• [C++](19)AVL树插入,旋转,详细图解与代码


    概念

    在计算机科学中,AVL树(以发明者 Adelson-Velsky 和 Landis 命名)是一种自平衡的二叉搜索树(BST)。

    特点:

    1. 本身首先是一棵二叉搜索树。
    2. 带有平衡条件:每个结点的左右子树的高度之差的绝对值(平衡因子)最多为1。

    也就是说,AVL树,本质上是带了平衡功能的二叉搜索树。

    框架

    我们把它设计成三叉链表,即每个结点不仅可以找到它的左右孩子结点,也可以找到它的父亲结点。为了方便平衡,每个结点给一个平衡因子(balance factor)

    template<class K, class V>
    struct AVLTreeNode
    {
    	pair<K, V> _kv;
    	AVLTreeNode<K, V>* _left;
    	AVLTreeNode<K, V>* _right;
    	AVLTreeNode<K, V>* _parent;
    	// 右子树-左子树高度差
    	int _bf;	// balance factor
    
    	AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
    		: _kv(kv)
    		, _left(nullptr)
    		, _right(nullptr)
    		, _parent(nullptr)
    		, _bf(0)
    	{}
    };
    
    template<class K, class V>
    class AVLTree
    {
    	typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
    public:
    
    private:
    	Node* _root;
    };
    
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    插入

    按搜索树规则插入

    bool Insert(const pair<K, V>& kv)
    {
        if (_root == nullptr)
        {
            _root = new Node(kv);
            _root->_bf = 0;
            return true;
        }
    
        Node* parent = nullptr;
        Node* cur = _root;
        while (cur)
        {
            if (cur->_kv.first < kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_right;
            }
            else if (cur->_kv.first > kv.first)
            {
                parent = cur;
                cur = cur->_left;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }
        cur = new Node(kv);
        if (parent->_kv.first < kv.first)
            parent->_right = cur;
        else
            parent->_left = cur;
        cur->_parent = parent;
        
        //...
    }
    
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    更新平衡因子

    首先要明确一点,一个结点的平衡因子由子树的高度差决定,也就是说,子树的高度变化只会影响祖先的平衡因子,对堂兄弟等结点没有影响。

    • 当你找到要插入的位置时,该位置的父结点平衡因子可能有三种情况:-1、0、1,这说明该结点一定只有 0 或 1 个孩子(因为至少留有一个要插入的位置),且高度为 1 或 2(叶子结点高度按 1 算)。

    • 若插入到左边,则父结点平衡因子 -1,插入到右边,父结点平衡因子 +1

    • 插入后,如果父结点的平衡因子变为 0,说明整棵树的高度没有改变,其上的各个祖先结点的平衡因子也就不需要更新

    • 插入后,如果父结点的平衡因子变为 -1 或 1,说明该子树的高度发生了改变,需要继续向上调整各个祖先结点的平衡因子。

    更新平衡因子

    1. 更新后的平衡因子为-1、0、1都属于正常,不用调整,如果为-2、2,说明子树不平衡,需要调整,如果绝对值大于2,说明程序出错了,不满足AVL树的条件。
        //...
    
        // 更新平衡因子
        while (parent) // 最远更新到根
        {
            if (cur == parent->_right)
            {
                ++parent->_bf;
            }
            else
            {
                --parent->_bf;
            }
            // 是否继续更新
            if (parent->_bf == 0)// 为0,更新结束
            {
                break;
            }
            else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
            {
                cur = cur->_parent;
                parent = parent->_parent;
            }
            else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
            {
                // 子树不平衡,需要旋转处理
    
            }
            else
            {
                // 插入前就不满足AVL树的条件,程序出错
                assert(false);
            }
        }
        return true;
    }
    
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    旋转

    对于不平衡的树,我们通过旋转来调整

    调整原则:

    • 保持搜索树的规则
    • 子树变平衡

    根据结点插入位置的不同,AVL树的旋转分为四种:

    1. 新结点插入在其较高右子树的右侧——右右:左旋

    下图是一个抽象图,绿三角表示任意的高度相等的AVL树

    具体旋转步骤为,将 subRL 变为 parent 的右子树,然后 parent 成为 subR 的左子树

    并且旋转完成后,整棵树的高度又回到插入元素之前,也就不需要继续向上调整平衡因子了。

    左旋

    写代码时要注意这是三叉链表,需要考虑结点的 _parent 指针。

    private:
    	void RotateL(Node* parent)
    	{
    		Node* subR = parent->_right;
    		Node* subRL = subR->_left;
    
    		parent->_right = subRL;
    		if (subRL) subRL->_parent = parent; // subRL有可能是空树,需要if判断
    
    		Node* ppNode = parent->_parent; // 提前记录祖先,后面用来连接新的parent
    		subR->_left = parent;
    		parent->_parent = subR;
    
    		if (parent == _root) // 如果parent就是根结点,那么新的根是subR
    		{
    			_root = subR;
    			_root->_parent = nullptr;
    		}
    		else // 否则需要祖先来连接新的parent(即subR),注意判断左右
    		{
    			if (parent == ppNode->_left)
    			{
    				ppNode->_left = subR;
    			}
    			else
    			{
    				ppNode->_right = subR;
    			}
    			subR->_parent = ppNode;
    		}
            
    		// 更新平衡因子
    		parent->_bf = 0;
    		subR->_bf = 0;
    	}
    
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    1. 新结点插入在其较高左子树的左侧——左左:右旋

    思路和左旋差不多:

    右旋

    	void RotateR(Node* parent)
    	{
    		Node* subL = parent->_left;
    		Node* subLR = subL->_right;
    
    		parent->_left = subLR;
    		if (subLR) subLR->_parent = parent;
    
    		Node* ppNode = parent->_parent;
    		subL->_right = parent;
    		parent->_parent = subL;
    
    		if (parent == _root)
    		{
    			_root = subL;
    			_root->_parent = nullptr;
    		}
    		else
    		{
    			if (parent == ppNode->_left)
    			{
    				ppNode->_left = subL;
    			}
    			else
    			{
    				ppNode->_right = subL;
    			}
    			subL->_parent = ppNode;
    		}
    		parent->_bf = 0;
    		subL->_bf = 0;
    	}
    
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    1. 新结点插入在较高左子树的右侧——左右:先左旋再右旋

    如下图,深绿色三角表示任意高度相等的AVL树,浅绿色三角比深绿色三角高度低1层

    这种情况下又分三个小情况

    1. 新结点插入在 subLR 的左子树,subLR 的平衡因子变为 -1
    2. 新结点插入在 subLR 的右子树,subLR 的平衡因子变为 1
    3. subLR 就是新结点,(即深绿色三角高度为 0,浅绿色三角不存在),subLR 的平衡因子为 0

    不管是哪种情况,旋转方式都一样,先对 subL 子树左旋,然后对 parent 右旋。

    旋转后的高度和插入前相等,也不用继续向上更新祖先的平衡因子。

    旋转后需要更新平衡因子,对应旋转前 subLR 的平衡因子,旋转后的平衡因子分别为:

    • 旋转前 sunLR:-1;旋转后 parent:1,subL:0,subLR:0
    • 旋转前 subLR:1;旋转后 parent:0,subL:-1,subLR:0
    • 旋转前 subLR:0;旋转后 parent:0,subL:0,subLR:0

    左右旋

    代码其实很简单,因为可以复用已经写好的左旋和右旋。

    	void RotateLR(Node* parent)
    	{
    		Node* subL = parent->_left; // 提前记录subL和subLR以及subLR的bf,方便后面更新平衡因子
    		Node* subLR = subL->_right;
    		int bf = subLR->_bf;
    		// 复用左旋和右旋
    		RotateL(parent->_left); 
    		RotateR(parent);
    		// 更新平衡因子
    		if (bf == 0)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subL->_bf = 0;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == 1)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subL->_bf = -1;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == -1)
    		{
    			parent->_bf = 1;
    			subL->_bf = 0;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    
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    1. 新结点插入在较高右子树的左侧——右左:先右旋再左旋

    旋转后需要更新平衡因子,对应旋转前 subRL 的平衡因子,旋转后的平衡因子分别为:

    • 旋转前 sunRL:-1;旋转后 parent:0,subR:1,sunRL:0
    • 旋转前 sunRL:1;旋转后 parent:-1,subR:0,sunRL:0
    • 旋转前 sunRL:0;旋转后 parent:0,subR:0,sunRL:0

    右左旋

    	void RotateRL(Node* parent)
    	{
    		Node* subR = parent->_right; // 提前记录subR和subRL以及subRL的bf,方便后面更新平衡因子
    		Node* subRL = subR->_left;
    		int bf = subRL->_bf;
    		// 复用右旋和左旋
    		RotateR(parent->_right);
    		RotateL(parent);
    		// 更新平衡因子
    		if (bf == 0)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 0;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == 1)
    		{
    			parent->_bf = -1;
    			subR->_bf = 0;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == -1)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 1;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    
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    到此为止,四种旋转调整的实现已经完成了,最后判断一下什么情况下用什么旋转:

    • parent的平衡因子为 2,cur的平衡因子为 1,右右,需要左旋
    • parent的平衡因子为 -2,cur的平衡因子为 -1,左左,需要右旋
    • parent的平衡因子为 -2,cur的平衡因子为 1,左右,需要左右双旋
    • parent的平衡因子为 2,cur的平衡因子为 -1,右左,需要右左双旋

    旋完直接 break 不用继续往上更新平衡因子。

    //...
    
    else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
    {
        // 子树不平衡,需要旋转处理
        if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1) // 右右——左旋
        {
            RotateL(parent);
        }
        else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1) // 左左——右旋
        {
            RotateR(parent);
        }
        else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1) // 左右——左右旋
        {
            RotateLR(parent);
        }
        else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1) // 右左——右左旋
        {
            RotateRL(parent);
        }
        break;
    }
    
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    这里我们可以验证写出来的是不是AVL树,

    1. 通过层序遍历直观感受AVL树的长相。

    2. 通过逻辑检查是否符合AVL树的规则。

    public:
    	void LevelOrder()
    	{
    		queue<Node*> que;
    		if (_root != NULL) que.push(_root);
    		while (!que.empty())
    		{
    			int size = que.size();
    			for (int i = 0; i < size; i++)
    			{
    				Node* node = que.front();
    				que.pop();
    				cout << node->_kv.first << ' ';
    				if (node->_left) que.push(node->_left);
    				if (node->_right) que.push(node->_right);
    			}
    			cout << endl;
    		}
    	}
    
    	bool IsAVLTree()
    	{
    		return _IsAVLTree(_root);
    	}
    
    private:
    	bool _IsAVLTree(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr) return true; // 空树也是AVL树
    		// 递归获得左右子树的高度
    		int leftHeight = _Height(root->_left);
    		int rightHeight = _Height(root->_right);
    		int diff = rightHeight - leftHeight;
    		if (abs(diff) > 1)	// 直接判断高度差是否符合要求
    		{
    			cout << root->_kv.first << "结点左右子树不平衡";
    			return false;
    		}
    		if (diff != root->_bf) // 判断平衡因子是否符合实际
    		{
    			cout << root->_kv.first << "结点平衡因子不符合实际";
    			return false;
    		}
    
    		return _IsAVLTree(root->_left) && _IsAVLTree(root->_right); // 递归检查各个结点
    	}
    
    	int _Height(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr) return 0;
    		int leftDepth = _Height(root->_left);
    		int rightDepth = _Height(root->_right);
    		return  leftDepth > rightDepth ? leftDepth + 1 : rightDepth + 1;
    	}
    
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    插入随机值,然后检查:

    void test2()
    {
    	const size_t N = 100;
    	vector<int> v;
    	v.reserve(N);
    	for (size_t i = 0; i < N; ++i)
    	{
    		v.push_back(rand());
    	}
    
    	AVLTree<int, int> t;
    	for (auto e : v)
    	{
    		t.Insert(make_pair(e, 0));
    	}
    	t.LevelOrder();
    	cout << endl;
    	cout << t.IsAVLTree();
    }
    
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    结果

    顺序插入检查:

    img

    结果完美符合预期!

    完整代码

    #pragma once
    #include 
    #include 
    #include 
    #include 
    using namespace std;
    
    template<class K, class V>
    struct AVLTreeNode
    {
    	pair<K, V> _kv;
    	AVLTreeNode<K, V>* _left;
    	AVLTreeNode<K, V>* _right;
    	AVLTreeNode<K, V>* _parent;
    	// 右子树-左子树高度差
    	int _bf;	// balance factor
    
    	AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
    		: _kv(kv)
    		, _left(nullptr)
    		, _right(nullptr)
    		, _parent(nullptr)
    		, _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);
    			_root->_bf = 0;
    			return true;
    		}
    
    		Node* parent = nullptr;
    		Node* cur = _root;
    		while (cur)
    		{
    			if (cur->_kv.first < kv.first)
    			{
    				parent = cur;
    				cur = cur->_right;
    			}
    			else if (cur->_kv.first > kv.first)
    			{
    				parent = cur;
    				cur = cur->_left;
    			}
    			else
    			{
    				return false;
    			}
    		}
    		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) // 最远更新到根
    		{
    			if (cur == parent->_right)
    			{
    				++parent->_bf;
    			}
    			else
    			{
    				--parent->_bf;
    			}
    			// 是否继续更新
    			if (parent->_bf == 0)// 为0,更新结束
    			{
    				break;
    			}
    			else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
    			{
    				cur = cur->_parent;
    				parent = parent->_parent;
    			}
    			else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
    			{
    				// 子树不平衡,需要旋转处理
    				if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1) // 右右——左旋
    				{
    					RotateL(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1) // 左左——右旋
    				{
    					RotateR(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1) // 左右——左右旋
    				{
    					RotateLR(parent);
    				}
    				else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1) // 右左——右左旋
    				{
    					RotateRL(parent);
    				}
    				break;
    			}
    			else
    			{
    				// 插入前就不满足AVL树的条件,程序出错
    				assert(false);
    			}
    		}
    		return true;
    	}
    
    	void LevelOrder()
    	{
    		queue<Node*> que;
    		if (_root != NULL) que.push(_root);
    		while (!que.empty())
    		{
    			int size = que.size();
    			for (int i = 0; i < size; i++)
    			{
    				Node* node = que.front();
    				que.pop();
    				cout << node->_kv.first << ' ';
    				if (node->_left) que.push(node->_left);
    				if (node->_right) que.push(node->_right);
    			}
    			cout << endl;
    		}
    	}
    
    	bool IsAVLTree()
    	{
    		return _IsAVLTree(_root);
    	}
    
    private:
    	bool _IsAVLTree(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr) return true;
    
    		int leftHeight = _Height(root->_left);
    		int rightHeight = _Height(root->_right);
    		int diff = rightHeight - leftHeight;
    		if (abs(diff) > 1)
    		{
    			cout << root->_kv.first << "结点左右子树不平衡";
    			return false;
    		}
    		if (diff != root->_bf)
    		{
    			cout << root->_kv.first << "结点平衡因子不符合实际";
    			return false;
    		}
    
    		return _IsAVLTree(root->_left) && _IsAVLTree(root->_right);
    	}
    
    	int _Height(Node* root)
    	{
    		if (root == nullptr) return 0;
    		int leftDepth = _Height(root->_left);
    		int rightDepth = _Height(root->_right);
    		return  leftDepth > rightDepth ? leftDepth + 1 : rightDepth + 1;
    	}
    
    private:
    	void RotateL(Node* parent)
    	{
    		Node* subR = parent->_right;
    		Node* subRL = subR->_left;
    
    		parent->_right = subRL;
    		if (subRL) subRL->_parent = parent; // subRL有可能是空树,需要if判断
    
    		Node* ppNode = parent->_parent; // 提前记录祖先,后面用来连接新的parent
    		subR->_left = parent;
    		parent->_parent = subR;
    
    		if (parent == _root) // 如果parent就是根结点,那么新的根是subR
    		{
    			_root = subR;
    			_root->_parent = nullptr;
    		}
    		else // 否则需要祖先来连接新的parent(即subR),注意判断左右
    		{
    			if (parent == ppNode->_left)
    			{
    				ppNode->_left = subR;
    			}
    			else
    			{
    				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;
    
    		Node* ppNode = parent->_parent;
    		subL->_right = parent;
    		parent->_parent = subL;
    
    		if (parent == _root)
    		{
    			_root = subL;
    			_root->_parent = nullptr;
    		}
    		else
    		{
    			if (parent == ppNode->_left)
    			{
    				ppNode->_left = subL;
    			}
    			else
    			{
    				ppNode->_right = subL;
    			}
    			subL->_parent = ppNode;
    		}
    		parent->_bf = 0;
    		subL->_bf = 0;
    	}
    
    	void RotateLR(Node* parent)
    	{
    		Node* subL = parent->_left; // 提前记录subL和subLR以及subLR的bf,方便后面更新平衡因子
    		Node* subLR = subL->_right;
    		int bf = subLR->_bf;
    		// 复用左旋和右旋
    		RotateL(parent->_left); 
    		RotateR(parent);
    		// 更新平衡因子
    		if (bf == 0)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subL->_bf = 0;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == 1)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subL->_bf = -1;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == -1)
    		{
    			parent->_bf = 1;
    			subL->_bf = 0;
    			subLR->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    
    	void RotateRL(Node* parent)
    	{
    		Node* subR = parent->_right; // 提前记录subR和subRL以及subRL的bf,方便后面更新平衡因子
    		Node* subRL = subR->_left;
    		int bf = subRL->_bf;
    		// 复用右旋和左旋
    		RotateR(parent->_right);
    		RotateL(parent);
    		// 更新平衡因子
    		if (bf == 0)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 0;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == 1)
    		{
    			parent->_bf = -1;
    			subR->_bf = 0;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else if (bf == -1)
    		{
    			parent->_bf = 0;
    			subR->_bf = 1;
    			subRL->_bf = 0;
    		}
    		else
    		{
    			assert(false);
    		}
    	}
    private:
    	Node* _root = nullptr;
    };
    
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