前言
作者:小蜗牛向前冲
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目录
一、AVL树基本知识
1、概念
2、节点定义
3、插入
二、AVL树的旋转
1、右单旋
2、左单旋
3、左右双旋
4、 右左双旋
三、AVL树的测试
1、测试的补充代码
2、测试
本期学习目标:清楚什么是AVL树,模拟实现AVL树,理解四种旋转模型。
一、AVL树基本知识
1、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:
- 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(-1/0/1)
2、节点定义
template<class k,class v>
struct AVLTreeNode
{
pair<k, v>_kv;
AVLTreeNode<k, v>* _left;
AVLTreeNode<k, v>* _right;
AVLTreeNode<k, v>* _parent;
int _bf;//balance factor
//带参数的构造函数
AVLTreeNode(const pair<k,v>& kv)
:_kv(kv)
,_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_parent(nullptr)
,_bf(0)
{}
};
这里我们定义了三叉链来定义节点,最为特殊的是我们相对于二叉树,我们多了一个平衡 因子,这是维持AVL特性的关键,下面我们将围绕此展开对AVL树的构建。
注意:平衡因子 = 右树的高度-左树的高度
3、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
对于插入最为重要的是平衡因子的更新,下面我们将讨论更新平衡因子情况:
是否要在更新平衡因子,要根据子树的高度:
1、如果parent->_bf==0,者说明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
即是以前是一边高一边低,现在是插入到矮的一边,树的高度不变,不更新2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
即是以前树是均衡的,现在插入让一边高了
子树的高度变了,要向上更新3 、如果parent->_bf==-2或者parent->_bf==2,者以前parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
现在树严重不平衡,让树旋转维持结构
//插入
bool Insert(const pair<k, v>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
//找插入位置
while (cur)
{
//插入元素大于比较元素
if (cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
//继续往右树走
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
//继续往左树走
cur = cur->_left;
}
else//插入元素于树中元素相等,不插入
{
return false;
}
}
cur = new Node(kv);
//链接节点
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = cur;
//更新parent
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_right = cur;
//更新parent
cur->_parent = parent;
}
//更新平衡因子
while (parent)//parent为空,就更新到了根
{
//新增在树节点左边,parent->bf--
//新增在树节点右边,parent->bf++
if (cur == parent->_left)
{
parent->_bf--;
}
else
{
parent->_bf++;
}
//是否要在更新平衡因子,要根据子树的高度:
//1、如果parent->_bf==0,者说明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//即是以前是一边高一边低,现在是插入到矮的一边,树的高度不变,不更新
//2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
//即是以前树是均衡的,现在插入让一边高了
//子树的高度变了,要向上更新
//3 、如果parent->_bf==-2或者parent->_bf==2,者以前parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//现在树严重不平衡,让树旋转维持结构
//旋转:
//1、让子树的高度差不差过1
//2、旋转过程中也要保存搜索树结构
//3、边更新平衡因子
//4、让这课树的高度保存和之前一样(旋转结束,不影响上层结构)
if (parent->_bf == 0)
{
break;
}
else if (parent->_bf == -1 || parent->_bf == 1)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
//旋转
else if (parent->_bf == -2 || parent->_bf == 2)
{
//左单旋转
if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
{
RotateL(parent);
}
//右单旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
{
RotateR(parent);
}
//左右双旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
{
RotateLR(parent);
}
//右左双旋
else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
{
RotateRL(parent);
}
else
{
assert(false);
}
//旋转完成,平衡因子已经更新跳出循环
break;
}
else
{
assert(false);
}
}
}
二、AVL树的旋转
如果parent->_bf==-2或者parent->_bf==2,者以前parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
现在树严重不平衡,让树旋转维持结构:
旋转的要求:
- 让子树的高度差不差过1
- 旋转过程中也要保存搜索树结构
- 边更新平衡因子
- 让这课树的高度保存和之前一样(旋转结束,不影响上层结构)
旋转的分类:
- 新节点插入较高左子树的左侧—左左:右单旋
- 新节点插入较高右子树的右侧—右右:左单旋
- 新节点插入较高左子树的右侧—左右:先左单旋再右单旋
- 新节点插入较高右子树的左侧—右左:先右单旋再左单旋
1、右单旋
对于可能出现右旋转的情况的子树是多样的
这里我们可以根据需要进行右单旋转抽像图进行理解
代码实现:
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//b做60的右
parent->_left = subLR;
if (subLR)
{
subLR->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//60做30的右
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
//60就是以前的根节点
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
else
{
//上层父节点的左边是子树的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subL->_bf = 0;
}
2、左单旋
代码实现:
void RotateL(Node * parent)
{
Node* subR = parent->_right;//父节点的右子树
Node* subRL = subR->_left;//右树的左树
//让60左边链接到30的右边
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//让30变成60的左边
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//subR就是根节点
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
//上层父节点的左边是子树的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
//子树父节点和上层父节点链接
subR->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
3、左右双旋
对于双旋转来说:节点新增的位置不同,平衡因子最终也会不同,这里我们要进行分类讨论:
对于双旋转来说,最为重要的平衡因子的更新。
代码实现:
//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//记录subLR的平衡因子
int bf = subLR->_bf;
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
//根据不同情况更新平衡因子
if (bf == 1)//在c点处新增(在subLR的右子树新增)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
}
else if(bf == -1) // 在b点处新增(在subLR的左子树新增)
{
subLR->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
parent->_bf = 1;
}
else if (bf == 0) //自己就是增点
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
4、 右左双旋
这里同样也要进行分类讨论:
代码实现:
//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
//记录subLR的平衡因子
int bf = subRL->_bf;
RotateR (parent->_right);
RotateL(parent);
//根据不同情况更新平衡因子
if (bf == 1)//在c点处新增(在subLR的右子树新增)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = -1;
}
else if (bf == -1) // 在b点处新增(在subLR的左子树新增)
{
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else if (bf == 0) //自己就是增点
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
三、AVL树的测试
为了测试我们模拟实现的AVL树是否成功,还需要进行检查
1、测试的补充代码
树的高度:
int Height()
{
return _Height(_root);
}
//求树的高度
int _Height(Node* root)
{
//树高度为0
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
//递归求左树的高度
int Lh = _Height(root->_left);
//递归求右树的高度
int Rh = _Height(root->_right);
return Lh > Rh ? Lh + 1 : Rh + 1;
}
检查平衡因子
//检测平衡因子
bool _IsBalance(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return true;
}
int leftHeight = _Height(root->_left);
int rightHeight = _Height(root->_right);
if (rightHeight - leftHeight != root->_bf)
{
cout << root->_bf << endl;
cout << rightHeight - leftHeight << endl;
cout << root->_kv.first << "平衡因子异常" << endl;
return false;
}
return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
&& _IsBalance(root->_left)
&& _IsBalance(root->_right);
}
中序遍历
void InOrder()//这是为了解决在外面调用,不好传根的问题
{
_InOrder(_root);
}
//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);
}
2、测试
完整代码:
#pragma once
#include<time.h>
#include<assert.h>
template<class k,class v>
struct AVLTreeNode
{
pair<k, v>_kv;
AVLTreeNode<k, v>* _left;
AVLTreeNode<k, v>* _right;
AVLTreeNode<k, v>* _parent;
int _bf;//balance factor
//带参数的构造函数
AVLTreeNode(const pair<k,v>& kv)
:_kv(kv)
,_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_parent(nullptr)
,_bf(0)
{}
};
template<class k, class v>
struct AVLTree
{
typedef AVLTreeNode<k,v> Node;
public:
//插入
bool Insert(const pair<k, v>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
//找插入位置
while (cur)
{
//插入元素大于比较元素
if (cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
//继续往右树走
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
//继续往左树走
cur = cur->_left;
}
else//插入元素于树中元素相等,不插入
{
return false;
}
}
cur = new Node(kv);
//链接节点
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = cur;
//更新parent
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_right = cur;
//更新parent
cur->_parent = parent;
}
//更新平衡因子
while (parent)//parent为空,就更新到了根
{
//新增在树节点左边,parent->bf--
//新增在树节点右边,parent->bf++
if (cur == parent->_left)
{
parent->_bf--;
}
else
{
parent->_bf++;
}
//是否要在更新平衡因子,要根据子树的高度:
//1、如果parent->_bf==0,者说明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//即是以前是一边高一边低,现在是插入到矮的一边,树的高度不变,不更新
//2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
//即是以前树是均衡的,现在插入让一边高了
//子树的高度变了,要向上更新
//3 、如果parent->_bf==-2或者parent->_bf==2,者以前parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//现在树严重不平衡,让树旋转维持结构
//旋转:
if (parent->_bf == 0)
{
break;
}
else if (parent->_bf == -1 || parent->_bf == 1)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
//旋转
else if (parent->_bf == -2 || parent->_bf == 2)
{
//左单旋转
if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
{
RotateL(parent);
}
//右单旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
{
RotateR(parent);
}
//左右双旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
{
RotateLR(parent);
}
//右左双旋
else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
{
RotateRL(parent);
}
else
{
assert(false);
}
//旋转完成,平衡因子已经更新跳出循环
break;
}
else
{
assert(false);
}
}
}
void RotateL(Node * parent)
{
Node* subR = parent->_right;//父节点的右子树
Node* subRL = subR->_left;//右树的左树
//让60左边链接到30的右边
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//让30变成60的左边
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//subR就是根节点
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
//上层父节点的左边是子树的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
//子树父节点和上层父节点链接
subR->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//b做60的右
parent->_left = subLR;
if (subLR)
{
subLR->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//60做30的右
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
//60就是以前的根节点
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
else
{
//上层父节点的左边是子树的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subL->_bf = 0;
}
//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//记录subLR的平衡因子
int bf = subLR->_bf;
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
//根据不同情况更新平衡因子
if (bf == 1)//在c点处新增(在subLR的右子树新增)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
}
else if(bf == -1) // 在b点处新增(在subLR的左子树新增)
{
subLR->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
parent->_bf = 1;
}
else if (bf == 0) //自己就是增点
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
//记录subLR的平衡因子
int bf = subRL->_bf;
RotateR (parent->_right);
RotateL(parent);
//根据不同情况更新平衡因子
if (bf == 1)//在c点处新增(在subLR的右子树新增)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = -1;
}
else if (bf == -1) // 在b点处新增(在subLR的左子树新增)
{
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else if (bf == 0) //自己就是增点
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
int Height()
{
return _Height(_root);
}
//求树的高度
int _Height(Node* root)
{
//树高度为0
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
//递归求左树的高度
int Lh = _Height(root->_left);
//递归求右树的高度
int Rh = _Height(root->_right);
return Lh > Rh ? Lh + 1 : Rh + 1;
}
bool IsAVLTree()
{
return _IsBalance(_root);
}
//检测平衡因子
bool _IsBalance(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return true;
}
int leftHeight = _Height(root->_left);
int rightHeight = _Height(root->_right);
if (rightHeight - leftHeight != root->_bf)
{
cout << root->_bf << endl;
cout << rightHeight - leftHeight << endl;
cout << root->_kv.first << "平衡因子异常" << endl;
return false;
}
return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
&& _IsBalance(root->_left)
&& _IsBalance(root->_right);
}
void InOrder()//这是为了解决在外面调用,不好传根的问题
{
_InOrder(_root);
}
//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);
}
private:
Node* _root = nullptr;
};
void TestAVLTree1()
{
//int a[] = { 8, 3, 1, 10, 6, 4, 7, 14, 13 };
//int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
/*int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };*/
int a[] = { 30,60,90 };
AVLTree<int, int> t;
for (auto e : a)
{
t.Insert(make_pair(e, e));
}
t.InOrder();
cout << t.IsAVLTree() << endl;
}
void TestAVLTree2()
{
srand(time(0));
const size_t N = 100000;
AVLTree<int, int> t;
for (size_t i = 0; i < N; ++i)
{
size_t x = rand();
t.Insert(make_pair(x, x));
/*cout << t.IsAVLTree() << endl;*/
}
cout << t.IsAVLTree() << endl;
}
这里我们分别进行简单 TestAVLTree1()和用生成随机数字生成的数字进行测试TestAVLTree2()
如果成功就会打印1.