访问
        if (subRL)
            subRL->_parent = parent;
        //接下来处理parent->_parent的节点，先找到parent->_parent节点的位置，然后可以修改parent->_parent的指针
        Node* ppnode = parent->_parent;

        subR->_left = parent;
        parent->_parent = subR;
        //判断parent->_parent的两种情况
        if (ppnode == nullptr)
        {
            //如果parent为根节点，则需要变根节点
            _root = subR;
            _root->_parent = nullptr;
        }
        else
        {
            //否则，判断parent为左子树还是右子树
            if (ppnode->_left == parent)
            {
                ppnode->_left = subR;
            }
            else
            {
                ppnode->_right = subR;
            }

            subR->_parent = ppnode;
        }
        //更新平衡因子，高度降低，且parent、subR左右子树高度差为0
        parent->_bf = subR->_bf = 0;
    }
    void RotateLR(Node* parent) //左右双旋
    {
        //找到旋转需要更改的结点
        Node* subL = parent->_left;
        Node* subLR = subL->_right;
        //旋转之前，保存subLR的平衡因子，旋转完成之后，需要根据该平衡因子来调整其他节点的平衡因子
        int bf = subLR->_bf;
        //先左旋再右旋
        RotateL(parent->_left);
        RotateR(parent);
        //对subLR结点的平衡因子进行讨论
        //旋转之前，subLR的平衡因子可能是-1/0/1，旋转完成之后，根据情况对其他节点的平衡因子进行调整
        if (bf == 1)
        {
            parent->_bf = 0;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = -1;
        }
        else if (bf == -1)
        {
            parent->_bf = 1;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
        }
        else if (bf == 0)
        {
            parent->_bf = 0;
            subLR->_bf = 0;
            subL->_bf = 0;
        }
        else
        {
            //否则直接报错
            assert(false);
        }
    }
    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 = 0;
            parent->_bf = -1;
            subRL->_bf = 0;
        }
        else if (bf == -1)
        {
            subR->_bf = 1;
            parent->_bf = 0;
            subRL->_bf = 0;
        }
        else if (bf == 0)
        {
            subR->_bf = 0;
            parent->_bf = 0;
            subRL->_bf = 0;
        }
        else
        {
            assert(false);
        }
    }
private:
    Node* _root = nullptr;
};

测试代码如下：

void Test_AVLTree()
{
	int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
	AVLTree<int, int> t1;
	for (auto e : a)
	{
		t1.Insert(make_pair(e, e));
	}
	t1.InOrder();
	cout << "Height: " << t1.Height() << endl;
}
int main()
{
	Test_AVLTree();
	return 0;
}

运行结果如下：
在这里插入图片描述

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