C++进阶:AVL树详解及模拟实现(图示讲解旋转过程)
之前在搜索二叉树最后早就埋下伏笔,来介绍AVL树和红黑树,今天就先来第一个吧
文章目录
- 1.AVL树介绍
- 1.1概念介绍
- 1.2核心性质
- 2.项目文件规划
- 3.整体框架(节点和Tree)
- 4.AVL树的新节点插入
- 4.1新节点插入当前节点的右子树的右子树——左旋转
- 左旋 (Left Rotation)
- 情况:
- 操作:
- 4.2新节点插入当前节点的左子树的左子树——右旋转
- 右旋 (Right Rotation)
- 情况:
- 操作:
- 4.3新节点插入当前节点的左子树的右子树——左右双旋
- 左右双旋(LR旋转)
- 4.4新节点插入当前节点的右子树的左子树——右左双旋
- 右左旋(RL旋转)
- 4.5组装完整版Insert()
- 5.中序方便过会测试
- 6.编写函数看是否满足要求
- 6.1求高度
- 6.2 平衡否
- 7.测试
- 8.全部代码
- 8.1 AVLTree.h
- 8.2 test.cpp
1.AVL树介绍
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,人为规定:
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
1.1概念介绍
- AVL树定义:
- 解释AVL树是一种自平衡的二叉搜索树,由G.M. Adelson-Velsky和E.M. Landis在1962年提出。
- 强调AVL树中每个节点的平衡因子(Balance Factor),即左子树高度和右子树高度之差不超过1。
- 平衡因子:
- 解释平衡因子的概念,即一个节点的左子树高度减去右子树高度的值。
- 平衡因子为{-1, 0, 1}时,树是平衡的。
- 自平衡性质:
- 说明AVL树具有自平衡性质,即在插入或删除节点时,会通过旋转操作来保持树的平衡。
- 提及AVL树的平衡因子限制,确保树的高度保持在对数级别。
1.2核心性质
-
严格平衡:
- 强调AVL树的严格平衡性质,即每个节点的左右子树高度差不超过1。
- 严格平衡性质保证了AVL树的高度近似于对数级别,保证了高效的插入、删除和查找操作。
-
插入和删除操作:
- 介绍当插入或删除节点时,AVL树如何通过旋转操作来保持平衡。
- 解释插入和删除操作可能会导致树失去平衡,需要通过单旋转、双旋转等操作进行调整。
-
时间复杂度:
- 说明AVL树的插入、删除和查找操作的时间复杂度都是O(log n),其中n为树中节点的数量。
- 强调AVL树在动态数据集合中的高效性,适用于需要频繁更新的场景。
2.项目文件规划
头文件AVLTree.h:进行模拟的编写
源文件test.cpp:进行测试,检查代码逻辑是否满足期望
3.整体框架(节点和Tree)
template<class K,class V>
struct AVLTreeNode
{AVLTreeNode<K, V>* _left;AVLTreeNode<K, V>* _right;AVLTreeNode<K, V>* _parent;//父亲节点int _bf; // balance factor 平衡因子pair<K, V> _kv;//每个节点里存一个pairAVLTreeNode(const pair<K, V>& kv):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _bf(0), _kv(kv)//都直接在初始化列表里初始化了{}
};template<class K, class V>
class AVLTree
{typedef AVLTreeNode<K, V> Node;//名字太长了,叫Node也更好理解
public:private:Node* _root = nullptr;//给上缺省值
};
4.AVL树的新节点插入
基本步骤:
- 查找插入位置: 首先,我们需要找到新节点应该插入的位置。从根节点开始,按照二叉搜索树的性质,逐级向左或向右比较键值,直到找到一个合适的位置。
- 插入新节点: 找到插入位置后,我们创建一个新的节点,并将其插入到树中。如果树为空,则新节点成为树的根节点。否则,将新节点插入到合适的位置,使得树仍然保持二叉搜索树的性质。
- 更新平衡因子: 在插入新节点后,需要沿着插入路径更新所有受影响节点的平衡因子。平衡因子是指节点的左右子树的高度差。如果插入导致某个节点的平衡因子超出范围(通常是 -1、0、1),则需要进行旋转操作来恢复平衡。
- 平衡调整: 如果插入操作破坏了 AVL 树的平衡性,我们需要进行一系列的旋转操作来重新平衡树。旋转操作包括单旋转和双旋转,具体的旋转方式取决于插入节点的位置以及平衡因子的情况。
- 旋转后继续向上: 插入节点后,可能需要对父节点、祖父节点等进行旋转操作,直到树恢复平衡为止。
bool Insert(const pair<K, V>& kv){if (_root == nullptr)//如果是空树{_root = new Node(kv);return true;//插入成功}Node* cur = _root;Node* parent = nullptr;while (cur)//这里开始找位置{if (kv.first < cur->_kv.first)//小于往左走{parent = cur;cur = cur->_left;}else if (kv.first > cur->_kv.first){parent = cur;cur = cur->_right;}else{return false;//不能有相等的}}//开始把新节点链接上cur = new Node(kv);if (parent->_kv.first < kv.first){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;//更新平衡因子while (parent != nullptr)//cur到跟节点停下{if (cur == parent->_left)//在左就--{parent->_bf--;}else//在右++{parent->_bf++;}//开始检查父亲节点的情况if (parent->_bf == 0){break;//直接停止}else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1){cur = parent;parent = cur->_parent;//向上走}else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2){//破坏了规则了,开始旋转}else{// 会到这说明插入之前AVL树就有问题assert(false);}}}
更新平衡因子过程:
更新的原则如下:
- 如果新节点插入到父节点的左侧,则父节点的平衡因子减一。
- 如果新节点插入到父节点的右侧,则父节点的平衡因子加一。
更新后,需要检查父节点的平衡因子是否发生变化,如果发生变化,则继续向上检查祖先节点的平衡因子,直到根节点或者到达一个平衡因子为 ±1 的节点为止。根据更新后节点的平衡因子情况,可以采取以下处理措施:
- 如果节点的平衡因子为 0,表示节点所在子树的高度没有变化,不会影响祖先节点的平衡因子,更新结束。
- 如果节点的平衡因子为 ±1,表示节点所在子树的高度变化(本来是0,现在变成 ±1,子树高度变了),会影响祖先节点的平衡因子,需要继续向上更新祖先节点的平衡因子。
- 如果节点的平衡因子为 ±2,表示节点所在子树违反了平衡规则,需要进行平衡调整操作(如旋转),然后更新结束。
4.1新节点插入当前节点的右子树的右子树——左旋转
左旋 (Left Rotation)
左旋的情况是当一个节点的右子树过高,需要进行左旋来降低右子树的高度,同时保持树的平衡。
情况:
- 新节点插入到当前节点的右子树的右子树中,导致当前节点的平衡因子为 +2。
- 在双旋的过程中,当左子树的平衡因子为 -1,右子树的平衡因子为 +1。
操作:
左旋是指将当前节点向左旋转,使得当前节点的右子树的左子树成为当前节点的右子树,同时将当前节点成为其右子树的左子树。
A B/ \ / \T1 B ==> A T3/ \ / \T2 T3 T1 T2
void RotateL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;//要成为根的Node* subRL = subR->_left;//要成为30的右子树parent->_right = subRL;if (subRL != nullptr)subRL->_parent = parent;subR->_left = parent;Node* pparent = parent->_parent;//存一下,新根才能链接parent->_parent = subR;if (parent == _root){_root = subR;subR->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent)//parent在pp的左,那我新的跟subR也要左{ppnode->_left = subR;}else//同理{ppnode->_right = subR;}subR->_parent = ppnode;}//更新平衡因子parent->_bf = 0;subR->_bf = 0;}
4.2新节点插入当前节点的左子树的左子树——右旋转
右旋 (Right Rotation)
右旋的情况是当一个节点的左子树过高,需要进行右旋来降低左子树的高度,同时保持树的平衡。
情况:
- 新节点插入到当前节点的左子树的左子树中,导致当前节点的平衡因子为 -2。
- 在双旋的过程中,当左子树的平衡因子为 -1,右子树的平衡因子为 +1。
操作:
右旋是指将当前节点向右旋转,使得当前节点的左子树的右子树成为当前节点的左子树,同时将当前节点成为其左子树的右子树。
A B/ \ / \B T3 ==> T1 A/ \ / \ T1 T2 T2 T3
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;}
4.3新节点插入当前节点的左子树的右子树——左右双旋
当新节点插入当前节点的左子树的右子树时,会触发左右双旋操作(LR旋转)。这种情况发生在当前节点的左子树的右子树上插入了新节点,导致当前节点的平衡因子不平衡(可能为+2或-2),且当前节点的左子树的右子树的平衡因子为正值(+1)。为了恢复 AVL 树的平衡性,需要先对当前节点的左子树进行一次左旋操作,然后再对当前节点进行一次右旋操作。
左右双旋(LR旋转)
具体步骤如下:
- 对当前节点的左子树进行一次左旋操作。
- 对当前节点进行一次右旋操作。
示例:
假设当前节点为 A,新节点插入在 A 的左子树的右子树的情况下,左右双旋操作如下:
A A C/ \ / \ / \B T4 左旋后 C T4 右旋后 B A/ \ ---------> / \ ---------> / \ / \T1 C B T3 T1 T2 T3 T4/ \ / \T2 T3 T1 T2
void RotateLR(Node* parent){Node* subL = parent->_left;Node* subLR = subL->_right;int bf = subLR->_bf;//存一下,后面要更新bfRotateL(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);}}
4.4新节点插入当前节点的右子树的左子树——右左双旋
右左旋(RL旋转)
右左旋操作发生在节点的右子树过深,导致平衡因子为 -2 且其右子节点的平衡因子为 +1 的情况下。具体步骤如下:
- 对 A 的右子树进行一次左旋操作。
- 再对 A 进行一次右旋操作。
示例:
A A C/ \ / \ / \T1 B ==> T1 C ==> A B/ \ / \ / \ / \C T4 T2 B T1 T2 T3 T4/ \ / \T2 T3 T3 T4
void RotateRL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;Node* subRL = subR->_left;int bf = subRL->_bf;RotateR(subR);RotateL(parent);subRL->_bf = 0;if (bf == 1){subR->_bf = 0;parent->_bf = -1;}else if (bf == -1){parent->_bf = 0;subR->_bf = 1;}else{parent->_bf = 0;subR->_bf = 0;}}
4.5组装完整版Insert()
bool Insert(const pair<K, V>& kv){if (_root == nullptr)//如果是空树{_root = new Node(kv);return true;//插入成功}Node* cur = _root;Node* parent = nullptr;while (cur)//这里开始找位置{if (kv.first < cur->_kv.first)//小于往左走{parent = cur;cur = cur->_left;}else if (kv.first > cur->_kv.first){parent = cur;cur = cur->_right;}else{return false;//不能有相等的}}//开始把新节点链接上cur = new Node(kv);if (parent->_kv.first < kv.first){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;//更新平衡因子while (parent != nullptr)//cur到跟节点停下{if (cur == parent->_left)//在左就--{parent->_bf--;}else//在右++{parent->_bf++;}//开始检查父亲节点的情况if (parent->_bf == 0){break;//直接停止}else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1){cur = parent;parent = cur->_parent;//向上走}else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2){//破坏了规则了,开始旋转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;//调整完后就平衡了,也不用向上,直接出去}else{// 会到这说明插入之前AVL树就有问题assert(false);}}}
5.中序方便过会测试
void InOrder(){_InOrder(_root);}void _InOrder(Node* root){if (root == nullptr){return;}_InOrder(root->_left);cout << root->_kv.first << "[" << root->_bf << "]" << endl;_InOrder(root->_right);}
6.编写函数看是否满足要求
只要有一个节点的左子树与右子树的高度差距大于等于2,那么就不满足了
从这里也能看出要写一个求高度函数更方便
6.1求高度
int Height(){_Height(_root);}int _Height(Node* root){if (root == nullptr){return 0;}int right = _Height(root->_right);int left = _Height(root->_left);return right > left ? right + 1 : left + 1;}
这段代码实现了 AVL 树的高度计算和平衡性检查功能。
_Height
函数:这个函数用于计算给定树的高度。递归地计算左右子树的高度,然后返回较大的子树高度加上 1。这个函数被用于计算整棵树的高度。
Height
函数:这个函数是对外提供的接口,用于获取 AVL 树的高度。它调用
_Height
函数并传入根节点,返回整棵 AVL 树的高度。
6.2 平衡否
bool IsBalance(){int height = 0;return _IsBlance(_root, height);}bool _IsBlance(Node* root, int& h){if (root == nullptr){h = 0;return true;}int leftHeight = 0, rightHeight = 0;if (!_IsBlance(root->_left, leftHeight)|| !_IsBlance(root->_right, rightHeight)){return false;}if (abs(rightHeight - leftHeight) >= 2){cout << root->_kv.first << "不平衡" << endl;return false;}h= leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;return true;}
_IsBalance
函数:这个函数用于检查 AVL 树的平衡性。它递归地检查树的每个节点,计算左右子树的高度并比较它们的差值,如果差值大于等于 2,则表示不平衡。此外,还检查每个节点的平衡因子是否正确,即右子树高度减去左子树高度等于节点的平衡因子。如果平衡因子异常,则表示树不平衡。
IsBalance
函数:这个函数是对外提供的接口,用于检查整棵 AVL 树的平衡性。它调用
_IsBalance
函数并传入根节点,返回整棵 AVL 树是否平衡的结果。这些函数的实现是 AVL 树的重要部分,用于确保 AVL 树保持平衡性和正确性。
7.测试
void TestAVLTree1()
{int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };AVLTree<int, int> t;for (auto e : a){t.Insert(make_pair(e, e));cout << e << "->" << t.IsBalance() << endl;}t.InOrder();cout << t.IsBalance() << endl;
}
8.全部代码
8.1 AVLTree.h
#pragma oncetemplate<class K,class V>
struct AVLTreeNode
{AVLTreeNode<K, V>* _left;AVLTreeNode<K, V>* _right;AVLTreeNode<K, V>* _parent;//父亲节点int _bf; // balance factor 平衡因子pair<K, V> _kv;//每个节点里存一个pairAVLTreeNode(const pair<K, V>& kv):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _bf(0), _kv(kv)//都直接在初始化列表里初始化了{}
};template<class K, class V>
class AVLTree
{typedef AVLTreeNode<K, V> Node;//名字太长了,叫Node也更好理解
public:void RotateL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;//要成为根的Node* subRL = subR->_left;//要成为30的右子树parent->_right = subRL;if (subRL != nullptr)subRL->_parent = parent;subR->_left = parent;Node* ppnode = parent->_parent;//存一下,新根才能链接parent->_parent = subR;if (parent == _root){_root = subR;subR->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent)//parent在pp的左,那我新的跟subR也要左{ppnode->_left = subR;}else//同理{ppnode->_right = subR;}subR->_parent = ppnode;}//更新平衡因子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;//存一下,后面要更新bfRotateL(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);}}void RotateRL(Node* parent){Node* subR = parent->_right;Node* subRL = subR->_left;int bf = subRL->_bf;RotateR(subR);RotateL(parent);subRL->_bf = 0;if (bf == 1){subR->_bf = 0;parent->_bf = -1;}else if (bf == -1){parent->_bf = 0;subR->_bf = 1;}else{parent->_bf = 0;subR->_bf = 0;}}bool Insert(const pair<K, V>& kv){if (_root == nullptr)//如果是空树{_root = new Node(kv);return true;//插入成功}Node* cur = _root;Node* parent = nullptr;while (cur)//这里开始找位置{if (kv.first < cur->_kv.first)//小于往左走{parent = cur;cur = cur->_left;}else if (kv.first > cur->_kv.first){parent = cur;cur = cur->_right;}else{return false;//不能有相等的}}//开始把新节点链接上cur = new Node(kv);if (parent->_kv.first < kv.first){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;//更新平衡因子while (parent != nullptr)//cur到跟节点停下{if (cur == parent->_left)//在左就--{parent->_bf--;}else//在右++{parent->_bf++;}//开始检查父亲节点的情况if (parent->_bf == 0){break;//直接停止}else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1){cur = parent;parent = cur->_parent;//向上走}else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2){//破坏了规则了,开始旋转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;//调整完后就平衡了,也不用向上,直接出去}else{// 会到这说明插入之前AVL树就有问题assert(false);}}}void InOrder(){_InOrder(_root);}void _InOrder(Node* root){if (root == nullptr){return;}_InOrder(root->_left);cout << root->_kv.first << "[" << root->_bf << "]" << endl;_InOrder(root->_right);}int Height(){_Height(_root);}int _Height(Node* root){if (root == nullptr){return 0;}int right = _Height(root->_right);int left = _Height(root->_left);return right > left ? right + 1 : left + 1;}bool IsBalance(){int height = 0;return _IsBlance(_root, height);}bool _IsBlance(Node* root, int& h){if (root == nullptr){h = 0;return true;}int leftHeight = 0, rightHeight = 0;if (!_IsBlance(root->_left, leftHeight)|| !_IsBlance(root->_right, rightHeight)){return false;}if (abs(rightHeight - leftHeight) >= 2){cout << root->_kv.first << "不平衡" << endl;return false;}h= leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;return true;}private:Node* _root = nullptr;//给上缺省值
};void TestAVLTree1()
{int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };AVLTree<int, int> t;for (auto e : a){t.Insert(make_pair(e, e));cout << e << "->" << t.IsBalance() << endl;}t.InOrder();cout << t.IsBalance() << endl;
}
8.2 test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>#include"AVLTree.h"
int main()
{TestAVLTree1();return 0;
}
今天就到这里啦!!下一次肯定是红黑树啦!!!