【C++】——AVL树(详细解读)
目录
一 AVL树的概念
二 AVL树节点的定义
三 AVL树的插入
1.先和搜索二叉树一样,去找插入的结点
2.插入的时候,需要更新平衡因子
3.确定平衡因子的改变,判断AVL树的改变
三 AVL树的旋转
左单旋
右单旋
右左双旋
左右双旋
四 ALV插入完整代码
五 总结
一 AVL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。
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。
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)
如果一棵二叉搜索树的高度是平衡的,它就是AVL树。如果它有n个结点,其高度可保持在O ( l o g N ) O(logN)O(logN),搜索时间复杂度也是O ( l o g N ) O(logN)O(logN)。
因为他接近完全二叉树
二 AVL树节点的定义
对于AVL的定义来说首先我们肯定是模板,然后我们的结构为三叉链,同时我们还需要一个平衡因子去平衡高度
template struct AVLTreeNode { AVLTreeNode* _left; AVLTreeNode* _right; AVLTreeNode* _parent;//三叉链 pair _kv; int _bf; //平衡因子 AVLTreeNode(const pair& kv)//构造函数 :_left(nullptr) , _right(nullptr) , _parent(nullptr) , _kv(kv) , _bf(0) {} };
三 AVL树的插入
注意,这里只是简单对AVL树的情况大概总结一下,细节还需要看下面的具体过程
1.先和搜索二叉树一样,去找插入的结点
2.插入的时候,需要更新平衡因子
3.确定平衡因子的改变,判断AVL树的改变
1找插入位置
- 待插入结点的key值比当前结点小就插入到该结点的左子树。
- 待插入结点的key值比当前结点大就插入到该结点的右子树。
- 待插入结点的key值与当前结点的key值相等就插入失败。
那这样我们根据上面的规则就很好写出我们的代码了
bool insert(const pair& kv) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(kv); return true; } Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { if (cur->_kv.first _right; } else if (cur->_kv.first > kv.first) { parent = cur; cur = cur->_left; } else { return false; } } cur = new Node(kv);
2.更新平衡因子
我们插入可能会导致不平衡,这个时候我们就需要旋转去解决问题
像上面的情况就不需要旋转去解决,因为子树的高度并没有变化,这里子树指的是 9
但是如果子树高度变化了,那么就需要去往上面更新
但是像上面这种,就会引发旋转,才能维持平衡,因为8的平衡因子为2已经破坏了平衡
1.父亲结点的平衡因子更新后为0,则不需要往上面更新
2.父亲结点的平衡因子更新后为1或者-1,则必须往上更新
3.父亲结点的平衡因子更新后为2或者-2,则需要旋转处理
3.判断AVL树的改变
如果父亲结点的平衡因子更新后为2或者-2,则需要旋转处理
到底要怎么旋转需要根据结点之间平衡因子的改变来判断
对于下面这种情况来说,在
9 :parent结点
15:cur结点
这里 parent的平衡因子为2,cur的平衡因子为1;
上图就是一个典型的左单旋,因为右边单纯高,左边单纯低,所以这里单纯的左单旋就行
如果反过来就是一个右单旋
对右单旋来说就是parent的平衡因子为-2,cur的平衡因子为-1;
还有就是左右双旋和右左双旋
- 当parent的平衡因子为-2,cur的平衡因子为1时,进行左右双旋。
- 当parent的平衡因子为2,cur的平衡因子为-1时,进行右左双旋。
总结来说就是
- 当parent的平衡因子为-2,cur的平衡因子为-1时,进行右单旋。
- 当parent的平衡因子为-2,cur的平衡因子为1时,进行左右双旋。
- 当parent的平衡因子为2,cur的平衡因子为-1时,进行右左双旋。
- 当parent的平衡因子为2,cur的平衡因子为1时,进行左单旋。
三 AVL树的旋转
左单旋
由上图可知:在插入之前树是一颗AVL树,而插入新结点之后,T的左右子树高度差的绝对值不再 _right;//这里先进行旋转 Node* subRL = subR->_left; parent->_right = subRL;//这里旋转已经完成,进行关系的变化 subR->left = parent; Node* parentparent = parent->_parent;//可能这棵树只是一颗子树,所以要保留一下上一个结点 parent->_parent = subR; if (subRL)//这里可能subRL是空,所以要特判 subRL->_parent = parent; if (_root == parent)//如果是根那就不用parentparent了,直接变化关系就行 { subR = _root; subR->_parent = nullptr; } else//如果不是根,只是一个子树,那就得看看是在parentparent的左还是右,再进行链接 { if (parentparent->_left == parent) { parentparent->_left = subR; } else { parentparent->_right = subR; } subR->_parent = parentparent; } parent->_bf == subR->_bf = 0;//旋转完,平衡因子都是0 }
右单旋
这里的右单旋就是和左单旋是一样的,只不过是方向变化了
由上图可知:在插入之前树是一颗AVL树,而插入结点之后,T的左右子树高度差的绝对值不再 _left;//处理旋转 Node* subLR = subL->_right; subL->_right = parent;//处理关系 parent->_left = subLR; Node* parentparent = parent->_parent;//保留结点 parent->_parent = subL; if (subLR)//特判 subLR->_parent = parent; if (parent == _root) { subL = _root; subL->_parent = nullptr; } else { if (parentparent->_left == parent) { parentparent->_left = subL; } else { parentparent->_right = subL; } subL->_parent = parentparent; } parent->_bf = subL->_bf = 0; }
右左双旋
什么时候进行右左双旋呢?
单纯的左旋解决不了问题(这里的左旋是左旋T),因为还是不平衡,所以这里需要进行右左双旋
但是注意这里的右左双旋是先右旋 R,再左旋T, 最后让L做根
第1次是右旋转:
- R 节点 右旋转,成为L的右节点
- L的右节点(Y2) 右旋转,成为R的左节点(即右子节点右转)
第2次是左旋转:
- T 节点 左旋转,成为L的左节点
- L的左节点(Y1)左旋转,成为T的右节点 (即左子节点左转)
抽象图就是
这是开始状态,当我们在b或者c差入的时候就引发了双旋
双旋后平衡因子改变
如果是在c位置插入,平衡因子的改变是不一样的
还有一种情况就是b,c是空,60这个结点就是新插入的结点
所以这里平衡因子的更新可以根据60 这个结点的平衡因子去判断最终所以平衡因子的改变
当 60 这个结点的平衡因子为-1的时候,那么旋转完 30:0 60:0 90:1;
当 60 这个结点的平衡因子为1的时候,那么旋转完 30:-1 60:0 90:0;
当 60 这个结点的平衡因子为0的时候,那么旋转完 30:0 60:0 90:0;
所以根据上面的结论我们很容易写出代码
其中
parent:30 ;
subR: 90;
subRL: 60;
void RotateRL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right;//先确定变量 Node* subRL = subR->_left; int bf = subRL->_bf;//平衡因子,后面需要用它去判断最终的变化 RotateR(parent->_right);//先右旋 RotateL(parent);//再左旋 if (bf == 0)//按照上面总结的规律去更新平衡因子 { parent->_bf = subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if (bf == -1) { parent->_bf = 0; subRL->_bf = 0; subR->_bf = 1; } else if (bf == 1) { parent->_bf = -1; subRL->_bf = 0; subR->_bf = 0; } else { assert(false);//如果不属于上面的情况,说明出了问题,直接断言掐死 } }
左右双旋
什么时候进行左右双旋呢?
单纯的右旋解决不了问题(这里的右旋是右旋T),因为还是不平衡,所以这里需要进行左右双旋
但是注意这里的左右双旋是先左旋 L,再右旋T, 最后让R做根
其实很容易发现它和右左双旋都一样,所以也分三种情况
当subLR原始平衡因子是-1时,左右双旋后parent、subL、subLR的平衡因子分别更新为1、0、0。
当subLR原始平衡因子是1时,左右双旋后parent、subL、subLR的平衡因子分别更新为0、-1、0。
当subLR原始平衡因子是0时,左右双旋后parent、subL、subLR的平衡因子分别更新为0、0、0。
所以我们也是根据平subLR的平衡因子不一样去处理的
代码理解
void RotateLR(Node* parent) { Node* subL = parent;//处理结点 Node* subLR = subL->_right; int bf = subLR->_bf;//平衡因子 //后面和右左双旋是一样的,只不过平衡因子变化有些不一样 RotateL(parent->_left); RotateR(parent); if (bf == -1) { parent->_bf = 1; subLR->_bf = 0; subL->_bf = 0; } else if (bf == 1) { subLR->_bf = 0; subL->_bf = -1; parent->_bf = 0; } else if (bf == 0) { parent->_bf = 0; subL->_bf = 0; parent->_bf = 0; } else { assert(false); } }
四 ALV插入完整代码
#pragma once #include template struct AVLTreeNode { AVLTreeNode* _left; AVLTreeNode* _right; AVLTreeNode* _parent; pair _kv; int _bf; AVLTreeNode(const pair& kv) :_left(nullptr) , _right(nullptr) , _parent(nullptr) , _kv(kv) , _bf(0) {} }; template class AVLTree { typedef AVLTreeNode Node; public: bool insert(const pair& kv) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(kv); return true; } Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { if (cur->_kv.first _right; } else if (cur->_kv.first > kv.first) { parent = cur; cur = cur->_left; } else { return false; } } cur = new Node(kv); if (parent->_kv.first _right = cur; cur->_parent = parent; } 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 = parent; parent = parent->_parent; } else if (parent->_bf == 2 || parent_bf == -2) { //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) { RotateRL(parent); } else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1) { RotateLR(parent); } break; } else { assert(false); } } return true; } void RotateL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; parent->_right = subRL; subR->left = parent; Node* parentparent = parent->_parent; parent->_parent = subR; if (subRL) subRL->_parent = parent; if (_root == parent) { subR = _root; subR->_parent = nullptr; } else { if (parentparent->_left == parent) { parentparent->_left = subR; } else { parentparent->_right = subR; } subR->_parent = parentparent; } parent->_bf == subR->_bf = 0; } void RotateR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; subL->_right = parent; parent->_left = subLR; Node* parentparent = parent->_parent; parent->_parent = subL; if (subLR) subLR->_parent = parent; if (parent == _root) { subL = _root; subL->_parent = nullptr; } else { if (parentparent->_left == parent) { parentparent->_left = subL; } else { parentparent->_right = subL; } subL->_parent = parentparent; } parent->_bf = subL->_bf = 0; } void RotateRL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; int bf = subRL->_bf; RotateR(parent->_right); RotateL(parent); if (bf == 0) { parent->_bf = subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if (_bf == -1) { parent->_bf = 0; subRL->_bf = 0; subR->_bf = 1; } else if (_bf == 1) { parent->_bf = -1; subRL->_bf = 0; subR->_bf = 0; } else { assert(false); } } void RotateLR(Node* parent) { Node* subL = parent; Node* subLR = subL->_right; int bf = subLR->_bf; RotateL(parent->_left); RotateR(parent); if (bf == -1) { parent->_bf = 1; subLR->_bf = 0; subL->_bf = 0; } else if (bf == 1) { subLR->_bf = 0; subL->_bf = -1; parent->_bf = 0; } else if (bf == 0) { parent->_bf = 0; subL->_bf = 0; parent->_bf = 0; } else { assert(false); } } private: Node* _root=nullptr; };
五 总结
插入位置 状态 操作 在parent的左结点(subL)的 左子树(subL) 上做了插入元素 左左型 右旋 在parent的左结点(subL)的 右子树(subLR) 上做了插入元素 左右型 左右旋 在parent的右结点(subR)的 右子树(subR) 上做了插入元素 右右型 左旋 在parent的右结点(subR)的 左子树(subRL) 上做了插入元素 右左型 右左旋 我们在AVL树插入元素的时候,肯定是先找的插入位置,然后插入,然后更新平衡因子,如果是子树变化导致父亲结点的平衡因子变为了 1 或者-1,那么就往上面继续更新,如果出现了2,-2则需要进行旋转,至于怎么旋转,则要看平衡因子之间的关系进行旋转(因为平衡因子体现了上面表格的具体情况),旋转完成也就是插入成功,同时也不需要再继续往上面更新了