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在二叉搜索树中我们发现这种情况下查询效率依旧很低下:
如果插入的顺序有序,那么就会变成成单支树,二叉搜索树的性能就失去了,而AVL树和红黑树就是为了解决这个问题而发明的。本章主要讲解的是AVL树,下一篇文章将会讲解红黑树。
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:
template<class K,class V> struct AVLTreeNode { AVLTreeNode<K, V>* _left; AVLTreeNode<K, V>* _right; AVLTreeNode<K, V>* _parent; pair<K, V> _kv; int _bf; AVLTreeNode(const pair<K,V>& kv) :_left(nullptr) ,_right(nullptr) ,_parent(nullptr) ,_kv(kv) ,_bf(0) {} };
AVL树我们采用的是三叉链,相比较二叉链多存储了父亲节点,它会更好的帮助我们进行调整节点的操作。
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:
- 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,parent的平衡因子一定需要调整,在插入之前,parent 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parent的左侧,只需给parent的平衡因子-1即可
- 如果cur插入到parent的右侧,只需给parent的平衡因子+1即可
此时:parent的平衡因子可能有三种情况:0,正负1, 正负2
- 如果parent的平衡因子为0,说明插入之前parent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
- 如果parent的平衡因子为正负1,说明插入前parent的平衡因子一定为0,插入后被更新成正负1,此时以parent为根的树的高度增加,需要继续向上更新
- 如果parent的平衡因子为正负2,则parent的平衡因子违反平衡树的性质,需要对其进行旋转处理
bool insert(const pair<K,V>& kv) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(kv); return true; } Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { if (kv.first > cur->_kv.first) { parent = cur; cur = cur->_right; } else if(kv.first < cur->_kv.first) { parent = cur; cur = cur->_left; } else { return false; } } cur = new Node(kv); if (cur->_kv.first < parent->_kv.first) { parent->_left = cur; cur->_parent = parent; } else { parent->_right = cur; cur->_parent = parent; } //更新平衡因子 while (parent) { if (cur == parent->_left) { parent->_bf--; } else { parent->_bf++; } // 更新后检测双亲的平衡因子 if (parent->_bf == 0) { break; } else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1) { // 插入前双亲的平衡因子是0,插入后双亲的平衡因为为1 或者 -1 ,说明以双亲为根的二叉树的高度增加了一层,因此需要继续向上调整 cur = parent; parent = parent->_parent; } else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2) { // 双亲的平衡因子为正负2,违反了AVL树的平衡性,需要对以pParent为根的树进行旋转处理 //………… } } return true; }
调整一共分为四种情况,分别为右单旋、左单旋、右左单旋,左右单旋,我们分别来看。
上图在插入前,AVL树是平衡的,新节点插入到10的左子树(注意:此处不是左孩子)中,10左子树增加了一层,导致以20为根的二叉树不平衡,要让20平衡,只能将20左子树的高度减少一层,右子树增加一层,即将左子树往上提,这样20转下来,因为20比10大,只能将其放在10的右子树,而如果10有右子树,右子树根的值一定大于10,小于20,只能将其放在20的左子树,旋转完成后,更新节点的平衡因子即可。在旋转过程中,有以下几种情况需要考虑:
a、b、c分别代表着各种情况,高度为0(也就是为空),高度为1,(为一个节点),高度为2(见图,可以为图中的任意一种),高度为3……等等。
此处是画出了一个抽象图来讲解,可以映射为各种各样的情况。注意:我们是每插入一个节点就会进行平衡,因此a、b、c一定也为AVL树。
旋转方式:我们将平衡因子为正负2的节点命名为parent,它的左子树命名为subL,subL的右子树命名为subLR,旋转时只需要调整这个几个节点就可以了。
旋转就是以平衡因子为正负2的节点为基础进行的。将subLR链接到parent的左,再将parent链接到subL的右。
void RotateR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; Node* ppNode = parent->_parent; parent->_left = subLR; if (subLR) subLR->_parent = parent; subL->_right = 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; } parent->_bf = subL->_bf = 0; }
但是subLR有可能为空,也就是当a、b、c高度为0时,subLR就会出现为空的情况,因此在使用时需要判断一下。
但是要注意:我们使用的是三叉链,在进行链接时是需要进行相互链接的,尤其是需要注意parent,如果它不是根节点的话,说明parent的上面还有节点,因此在链接时不能把此处的链接给忘记了。总结一共存在三处链接:第一处是subLR链接到parent的左,第二处链接是将parent链接到subL的右,第三处链接是将subL链接到parent的父亲节点。
旋转完成后还需要调整平衡因子,根据我们画出的图可以看出,在这种调整情况下,最后的平衡因子都变成了0。
左单旋与右单旋相差无几,仅仅只是调换了一下方向:
具体情况与右单旋一模一样,在此处我就不进行详细讲解了。
void RotateL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; Node* ppNode = parent->_parent; parent->_right = subRL; if (subRL) subRL->_parent = parent; subR->_left = parent; parent->_parent = subR; if (parent == _root) { _root = subR; subR->_parent = nullptr; } else { if (ppNode->_left == parent) { ppNode->_left = subR; } else { ppNode->_right = subR; } subR->_parent = ppNode; } parent->_bf = subR->_bf = 0; }
在这种情况下,我们发现对节点20无论是左单旋还是右单旋都无法减少平衡因子,因此就出现了双旋的情况,我们先对节点10进行左单旋。
将其变成了只有左边高,这样就转化成了右单旋的问题。
再对节点20进行右单旋,如此下来我们就发现它们的平衡因子减小了。
左右双旋我们可以直接复用前面的代码就可以了,但是需要注意平衡因子的调节,新插入节点的位置可能是subLR,也可能是subLR的左,也可能是subLR的右,插入位置不同,平衡因子的调节就不同,大家可以自行画图来观察。
void RotateLR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; int bf = subLR->_bf; RotateL(subL); RotateR(parent); if (bf == 0) { parent->_bf = subL->_bf = subLR->_bf = 0; } else if (bf == 1) { subL->_bf = -1; parent->_bf = subLR->_bf = 0; } else if(bf = -1) { parent->_bf = 1; subLR->_bf = subL->_bf = 0; } else { assert(false); } }
具体的过程与左右双旋情况一致,我这里找了一份图,大家对左右双旋理解透彻了相信对于右左双旋也不在话下,我就偷个懒不做详细解释了。
这里的平衡因子的调节同样与插入位置有关,可以多画几种情况来观察。
void RotateRL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; int bf = subRL->_bf; RotateR(subR); RotateL(parent); if (bf == 0) { parent->_bf = subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if(bf == 1) { parent->_bf = -1; subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if (bf == -1) { subR->_bf = 1; subRL->_bf = parent->_bf = 0; } else { assert(false); } }
总结:
假如以parent为根的子树不平衡,即parent的平衡因子为2或者-2,分以下情况考虑
当subR的平衡因子为1时,执行左单旋
当subR的平衡因子为-1时,执行右左双旋
当subL的平衡因子为-1是,执行右单旋
当subL的平衡因子为1时,执行左右双旋
旋转完成后,原parent为根的子树个高度降低,已经平衡,不需要再向上更新。
AVL树是在二叉搜索树的基础上加入了平衡性的限制,因此要验证AVL树,可以分两步:
如果中序遍历可得到一个有序的序列,就说明为二叉搜索树
每个节点子树高度差的绝对值不超过1(注意节点中如果没有平衡因子)
节点的平衡因子是否计算正确
使用中序进行遍历即可。
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
cout << endl;
}
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << " ";
_InOrder(root->_right);
}
因此还需要写一个计算高度的函数来辅助检查,相信有了前面二叉树的学习,这部分对大家构不成威胁。
int _Hight(Node* _root) { if (_root == nullptr) return 0; int LeftHight = _Hight(_root->_left); int RightHight = _Hight(_root->_right); return LeftHight > RightHight ? LeftHight + 1 : RightHight + 1; } bool _IsBalance(Node* _root) { if (_root == nullptr) return true; int LeftHight = _Hight(_root->_left); int RightHight = _Hight(_root->_right); if (RightHight - LeftHight != _root->_bf) { cout << _root->_kv.first << "平衡因子异常:" << _root->_bf<< endl; return false; } return abs(LeftHight - RightHight) < 2 && _IsBalance(_root->_left) && _IsBalance(_root->_right); } bool IsBalance() { return _IsBalance(_root); }
因为AVL树也是二叉搜索树,可按照二叉搜索树的方式将节点删除,然后再更新平衡因子,只不错与删除不同的时,删除节点后的平衡因子更新,最差情况下一直要调整到根节点的位置。
删除的情况更多也更为复杂,具体实现大家们可参考《算法导论》或《数据结构-用面向对象方法与C++描述》殷人昆版。
AVL树是一棵绝对平衡的二叉搜索树,其要求每个节点的左右子树高度差的绝对值都不超过1,这样可以保证查询时高效的时间复杂度,即 l o g 2 ( N ) log_2 (N) log2(N)。但是如果要对AVL树做一些结构修改的操作,性能非常低下,比如:插入时要维护其绝对平衡,旋转的次数比较多,更差的是在删除时,有可能一直要让旋转持续到根的位置。因此:如果需要一种查询高效且有序的数据结构,而且数据的个数为静态的(即不会改变),可以考虑AVL树,但一个结构经常修改,就不太适合。
#pragma once #include<iostream> #include<vector> #include<assert.h> using namespace std; template<class K,class V> struct AVLTreeNode { AVLTreeNode<K, V>* _left; AVLTreeNode<K, V>* _right; AVLTreeNode<K, V>* _parent; pair<K, V> _kv; int _bf; AVLTreeNode(const pair<K,V>& kv) :_left(nullptr) ,_right(nullptr) ,_parent(nullptr) ,_kv(kv) ,_bf(0) {} }; template<class K,class V> class AVLTree { typedef AVLTreeNode<K, V> Node; public: bool insert(const pair<K,V>& kv) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(kv); return true; } Node* parent = nullptr; Node* cur = _root; while (cur) { if (kv.first > cur->_kv.first) { parent = cur; cur = cur->_right; } else if(kv.first < cur->_kv.first) { parent = cur; cur = cur->_left; } else { return false; } } cur = new Node(kv); if (cur->_kv.first < parent->_kv.first) { parent->_left = cur; cur->_parent = parent; } else { parent->_right = cur; cur->_parent = parent; } //平衡因子 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) { RotateR(parent); } else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1) { RotateL(parent); } else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1) { RotateLR(parent); } else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1) { RotateRL(parent); } // 1、旋转让这颗子树平衡了 // 2、旋转降低了这颗子树的高度,恢复到跟插入前一样的高度,所以对上一层没有影响,不用继续更新 break; } else { assert(false); } } return true; } void RotateL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; Node* ppNode = parent->_parent; parent->_right = subRL; if (subRL) subRL->_parent = parent; subR->_left = parent; parent->_parent = subR; if (parent == _root) { _root = subR; subR->_parent = nullptr; } else { if (ppNode->_left == parent) { ppNode->_left = subR; } else { ppNode->_right = subR; } subR->_parent = ppNode; } parent->_bf = subR->_bf = 0; } void RotateR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; Node* ppNode = parent->_parent; parent->_left = subLR; if (subLR) subLR->_parent = parent; subL->_right = 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; } parent->_bf = subL->_bf = 0; } void RotateRL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; int bf = subRL->_bf; RotateR(subR); RotateL(parent); if (bf == 0) { parent->_bf = subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if(bf == 1) { parent->_bf = -1; subR->_bf = subRL->_bf = 0; } else if (bf == -1) { subR->_bf = 1; subRL->_bf = parent->_bf = 0; } else { assert(false); } } void RotateLR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; int bf = subLR->_bf; RotateL(subL); RotateR(parent); if (bf == 0) { parent->_bf = subL->_bf = subLR->_bf = 0; } else if (bf == 1) { subL->_bf = -1; parent->_bf = subLR->_bf = 0; } else if(bf = -1) { parent->_bf = 1; subLR->_bf = subL->_bf = 0; } else { assert(false); } } int _Hight(Node* _root) { if (_root == nullptr) return 0; int LeftHight = _Hight(_root->_left); int RightHight = _Hight(_root->_right); return LeftHight > RightHight ? LeftHight + 1 : RightHight + 1; } bool _IsBalance(Node* _root) { if (_root == nullptr) return true; int LeftHight = _Hight(_root->_left); int RightHight = _Hight(_root->_right); if (RightHight - LeftHight != _root->_bf) { cout << _root->_kv.first << "平衡因子异常:" << _root->_bf<< endl; return false; } return abs(LeftHight - RightHight) < 2 && _IsBalance(_root->_left) && _IsBalance(_root->_right); } bool IsBalance() { return _IsBalance(_root); } void InOrder() { _InOrder(_root); cout << endl; } private: void _InOrder(Node* root) { if (root == nullptr) return; _InOrder(root->_left); cout << root->_kv.first << " "; _InOrder(root->_right); } Node* _root = nullptr; };
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include"AVL.h" void Test1() { int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 }; AVLTree<int, int> t; for (auto e : a) { t.insert(make_pair(e, e)); } t.InOrder(); cout << t.IsBalance() << endl; } void Test2() { const int N = 100; vector<int> v; v.reserve(N); srand(time(0)); for (int i = 0; i < N; i++) { v.push_back(rand()); } AVLTree<int, int> t; for (auto e : v) { t.insert(make_pair(e, e)); cout << "insert:" << e << "->" << t.IsBalance() << endl; } cout << t.IsBalance() << endl; } int main() { //Test1(); Test2(); return 0; }
AVL树最主要的是如何进行旋转,此部分比较难以理解,大家可以通过多画图来反复进行学习。希望大家都能有所收获。
如果大家发现有什么错误的地方,可以私信或者评论区指出喔。我会继续深入学习C++,希望能与大家共同进步,那么本期就到此结束,让我们下期再见!!觉得不错可以点个赞以示鼓励!!
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