前言
作者:小蝸牛向前沖
名言:我可以接受失敗,但我不能接受放棄
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目錄
一、AVL樹基本知識
1、概念
2、節(jié)點(diǎn)定義
3、插入
二、AVL樹的旋轉(zhuǎn)
1、右單旋
2、左單旋
?3、左右雙旋
4、?右左雙旋
三、AVL樹的測試?
1、測試的補(bǔ)充代碼
2、測試?
?本期學(xué)習(xí)目標(biāo):清楚什么是AVL樹,模擬實(shí)現(xiàn)AVL樹,理解四種旋轉(zhuǎn)模型。?
一、AVL樹基本知識
1、概念
? ? ? ?二叉搜索樹雖可以縮短查找的效率,但如果數(shù)據(jù)有序或接近有序二叉搜索樹將退化為單支樹,查 找元素相當(dāng)于在順序表中搜索元素,效率低下。因此,兩位俄羅斯的數(shù)學(xué)家G.M.Adelson-Velskii 和E.M.Landis在1962年 發(fā)明了一種解決上述問題的方法:當(dāng)向二叉搜索樹中插入新結(jié)點(diǎn)后,如果能保證每個(gè)結(jié)點(diǎn)的左右 子樹高度之差的絕對值不超過1(需要對樹中的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整),即可降低樹的高度,從而減少平均 搜索長度。
一棵AVL樹或者是空樹,或者是具有以下性質(zhì)的二叉搜索樹:
- 它的左右子樹都是AVL樹
- 左右子樹高度之差(簡稱平衡因子)的絕對值不超過1(-1/0/1)
?
2、節(jié)點(diǎn)定義
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
//帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)
AVLTreeNode(const pair<k,v>& kv)
:_kv(kv)
,_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_parent(nullptr)
,_bf(0)
{}
};
這里我們定義了三叉鏈來定義節(jié)點(diǎn),最為特殊的是我們相對于二叉樹,我們多了一個(gè)平衡?因子,這是維持AVL特性的關(guān)鍵,下面我們將圍繞此展開對AVL樹的構(gòu)建。
注意:平衡因子 =?右樹的高度-左樹的高度
3、插入
AVL樹就是在二叉搜索樹的基礎(chǔ)上引入了平衡因子,因此AVL樹也可以看成是二叉搜索樹。那么 AVL樹的插入過程可以分為兩步:
1. 按照二叉搜索樹的方式插入新節(jié)點(diǎn)
2. 調(diào)整節(jié)點(diǎn)的平衡因子
對于插入最為重要的是平衡因子的更新,下面我們將討論更新平衡因子情況:
是否要在更新平衡因子,要根據(jù)子樹的高度:
1、如果parent->_bf==0,者說明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
即是以前是一邊高一邊低,現(xiàn)在是插入到矮的一邊,樹的高度不變,不更新2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
即是以前樹是均衡的,現(xiàn)在插入讓一邊高了
子樹的高度變了,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
現(xiàn)在樹嚴(yán)重不平衡,讓樹旋轉(zhuǎn)維持結(jié)構(gòu)
//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)
{
//插入元素大于比較元素
if (cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
//繼續(xù)往右樹走
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
//繼續(xù)往左樹走
cur = cur->_left;
}
else//插入元素于樹中元素相等,不插入
{
return false;
}
}
cur = new Node(kv);
//鏈接節(jié)點(diǎn)
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為空,就更新到了根
{
//新增在樹節(jié)點(diǎn)左邊,parent->bf--
//新增在樹節(jié)點(diǎn)右邊,parent->bf++
if (cur == parent->_left)
{
parent->_bf--;
}
else
{
parent->_bf++;
}
//是否要在更新平衡因子,要根據(jù)子樹的高度:
//1、如果parent->_bf==0,者說明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//即是以前是一邊高一邊低,現(xiàn)在是插入到矮的一邊,樹的高度不變,不更新
//2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
//即是以前樹是均衡的,現(xiàn)在插入讓一邊高了
//子樹的高度變了,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
//現(xiàn)在樹嚴(yán)重不平衡,讓樹旋轉(zhuǎn)維持結(jié)構(gòu)
//旋轉(zhuǎn):
//1、讓子樹的高度差不差過1
//2、旋轉(zhuǎn)過程中也要保存搜索樹結(jié)構(gòu)
//3、邊更新平衡因子
//4、讓這課樹的高度保存和之前一樣(旋轉(zhuǎn)結(jié)束,不影響上層結(jié)構(gòu))
if (parent->_bf == 0)
{
break;
}
else if (parent->_bf == -1 || parent->_bf == 1)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
//旋轉(zhuǎn)
else if (parent->_bf == -2 || parent->_bf == 2)
{
//左單旋轉(zhuǎn)
if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
{
RotateL(parent);
}
//右單旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
{
RotateR(parent);
}
//左右雙旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
{
RotateLR(parent);
}
//右左雙旋
else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
{
RotateRL(parent);
}
else
{
assert(false);
}
//旋轉(zhuǎn)完成,平衡因子已經(jīng)更新跳出循環(huán)
break;
}
else
{
assert(false);
}
}
}
二、AVL樹的旋轉(zhuǎn)
如果parent->_bf==-2或者parent->_bf==2,者以前parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
現(xiàn)在樹嚴(yán)重不平衡,讓樹旋轉(zhuǎn)維持結(jié)構(gòu):
旋轉(zhuǎn)的要求:
- 讓子樹的高度差不差過1
- 旋轉(zhuǎn)過程中也要保存搜索樹結(jié)構(gòu)
- 邊更新平衡因子
- 讓這課樹的高度保存和之前一樣(旋轉(zhuǎn)結(jié)束,不影響上層結(jié)構(gòu))
旋轉(zhuǎn)的分類:?
- 新節(jié)點(diǎn)插入較高左子樹的左側(cè)—左左:右單旋
- 新節(jié)點(diǎn)插入較高右子樹的右側(cè)—右右:左單旋
- 新節(jié)點(diǎn)插入較高左子樹的右側(cè)—左右:先左單旋再右單旋
- 新節(jié)點(diǎn)插入較高右子樹的左側(cè)—右左:先右單旋再左單旋
1、右單旋
對于可能出現(xiàn)右旋轉(zhuǎn)的情況的子樹是多樣的
?這里我們可以根據(jù)需要進(jìn)行右單旋轉(zhuǎn)抽像圖進(jìn)行理解
?
代碼實(shí)現(xiàn):?
//右單旋
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就是以前的根節(jié)點(diǎn)
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
else
{
//上層父節(jié)點(diǎn)的左邊是子樹的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、左單旋
?
代碼實(shí)現(xiàn):
?
void RotateL(Node * parent)
{
Node* subR = parent->_right;//父節(jié)點(diǎn)的右子樹
Node* subRL = subR->_left;//右樹的左樹
//讓60左邊鏈接到30的右邊
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//讓30變成60的左邊
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//subR就是根節(jié)點(diǎn)
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
//上層父節(jié)點(diǎn)的左邊是子樹的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
//子樹父節(jié)點(diǎn)和上層父節(jié)點(diǎn)鏈接
subR->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
?3、左右雙旋
對于雙旋轉(zhuǎn)來說:節(jié)點(diǎn)新增的位置不同,平衡因子最終也會不同,這里我們要進(jìn)行分類討論:
對于雙旋轉(zhuǎn)來說,最為重要的平衡因子的更新。?
?代碼實(shí)現(xiàn):
//左右雙旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//記錄subLR的平衡因子
int bf = subLR->_bf;
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
//根據(jù)不同情況更新平衡因子
if (bf == 1)//在c點(diǎn)處新增(在subLR的右子樹新增)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
}
else if(bf == -1) // 在b點(diǎn)處新增(在subLR的左子樹新增)
{
subLR->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
parent->_bf = 1;
}
else if (bf == 0) //自己就是增點(diǎn)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
4、?右左雙旋
這里同樣也要進(jìn)行分類討論:
?
代碼實(shí)現(xiàn):?
//右左雙旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
//記錄subLR的平衡因子
int bf = subRL->_bf;
RotateR (parent->_right);
RotateL(parent);
//根據(jù)不同情況更新平衡因子
if (bf == 1)//在c點(diǎn)處新增(在subLR的右子樹新增)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = -1;
}
else if (bf == -1) // 在b點(diǎn)處新增(在subLR的左子樹新增)
{
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else if (bf == 0) //自己就是增點(diǎn)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
三、AVL樹的測試?
為了測試我們模擬實(shí)現(xiàn)的AVL樹是否成功,還需要進(jìn)行檢查
1、測試的補(bǔ)充代碼
樹的高度:
int Height()
{
return _Height(_root);
}
//求樹的高度
int _Height(Node* root)
{
//樹高度為0
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
//遞歸求左樹的高度
int Lh = _Height(root->_left);
//遞歸求右樹的高度
int Rh = _Height(root->_right);
return Lh > Rh ? Lh + 1 : Rh + 1;
}
檢查平衡因子
//檢測平衡因子
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 << "平衡因子異常" << endl;
return false;
}
return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
&& _IsBalance(root->_left)
&& _IsBalance(root->_right);
}
中序遍歷
void InOrder()//這是為了解決在外面調(diào)用,不好傳根的問題
{
_InOrder(_root);
}
//中序遍歷
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
_InOrder(root->_right);
}
2、測試?
完整代碼:
#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
//帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)
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)
{
//插入元素大于比較元素
if (cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
//繼續(xù)往右樹走
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
//繼續(xù)往左樹走
cur = cur->_left;
}
else//插入元素于樹中元素相等,不插入
{
return false;
}
}
cur = new Node(kv);
//鏈接節(jié)點(diǎn)
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為空,就更新到了根
{
//新增在樹節(jié)點(diǎn)左邊,parent->bf--
//新增在樹節(jié)點(diǎn)右邊,parent->bf++
if (cur == parent->_left)
{
parent->_bf--;
}
else
{
parent->_bf++;
}
//是否要在更新平衡因子,要根據(jù)子樹的高度:
//1、如果parent->_bf==0,者說明以前的parent->_bf==-1或者parent->_bf==1
//即是以前是一邊高一邊低,現(xiàn)在是插入到矮的一邊,樹的高度不變,不更新
//2、如果parent->_bf==-1或者parent->_bf==-1,者以前parent->_bf==0
//即是以前樹是均衡的,現(xiàn)在插入讓一邊高了
//子樹的高度變了,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
//現(xiàn)在樹嚴(yán)重不平衡,讓樹旋轉(zhuǎn)維持結(jié)構(gòu)
//旋轉(zhuǎn):
if (parent->_bf == 0)
{
break;
}
else if (parent->_bf == -1 || parent->_bf == 1)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
//旋轉(zhuǎn)
else if (parent->_bf == -2 || parent->_bf == 2)
{
//左單旋轉(zhuǎn)
if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
{
RotateL(parent);
}
//右單旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
{
RotateR(parent);
}
//左右雙旋
else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
{
RotateLR(parent);
}
//右左雙旋
else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
{
RotateRL(parent);
}
else
{
assert(false);
}
//旋轉(zhuǎn)完成,平衡因子已經(jīng)更新跳出循環(huán)
break;
}
else
{
assert(false);
}
}
}
void RotateL(Node * parent)
{
Node* subR = parent->_right;//父節(jié)點(diǎn)的右子樹
Node* subRL = subR->_left;//右樹的左樹
//讓60左邊鏈接到30的右邊
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
Node* ppNode = parent->_parent;
//讓30變成60的左邊
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//subR就是根節(jié)點(diǎn)
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
//上層父節(jié)點(diǎn)的左邊是子樹的parent
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
//子樹父節(jié)點(diǎn)和上層父節(jié)點(diǎn)鏈接
subR->_parent = ppNode;
}
//更新平衡因子
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
//右單旋
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就是以前的根節(jié)點(diǎn)
if (ppNode == nullptr)
{
_root = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
else
{
//上層父節(jié)點(diǎn)的左邊是子樹的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;
}
//左右雙旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
//記錄subLR的平衡因子
int bf = subLR->_bf;
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
//根據(jù)不同情況更新平衡因子
if (bf == 1)//在c點(diǎn)處新增(在subLR的右子樹新增)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
}
else if(bf == -1) // 在b點(diǎn)處新增(在subLR的左子樹新增)
{
subLR->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
parent->_bf = 1;
}
else if (bf == 0) //自己就是增點(diǎn)
{
subLR->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
//右左雙旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
//記錄subLR的平衡因子
int bf = subRL->_bf;
RotateR (parent->_right);
RotateL(parent);
//根據(jù)不同情況更新平衡因子
if (bf == 1)//在c點(diǎn)處新增(在subLR的右子樹新增)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = -1;
}
else if (bf == -1) // 在b點(diǎn)處新增(在subLR的左子樹新增)
{
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else if (bf == 0) //自己就是增點(diǎn)
{
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
parent->_bf = 0;
}
else
{
assert(false);
}
}
int Height()
{
return _Height(_root);
}
//求樹的高度
int _Height(Node* root)
{
//樹高度為0
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
//遞歸求左樹的高度
int Lh = _Height(root->_left);
//遞歸求右樹的高度
int Rh = _Height(root->_right);
return Lh > Rh ? Lh + 1 : Rh + 1;
}
bool IsAVLTree()
{
return _IsBalance(_root);
}
//檢測平衡因子
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 << "平衡因子異常" << endl;
return false;
}
return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
&& _IsBalance(root->_left)
&& _IsBalance(root->_right);
}
void InOrder()//這是為了解決在外面調(diào)用,不好傳根的問題
{
_InOrder(_root);
}
//中序遍歷
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;
}
這里我們分別進(jìn)行簡單?TestAVLTree1()和用生成隨機(jī)數(shù)字生成的數(shù)字進(jìn)行測試TestAVLTree2()
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文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-758787.html
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