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二叉搜索树——AVL

AVL

  • AVL定义
  • AVL树出现的原因
  • AVL的插入
    • 平衡因子的更新
    • 旋转
      • 左单旋
      • 右单旋
      • 左右双旋
      • 右左双旋
  • 杂谈
  • 完整代码

AVL定义

AVL树是最先发明的⾃平衡⼆叉查找树,AVL是⼀颗空树,或者具备下列性质的⼆叉搜索树:它的左右⼦树都是AVL树,且左右⼦树的⾼度差的绝对值不超过1。AVL树是⼀颗⾼度平衡搜索⼆叉树,通过控制⾼度差去控制平衡。
AVL树实现这⾥我们引⼊⼀个平衡因⼦(balance factor),每个结点都有⼀个平衡因⼦,任何结点的平衡因⼦等于右⼦树的⾼度减去左⼦树的⾼度(有些教材写的左子树的高度减去右子树的高度),也就是说任何结点的平衡因⼦等于0/1/-1,AVL树并不是必须要平衡因⼦,但是有了平衡因⼦可以更⽅便我们去进⾏观察和控制树是否平衡,就像⼀个⻛向标⼀样。

AVL树出现的原因

二叉搜索树在部分情况会导致其搜索效率低,比如在一条分支上面。所以AVL树使得二叉搜索树具有实际意义,其让二叉搜索树的搜索效率更快,因为其保持了平衡。

AVL的插入

  1. 新增结点以后,只会影响祖先结点的⾼度,也就是可能会影响部分祖先结点的平衡因⼦,所以更新
  2. 从新增结点->根结点路径上的平衡因⼦,实际中最坏情况下要更新到根,有些情况更新到中间就可以停⽌了。
  3. 更新平衡因⼦过程中没有出现问题,则插⼊结束。
  4. 更新平衡因⼦过程中出现不平衡,对不平衡⼦树旋转,旋转后本质调平衡的同时,本质降低了⼦树的⾼度,不会再影响上⼀层,所以插⼊结束。

平衡因子的更新

  1. 平衡因⼦ = 右⼦树⾼度-左⼦树⾼度
  2. 只有⼦树⾼度变化才会影响当前结点平衡因⼦。
  3. 插⼊结点,会增加⾼度,所以新增结点在parent的右⼦树,parent的平衡因⼦++,新增结点在parent的左⼦树,parent平衡因⼦–
  4. parent所在⼦树的⾼度是否变化决定了是否会继续往上更新。
  5. 更新停止条件:
    更新后parent的平衡因⼦等于0,更新中parent的平衡因⼦变化为-1->0 或者 1->0,说明更新前parent⼦树⼀边⾼⼀边低,新增的结点插⼊在低的那边,插⼊后parent所在的⼦树⾼度不变,不会影响parent的⽗亲结点的平衡因⼦,更新结束。
    更新后parent的平衡因⼦等于1 或 -1,更新前更新中parent的平衡因⼦变化为0->1 或者 0->-1,说明更新前parent⼦树两边⼀样⾼,新增的插⼊结点后,parent所在的⼦树⼀边⾼⼀边低,parent所在的⼦树符合平衡要求,但是⾼度增加了1,会影响parent的⽗亲结点的平衡因⼦,所以要继续向上更新。
    更新后parent的平衡因⼦等于2 或 -2,更新前更新中parent的平衡因⼦变化为1->2 或者 -1->-2,说明更新前parent⼦树⼀边⾼⼀边低,新增的插⼊结点在⾼的那边,parent所在的⼦树⾼的那边更⾼了,破坏了平衡,parent所在的⼦树不符合平衡要求,需要旋转处理,旋转的⽬标有两个:
    1、 把parent⼦树旋转平衡。
    2、 降低parent⼦树的⾼度,恢复到插⼊结点以前的⾼度。所以旋转后也不
    需要继续往上更新,插⼊结束。
    不断更新,更新到根,跟的平衡因⼦是1或-1也停⽌了。

旋转

旋转是AVL树的重头戏,其就是二叉搜索树保持平衡的重要手段
旋转需要保持搜索树的规则,让旋转的树变平衡,降低旋转树的⾼度。

左单旋

如果该结点的平衡因子是2/-2,那么就说明其并不平衡,如果该结点的平衡因子为2并且其右子树的平衡因子为1,就说明该结点的右孩子的右孩子高,所以进行左单旋将其高度降下来。具体步骤如下:

  1. 将该结点的右指针指向该结点右孩子的左孩子
  2. 让该结点的右孩子的左指针指向该结点
  3. over。
    插入后的如图:在这里插入图片描述
    旋转之后如图
    在这里插入图片描述

右单旋

与左单旋类似,如果该结点的平衡因子为-2并且其左子树的平衡因子为-1,就说明该结点的左孩子的左孩子高,所以进行右单旋将其高度降下来。左单旋步骤如下:

  1. 将该结点的左指针指向该结点左孩子的右孩子
  2. 将该结点左孩子的右指针指向该结点
  3. over
    如图:
    在这里插入图片描述

左右双旋

左右双旋就是该结点的左孩子的右孩子高,就进行左右双旋,即先对该结点的左孩子进行左旋,目的是把左右高变为单纯的左高,在左旋之后,再对原结点(parent)进行右单旋。
但这里有个细节,我们需要进行分类讨论,因为左孩子的右孩子右三种情况

  1. 其左孩子高,即新插入的在其左孩子。
  2. 其右孩子高,即新插入的在其右孩子。
  3. 只有其一个,即新插入的就是其本身。
    分类的目的就是我们需要更新平衡因子,如果是第一种,那么高的部分就会来到原结点(parent)的左孩子(SubL)的右孩子(SubLR)部分,因为在左旋的时候会将其分过来,这样SubL的平衡因子就是0,原结点(parent)就是1,而SubLR就是0.
    其余情况就不一 一列举了。

右左双旋

右左双旋与左右双旋类似,都是需要在更新平衡因子的时候分类讨论

杂谈

关于AVL树的最主要就是其插入过程的旋转,什么时候需要哪种旋转,该怎么旋转是最重要的,在思考旋转的时候是需要画图的

ps(我写双旋的时候通过测试发现了问题,也才知道断点可以进行条件断点,也可以用if语句来快速来到出问题的插入位置)。

完整代码

Prime的AVL树仓库

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