• 012 C++ AVL_tree


    前言

    本文将会向你介绍AVL平衡二叉搜索树的实现

    引入AVL树

    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普通的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(AVL树是以这两位的名字命名的):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,超过了1需要对树中的结点进行调整(旋转),即可降低树的高度,从而减少平均搜索长度。

    平衡因子

    AVL树的平衡因子是指一个节点的左子树的高度减去右子树的高度的值。在AVL树中,每个节点的平衡因子必须为-1、0或1,如果不满足这个条件,就需要通过旋转操作来重新平衡树。AVL树的平衡因子可以帮助我们判断树的平衡状态,并且在插入进行相应的调整,以保持树的平衡性。

    节点的创建

    除了需要增加一个_bf平衡因子,这里还多加了一个pParent的结构体指针便于我们向上遍历对平衡因子进行调整

    struct AVLTreeNode
    {
    	AVLTreeNode(const T& data = T())
    		: _pLeft(nullptr)
    		, _pRight(nullptr)
    		, _pParent(nullptr)
    		, _data(data)
    		, _bf(0)
    	{}
    
    	AVLTreeNode<T>* _pLeft;
    	AVLTreeNode<T>* _pRight;
    	AVLTreeNode<T>* _pParent;
    	T _data;
    	int _bf;   // 节点的平衡因子
    };
    
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    插入节点

    先按照二叉搜索树的规则将节点插入到AVL树中
    新节点插入后,AVL树的平衡性可能会遭到破坏,此时就需要更新平衡因子,并检测是否破坏了AVL树的平衡性
    cur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:

    如果cur插入到pParent的左侧,只需给pParent的平衡因子-1即可
    如果cur插入到pParent的右侧,只需给pParent的平衡因子+1即可

    此时:pParent的平衡因子可能有三种情况:0,正负1, 正负2

    1. 如果pParent的平衡因子为0,说明插入之前pParent的平衡因子为正负1,插入后被调整成0,此时满足AVL树的性质,插入成功
    2. 如果pParent的平衡因子为正负1,说明插入前pParent的平衡因子一定为0,插入后被更新成正负1,此时以pParent为根的树的高度增加,需要继续向上更新
    3. 如果pParent的平衡因子为正负2,则pParent的平衡因子违反平衡树的性质,需要对其进行旋转处理

    	// 在AVL树中插入值为data的节点
    	bool Insert(const T& data)
    	{
    		Node* cur = _pRoot;
    		Node* parent = nullptr;
    		if (_pRoot == nullptr)
    		{
    			//直接插入
    			_pRoot = new Node(data);
    			//插入成功
    			return true;
    		}
    		//寻找插入位置
    		else
    		{
    			Node* parent = cur;
    			while (cur)
    			{
    				parent = cur;
    				if (cur->_data > data)
    				{
    					cur = cur->_pLeft;
    				}
    				else if (cur->_data < data)
    				{
    					cur = cur->_pRight;
    				}
    				//已有
    				else return false;
    			}
    			cur = new Node(data);
    			//插入+链接
    			if (parent->_data > data)
    			{
    				parent->_pLeft = cur;
    			}
    			else
    			{
    				parent->_pRight = cur;
    			}
    			//链接
    			cur->_pParent = parent;
    		}
    		//更新平衡因子
    		while (parent)
    		{
    			if (cur == parent->_pRight)
    			{
    				parent->_bf++;
    			}
    			else if (cur == parent->_pLeft)
    			{
    				parent->_bf--;
    			}
    
    			if (parent->_bf == 0)
    			{
    				//插入后子树稳定,不用向上更新平衡因子
    				return true;
    			}
    			else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
    			{
    				return true;
    			}
    			else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
    			{
    				if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
    				{
    					//左旋 (右高左低,往左边压)
    					RotateL(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
    				{
    					//右旋(左高右低,往右边压)
    					RotateR(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
    				{
    					//右左双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)
    					RotateL(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
    				{
    					//左右双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)
    					RotateR(parent);
    				}
    				parent = parent->_pParent;
    				cur = cur->_pParent; 
    			}
    			else
    			{
    				return false;
    			}
    			return true;
    		}
    	}
    
    
    
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    右单旋

    左高右低,往右边旋(根据平衡因子判断(右子树的高度减去左子树的高度))
    细节分析+代码
    在这里插入图片描述

    整体思路
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    	void RotateR(Node* pParent)
    	{
    		Node* pPnode = pParent->_pParent;
    		Node* subL = pParent->_pLeft;
    		Node* subLR = subL->_pRight;
    		if (subLR)
    		{
    			pParent->_pLeft = subL->_pRight;
    			subL->pParent = pParent;
    		}
    		subL->_pRight = pParent;
    		pParent->_pParent = subL;
    		//旋转部分子树
    		if (pPnode)
    		{
    			//是左子树
    			if (pPnode->_pLeft == pParent)
    			{
    				pPnode->_pLeft = subL;
    				subL->pParent = pPnode;
    			}
    			//是右子树
    			else
    			{
    				pPnode->_pLeft = subL;
    				subL->pParent = pPnode;
    			}
    		}
    		//旋转整棵子树
    		else
    		{
    			_pRoot = subL;
    			subL->pParent = nullptr;
    		}
    		//调节平衡因子
    		pParent->_bf = subL->_bf = 0;
    	}
    
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    左单旋

    这里作统一说明:h表示子树的高度,绿色标记的数字为节点的平衡因子,长方形表示的是一棵抽象的子树
    右高左低,往左边旋(根据平衡因子判断(右子树的高度减去左子树的高度))
    左单旋和右单旋的思路很像,这里就不再进行细节分析。

    整体思路
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    void RotateL(Node* pParent)
    	{
    		Node* pPnode = pParent->_pParent;
    		Node* subR = pParent->_pRight;
    		Node* subRL = subR->_pLeft;//可能为空
    		if (subRL)
    		{
    			pParent->_pRight = subRL;
    			subRL->_pParent = pParent;
    		}
    		subR->_pLeft = pParent;
    		pParent->_pParent = subR;
    
    		//链接:旋转整棵树
    		if (pPnode == nullptr)
    		{
    			_pRoot = subR;
    			subR->_pParent = nullptr;
    		}
    		//链接:旋转子树
    		else
    		{
    			if (pPnode->_pLeft == pParent)
    			{
    				pPnode->_pLeft = subR;
    				subR->_pParent = pPnode;
    			}
    			else if (pPnode->_pRight == pParent)
    			{
    				pPnode->_pRight = subR;
    				subR->_pParent = pPnode;
    			}
    		}
    		//更新平衡因子
    		pParent->_bf = subR->_bf = 0;
    	}
    
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    左右双旋

    右左双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)

    (1)第一种情况,也是最特殊的情况,即parent的右子树只有两个节点

    在这里插入图片描述

    (2)第二种情况,parent的左右子树是高度为h的抽象子树,新增节点插入到b子树上

    在这里插入图片描述

    (2)第三种情况,parent的左右子树是高度为h的抽象子树,新增节点插入到c子树上 实际上第二三种情况的分析是一致的

    在这里插入图片描述

    void RotateLR(Node* pParent)
    	{
    		Node* subL = pParent->_pLeft;
    		Node* subLR = subL->_pRight;
    		int bf = subLR->_bf;
    		//复用
    		RotateL(subL);
    		RotateR(pParent);
    		//更新平衡因子
    		//插入右边
    		if (bf == 1)
    		{
    			subLR->_bf = 0;
    			subL->_bf = -1;
    			pParent->_bf = 0;
    		}
    		//插入左边
    		else if (bf == -1)
    		{
    			subLR->_bf = 0;
    			subL->_bf = 0;
    			pParent->_bf = 1;
    		}
    		else if (bf == 0)
    		{
    			subLR->_bf = 0, subL->_bf = 0, pParent->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    
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    右左双旋

    左右双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)

    (1)第一种情况,也是最特殊的情况,即parent的左子树只有两个节点

    在这里插入图片描述

    (2)第二种情况,parent的左右子树是高度为h的抽象子树,新增节点插入到c子树上

    在这里插入图片描述

    (3
    )第三种情况,parent的左右子树是高度为h的抽象子树,新增节点插入到b子树上 实际上第二三种情况的分析是一致的

    在这里插入图片描述

    void RotateRL(Node* pParent)
    	{
    		Node* subR = pParent->_pRight;
    		Node* subRL = subR->_pLeft;
    		int bf = subRL->_bf;
    		RotateR(subR);
    		RotateL(pParent);
    		//更新平衡因子
    		//插入在右边
    		if (bf == 1)
    		{
    			subRL->_bf = 0;
    			subR->_bf = 0;
    			pParent->_bf = -1;
    		}
    		//插入在左边
    		else if (bf == -1)
    		{
    			subRL = 0;
    			pParent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 1;
    		}
    		else if (bf == 0)
    		{
    			subRL =pParent->_bf = subR->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    
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    测试

    	size_t _Height(Node* pRoot)
    	{
    		if (pRoot == nullptr)
    		{
    			return 0;
    		}
    		int leftHeight = _Height(pRoot->_pLeft);
    		int rightHeight = _Height(pRoot->_pRight);
    		return (leftHeight > rightHeight) ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
    	}
    	bool _IsBalance(Node* pRoot)
    	{
    		if (pRoot == nullptr)
    		{
    			return true;
    		}
    		int leftHeight = _Height(pRoot->_pLeft);
    		int rightHeight = _Height(pRoot->_pRight);
    		//平衡因子异常的情况
    		if (rightHeight - leftHeight != pRoot->_bf)
    		{
    			cout << pRoot->_data << "平衡因子异常" << endl;
    			return false;
    		}
    		//检查是否平衡
    		return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
    			//检查、遍历左右子树
    			&& _IsBalance(pRoot->_pLeft)
    			&& _IsBalance(pRoot->_pRight);
    	}
    	bool IsBalance()
    	{
    		return _IsBalance(_pRoot);
    	}
    	int main()
    {
    	const int N = 30000;
    	vector<int> v;
    	v.reserve(N);
    	srand(time(0));
    
    	for (size_t i = 0; i < N; i++)
    	{
    		v.push_back(rand());
    		cout << v.back() << endl;
    	}
    	AVLTree<int> t;
    	for (auto e : v)
    	{
    		if (e == 41)
    		{
    			t.Insert(e);
    		}
    		cout << "Insert:" << e << "->" << t.IsBalance() << endl;
    	}
    
    	cout << t.IsBalance() << endl;
    
    	return 0;
    }
    
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    全部代码

    template<class T>
    struct AVLTreeNode
    {
    	AVLTreeNode(const T& data = T())
    		: _pLeft(nullptr)
    		, _pRight(nullptr)
    		, _pParent(nullptr)
    		, _data(data)
    		, _bf(0)
    	{}
    
    	AVLTreeNode<T>* _pLeft;
    	AVLTreeNode<T>* _pRight;
    	AVLTreeNode<T>* _pParent;
    	T _data;
    	int _bf;   // 节点的平衡因子
    };
    
    
    // AVL: 二叉搜索树 + 平衡因子的限制
    template<class T>
    class AVLTree
    {
    	typedef AVLTreeNode<T> Node;
    public:
    	AVLTree()
    		: _pRoot(nullptr)
    	{}
    
    	// 在AVL树中插入值为data的节点
    	bool Insert(const T& data)
    	{
    		Node* cur = _pRoot;
    		Node* parent = nullptr;
    		//判断是否为空树
    		if (_pRoot == nullptr)
    		{
    			//直接插入
    			_pRoot = new Node(data);
    			//插入成功
    			return true;
    		}
    
    		//寻找插入位置
    		else
    		{
    			Node* parent = cur;
    			while (cur)
    			{
    				//记录父节点的位置,便于后续的链接操作
    				parent = cur;
    				//向左遍历
    				if (cur->_data > data)
    				{
    					cur = cur->_pLeft;
    				}
    				//向右遍历
    				else if (cur->_data < data)
    				{
    					cur = cur->_pRight;
    				}
    				//已有
    				else return false;
    			}
    			cur = new Node(data);
    			//插入+链接
    			if (parent->_data > data)
    			{
    				parent->_pLeft = cur;
    			}
    			else
    			{
    				parent->_pRight = cur;
    			}
    			//链接
    			cur->_pParent = parent;
    		}
    		//更新平衡因子
    		while (parent)
    		{
    			if (cur == parent->_pRight)
    			{
    				parent->_bf++;
    			}
    			else if (cur == parent->_pLeft)
    			{
    				parent->_bf--;
    			}
    
    			if (parent->_bf == 0)
    			{
    				//插入后子树稳定,不用向上更新平衡因子
    				return true;
    			}
    			else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
    			{
    				return true;
    			}
    			else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
    			{
    				if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
    				{
    					//左旋 (右高左低,往左边压)
    					RotateL(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1)
    				{
    					//右旋(左高右低,往右边压)
    					RotateR(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
    				{
    					//右左双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)
    					RotateL(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
    				{
    					//左右双旋(不是单独的左右有一方低,有一方高)
    					RotateR(parent);
    				}
    				parent = parent->_pParent;
    				cur = cur->_pParent; 
    				return true;
    			}
    			else
    			{
    				return false;
    			}	
    		}
    		return true;
    	}
    
    	
    	// AVL树的验证
    	bool IsAVLTree()
    	{
    		return _IsAVLTree(_pRoot);
    	}
    	void _InOrder(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr)
    		{
    			return;
    		}
    		_InOrder(root->_pLeft);
    		cout << root->_data << " ";
    		_InOrder(root->_pRight);
    	}
    	void InOrder()
    	{
    		_InOrder(_pRoot);
    		cout << endl;
    	}
    	// 根据AVL树的概念验证pRoot是否为有效的AVL树
    	size_t _Height(Node* pRoot)
    	{
    		if (pRoot == nullptr)
    		{
    			return 0;
    		}
    		int leftHeight = _Height(pRoot->_pLeft);
    		int rightHeight = _Height(pRoot->_pRight);
    		return (leftHeight > rightHeight) ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
    	}
    	bool _IsBalance(Node* pRoot)
    	{
    		if (pRoot == nullptr)
    		{
    			return true;
    		}
    		int leftHeight = _Height(pRoot->_pLeft);
    		int rightHeight = _Height(pRoot->_pRight);
    		//平衡因子异常的情况
    		if (rightHeight - leftHeight != pRoot->_bf)
    		{
    			cout << pRoot->_data << "平衡因子异常" << endl;
    			return false;
    		}
    		//检查是否平衡
    		return abs(rightHeight - leftHeight) < 2
    			//检查、遍历左右子树
    			&& _IsBalance(pRoot->_pLeft)
    			&& _IsBalance(pRoot->_pRight);
    	}
    	bool IsBalance()
    	{
    		return _IsBalance(_pRoot);
    	}
    	// 右单旋
    	void RotateR(Node* pParent)
    	{
    		Node* pPnode = pParent->_pParent;
    		Node* subL = pParent->_pLeft;
    		Node* subLR = subL->_pRight;
    		if (subLR)
    		{
    			pParent->_pLeft = subL->_pRight;
    			subL->_pParent = pParent;
    		}
    		subL->_pRight = pParent;
    		pParent->_pParent = subL;
    		//旋转部分子树
    		if (pPnode)
    		{
    			if (pPnode->_pLeft == pParent)
    			{
    				pPnode->_pLeft = subL;
    				subL->_pParent = pPnode;
    			}
    			else
    			{
    				pPnode->_pLeft = subL;
    				subL->_pParent = pPnode;
    			}
    		}
    		//旋转整棵子树
    		else
    		{
    			_pRoot = subL;
    			subL->_pParent = nullptr;
    		}
    		//调节平衡因子
    		pParent->_bf = subL->_bf = 0;
    	}
    	// 左单旋
    	void RotateL(Node* pParent)
    	{
    		Node* pPnode = pParent->_pParent;
    		Node* subR = pParent->_pRight;
    		Node* subRL = subR->_pLeft;
    		if (subRL)
    		{
    			pParent->_pRight = subRL;
    			subRL->_pParent = pParent;
    		}
    		subR->_pLeft = pParent;
    		pParent->_pParent = subR;
    
    		//链接:旋转整棵树
    		if (pPnode == nullptr)
    		{
    			_pRoot = subR;
    			subR->_pParent = nullptr;
    		}
    		//链接:旋转子树
    		else
    		{
    			if (pPnode->_pLeft == pParent)
    			{
    				pPnode->_pLeft = subR;
    				subR->_pParent = pPnode;
    			}
    			else if (pPnode->_pRight == pParent)
    			{
    				pPnode->_pRight = subR;
    				subR->_pParent = pPnode;
    			}
    		}
    		//更新平衡因子
    		pParent->_bf = subR->_bf = 0;
    	}
    	// 右左双旋
    	void RotateRL(Node* pParent)
    	{
    		Node* subR = pParent->_pRight;
    		Node* subRL = subR->_pLeft;
    		int bf = subRL->_bf;
    		RotateR(subR);
    		RotateL(pParent);
    		//更新平衡因子
    		//插入在右边
    		if (bf == 1)
    		{
    			subRL->_bf = 0;
    			subR->_bf = 0;
    			pParent->_bf = -1;
    		}
    		//插入在左边
    		else if (bf == -1)
    		{
    			subRL = 0;
    			pParent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 1;
    		}
    		else if (bf == 0)
    		{
    			subRL =pParent->_bf = subR->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    	// 左右双旋
    	void RotateLR(Node* pParent)
    	{
    		Node* subL = pParent->_pLeft;
    		Node* subLR = subL->_pRight;
    		int bf = subLR->_bf;
    		RotateL(subL);
    		RotateR(pParent);
    		//更新平衡因子
    		//插入右边
    		if (bf == 1)
    		{
    			subLR->_bf = 0;
    			subL->_bf = -1;
    			pParent->_bf = 0;
    		}
    		//插入左边
    		else if (bf == -1)
    		{
    			subLR->_bf = 0;
    			subL->_bf = 0;
    			pParent->_bf = 1;
    		}
    		else if (bf == 0)
    		{
    			subLR->_bf = 0, subL->_bf = 0, pParent->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    private:
    	Node* _pRoot;
    };
    
    //int main()
    //{
    //	//int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15};
    //	int a[] = { 4,2,6,13,5,15,7,16,14 };
    //	AVLTree t;
    //	for (auto e : a)
    //	{
    //		t.Insert(e);
    //	}
    //	t.InOrder();
    //	return 0;
    //}
    int main()
    {
    	const int N = 30000;
    	vector<int> v;
    	v.reserve(N);
    	srand(time(0));
    
    	for (size_t i = 0; i < N; i++)
    	{
    		v.push_back(rand());
    		cout << v.back() << endl;
    	}
    	AVLTree<int> t;
    	for (auto e : v)
    	{
    		if (e == 41)
    		{
    			t.Insert(e);
    		}
    		cout << "Insert:" << e << "->" << t.IsBalance() << endl;
    	}
    
    	cout << t.IsBalance() << endl;
    
    	return 0;
    }
    
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