1.AVL树
1.1AVL树的概念
1.2AVL树的定义
1.3AVL树的插入
1.4AVL树的旋转
1. 右单旋
2. 左单旋
3. 左右双旋
4. 右左双旋
1.5AVL树的验证
1.6AVL的实现
在之前对map/multimap/set/multiset进行了简单的介绍(C++之map_set的使用-CSDN博客),在其文档介绍中发现,这几个容器有个共同点是:其底层都是按照二叉搜索树来实现的,但是二叉搜索树有其自身的缺陷,假如往树中插入的元素有序或者接近有序,二叉搜索树就会退化成单支树,时间复杂度会退化成O(N),因此map、set等关联式容器的底层结构是对二叉树进行了平衡处理,即采用平衡树来实现。
1.AVL树
1.1AVL树的概念
二叉搜索树虽可以缩短查找的效率,但如果数据有序或接近有序二叉搜索树将退化为单支树,查找元素相当于在顺序表中搜索元素,效率低下。
因此,两位俄罗斯的数学家G.M.Adelson-Velskii和E.M.Landis在1962年发明了一种解决上述问题的方法: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(需要对树中的结点进行调整),即可降低树的高度,从而减少平均搜索长度。
一棵AVL树或者是空树,或者是具有以下性质的二叉搜索树: A.它的 左右子树都是AVL树B.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)
如果一棵二叉搜索树是高度平衡的,它就是AVL树。如果它有n个结点,其高度可保持在$O(log_2 n)$,搜索时间复杂度O($log_2 n$)
1.2AVL树的定义
template<class K,class V> struct AVLTreeNode {AVLTreeNode<K, V>* _left; //左子树AVLTreeNode<K, V>* _right;//右子树AVLTreeNode<K, V>* _parent;//父节点int _bf; //平衡因子pair<K, V> _kv;AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _kv(kv), _bf(0){} };
AVLTreeNode
中的成员包括:
_left
:指向左子节点的指针。_right
:指向右子节点的指针。_parent
:指向父节点的指针。_kv
:存储键值对的pair
对象,其中键的类型为K
,值的类型为V
。_bf
:平衡因子,用于表示节点的平衡状态。- 对于_bf我们通常用一个树的右子树的高度减去左子树的高度来表示_bf
1.3AVL树的插入
AVL树,具有二叉搜索树的性质,同时还在二叉搜索树的基础上增加了平衡因子bf
AVL树的插入分为下面两步:
1、按搜索树规则插入
2、更新平衡因子对于插入,分为三种情况:
1.插入该节点之后 父节点的平衡因子变为了0(-1变成0 或者 1变成0),这种情况说明插入节点没有对祖先的平衡因子造成影响,不需要进行处理。
更新后,p->bf == 0p所在的子树高度不变,不会影响爷爷说明更新前,p的bf是1 或者 -1,p的矮的那边插入了节点,左右均衡了,p的高度不变,不会影响爷爷
更新结束2.插入之后父节点的平衡因子变成了1或者-1,这个时候以父节点的平衡因子是从0 变成1或者-1的,说明以父节点为根节点的树的高度发生了变化,并且高度的变化还有可能会影响祖先 的平衡因子,所以这个时候我们需要向上进行判断 祖先节点的平衡因子。
更新后,p->bf==1/-1,p所在的子树的高度变了,会影响爷爷说明更新前,p的bf是0,p的有一边插入,p变得不均衡,但是不违反规则会影响爷爷p的高度变了,
继续往上更新3.插入之后父节点的平衡因子变成了2或者-2
更新后,p->bf==2/-2,说明p所在的子树违反了平衡规则,需要进行处理 ->旋转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->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent){if(cur == parent->left){parent->_bf--;}else{parent->_bf++;}//pCur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){// 旋转处理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{RotateRL(parent); //旋转函数的代码看下方}break;}else{// 插入之前AVL树就有问题assert(false);}}return true;}
1.4AVL树的旋转
如果某个节点的平衡因子因为插入了新的节点变成了2/-2,此时不满足AVL树的规则,那我们就会对该树进行旋转,旋转之后 平衡因子就会回到插入节点之前的 状态,不会对上层产生影响。
1. 右单旋
新节点插入较高左子树的左侧---左左
上图在插入前,AVL树是平衡的,新节点插入到30的左子树(注意:此处不是左孩子)中,30左子树增加了一层,导致以60为根的二叉树不平衡,要让60平衡,只能将60左子树的高度减少一层,右子树增加一层,
即将左子树往上提,这样60转下来,因为60比30大,只能将其放在30的右子树,而如果30有右子树,右子树根的值一定大于30,小于60,只能将其放在60的左子树,旋转完成后,更新节点的平衡因子即可。在旋转过程中,有以下几种情况需要考虑: 1. 30节点的右孩子可能存在,也可能不存在 2. 60可能是根节点,也可能是子树 如果是根节点,旋转完成后,要更新根节点如果是子树,可能是某个节点的左子树,也可能是右子树
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;}subL->_bf = 0;parent->_bf = 0;}
2. 左单旋
新节点插入较高右子树的右侧---右右:
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;}
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
将双旋变成单旋后再旋转,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
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);}}
4. 右左双旋
新节点插入较高右子树的左侧---右左:先右单旋再左单旋
假如以pParent为根的子树不平衡,即pParent的平衡因子为2或者-2,分以下情况考虑
1. pParent的平衡因子为2,说明pParent的右子树高,设pParent的右子树的根为pSubR 当pSubR的平衡因子为1时,执行左单旋当pSubR的平衡因子为-1时,执行右左双旋 2. pParent的平衡因子为-2,说明pParent的左子树高,设pParent的左子树的根为pSubL 当pSubL的平衡因子为-1是,执行右单旋当pSubL的平衡因子为1时,执行左右双旋旋转完成后,原pParent为根的子树个高度降低,已经平衡,不需要再向上更新
1.5AVL树的验证
AVL树是在二叉搜索树的基础上加入了平衡性的限制,因此要验证AVL树,可以分两步:
1. 验证其为二叉搜索树
如果中序遍历可得到一个有序的序列,就说明为二叉搜索树
2. 验证其为平衡树
每个节点子树高度差的绝对值不超过1(注意节点中如果没有平衡因子)
节点的平衡因子是否计算正确
int _Height(PNode pRoot);
bool _IsBalanceTree(PNode pRoot)
{
// 空树也是AVL树
if (nullptr == pRoot) return true;
// 计算pRoot节点的平衡因子:即pRoot左右子树的高度差
int leftHeight = _Height(pRoot->_pLeft);
int rightHeight = _Height(pRoot->_pRight);
int diff = rightHeight - leftHeight;
// 如果计算出的平衡因子与pRoot的平衡因子不相等,或者
// pRoot平衡因子的绝对值超过1,则一定不是AVL树
if (diff != pRoot->_bf || (diff > 1 || diff < -1))
return false;
// pRoot的左和右如果都是AVL树,则该树一定是AVL树
return _IsBalanceTree(pRoot->_pLeft) && _IsBalanceTree(pRoot-
>_pRight);
}
1.6AVL的实现
template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{AVLTreeNode<K, V>* _left;AVLTreeNode<K, V>* _right;AVLTreeNode<K, V>* _parent;int _bf; // balance factorpair<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);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->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;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){// 旋转处理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{RotateRL(parent);}break;}else{// 插入之前AVL树就有问题assert(false);}}return true;}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;}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;}subL->_bf = 0;parent->_bf = 0;}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);}}private:Node* _root = nullptr;
};