C++AVL樹4種旋轉(zhuǎn)詳講(左單旋、右單旋、左右雙旋、右左雙旋)
引子:AVL樹是因?yàn)槭裁闯霈F(xiàn)的?
二叉搜索樹可以縮短查找的效率,如果數(shù)據(jù)有序或接近有序二叉搜索樹將退化為單支樹,查找元素相當(dāng)于在順序表中搜索元素,效率低下時(shí)間復(fù)雜度:O(N)
兩位俄羅斯的數(shù)學(xué)家G.M.Adelson-Velskii和E.M.Landis在1962年 發(fā)明了一種解決上述問題的方法:當(dāng)向二叉搜索樹中插入新結(jié)點(diǎn)后,如果能保證每個(gè)結(jié)點(diǎn)的左右子樹高度之差的絕對(duì)值不超過1(對(duì)樹中的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整),即為AVl樹以他們的名字縮寫命名也可以叫高度二叉搜索樹
1.AVl樹的的特性
一棵AVL樹或者是空樹,或者是具有以下性質(zhì)的二叉搜索樹,它就是AVL樹。
- 它的左右子樹都是AVL樹
- 左右子樹高度之差(簡(jiǎn)稱平衡因子)的絕對(duì)值不超過1(-1/0/1),節(jié)點(diǎn)右子樹最長(zhǎng)路徑-左子樹最長(zhǎng)路徑
如果AVl樹有n個(gè)結(jié)點(diǎn),其高度可保持在O(logN) ,搜索時(shí)間復(fù)雜度O(logN),為什么?
答:左右子樹高度之差的絕對(duì)值不超過1,那么只有最后一層會(huì)差一部分的節(jié)點(diǎn);
2.AVl樹的框架
template<class K, class V> struct AVLtreeNode { //節(jié)點(diǎn)構(gòu)造函數(shù) AVLtreeNode(const pair<K, V>& kv) :_left(nullptr) ,_right(nullptr) ,_parent(nullptr) ,_bf(0) ,_kv(kv) {} //節(jié)點(diǎn)的成員 //三叉鏈 AVLtreeNode<K, V>* _left; AVLtreeNode<K, V>* _right; AVLtreeNode<K, V>* _parent; int _bf;//平衡因子 //數(shù)據(jù)使用庫里面的pair類存儲(chǔ)的kv pair<K, V> _kv; }; template<class K,class V> class AVLtree { typedef AVLtreeNode<K, V> Node; public: //構(gòu)造函數(shù) AVLtree() :_root(nullptr) {} //四種旋轉(zhuǎn) void RotateL(Node* parent) void RotateR(Node* parent) void RotateLR(Node* parent) void RotateRL(Node* parent) //插入 bool Insert(const pair<K, V>& kv) //尋找 Node* Find(const K& kv) private: Node* _root; };
三叉鏈?zhǔn)鞘裁矗?/strong>
3.AVL樹的插入
bool Insert(const pair<K, V>& kv) { if (_root == nullptr) { _root = new Node(kv); return true; } Node* parent = _root, *cur = _root; while (cur) { //找nulptr,如果已經(jīng)有這個(gè)key了,二叉搜索樹的特性不支持冗余,所以返回失敗 if (cur->_kv.first > kv.first) { parent = cur; cur = cur->_left; } else if (cur->_kv.first <kv.first) { parent = cur; cur = cur->_right; } else { return false; } } // cur = new Node(kv); //判斷孩子在父親的左邊還是右邊 if (cur->_kv.first > parent->_kv.first) { parent->_right = cur; cur->_parent = parent; } else { parent->_left = cur; cur->_parent = parent; } while (parent) { //影響一條路徑所有的祖先 if (parent->_right == cur) parent->_bf++; else parent->_bf--; if (parent->_bf == 0) { //左右平衡了不會(huì)再影響祖先了 break; } if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1) { //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在子樹變了,會(huì)影響父親 // 繼續(xù)往上更新 cur = parent; parent = parent->_parent; } else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2) { //parent所在子樹已經(jīng)不平衡,需要旋轉(zhuǎn)處理一下 if (parent->_bf == -2) { if (cur->_bf == -1) // 右單旋 RotateR(parent); else // cur->_bf == 1 RotateLR(parent); } else // parent->_bf == 2 { if (cur->_bf == 1) // 左單旋 RotateL(parent); else // cur->_bf == -1 RotateRL(parent); } break; } else { // 插入節(jié)點(diǎn)之前,樹已經(jīng)不平衡了,或者bf出錯(cuò)。需要檢查其他邏輯 assert(false); } } return true; }
插入整體邏輯:
- 如果還沒有元素是一課空樹,直接插入即可;如果有元素,按pair的first(key)和比較的節(jié)點(diǎn)比較結(jié)果為大說明為空的哪個(gè)位置在右邊,和比較的節(jié)點(diǎn)比較的結(jié)果小說明為空的哪個(gè)位置在左邊,如果相等說明已經(jīng)有這個(gè)元素了,二叉搜索樹不支持冗余返回一個(gè)pair類第一個(gè)成員為那個(gè)相同元素的map的迭代器和第二個(gè)成員為false的pair類迭代器;
- 不知道這個(gè)已經(jīng)找到的位置在父節(jié)點(diǎn)的左邊還是右邊,需要判斷一下,然后插入元素;
- 插入元素的后那么平衡因子將發(fā)生變化,為0說明這個(gè)父親節(jié)點(diǎn)左右平衡不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn),為1或者-1需要向上調(diào)整,為2或者-2說明已經(jīng)不平衡需要旋轉(zhuǎn);
節(jié)點(diǎn)右子樹最長(zhǎng)路徑-左子樹最長(zhǎng)路徑,右邊插入節(jié)點(diǎn)就+,左邊插入節(jié)點(diǎn)就-;
3.1四種旋轉(zhuǎn)(左單旋、右單旋、左右雙旋、右左雙旋)
3.1.1左單旋
- 調(diào)用函數(shù)是傳的參數(shù)是軸點(diǎn)
- 要保留軸點(diǎn)的父親,以及調(diào)整三叉鏈
- 調(diào)整后原來的孩子和父親(軸點(diǎn))的平衡因子都置為0;
void RotateR(Node* parent) { //軸點(diǎn)的左,孩子節(jié)點(diǎn) Node* subL = parent->_left; //孩子節(jié)點(diǎn)的右 Node* subLR = subL->_right; //我的右當(dāng)你(軸點(diǎn))的左 parent->_left = subLR; //調(diào)整三叉鏈 if (subLR) subLR->_parent = parent; //你(軸點(diǎn))做我的右 subL->_right = parent; //調(diào)整三叉鏈 Node* parentParent = parent->_parent; parent->_parent = subL; if (parent == _root) { _root = subL; _root->_parent = nullptr; } else { //軸點(diǎn)的父親新的孩子節(jié)點(diǎn) if (parentParent->_left == parent) parentParent->_left = subL; else parentParent->_right = subL; subL->_parent = parentParent; } subL->_bf = parent->_bf = 0; }
3.1.2右單旋
- 調(diào)用函數(shù)是傳的參數(shù)是軸點(diǎn)
- 要保留軸點(diǎn)的父親,以及調(diào)整三叉鏈
- 調(diào)整后原來的孩子和父親(軸點(diǎn))的平衡因子都置為0;
void RotateL(Node* parent) { //軸點(diǎn)的右,孩子節(jié)點(diǎn) Node* subR = parent->_right; //孩子節(jié)點(diǎn)的左 Node* subRL = subR->_left; //我的左當(dāng)你(軸點(diǎn))的右 parent->_right = subRL; //調(diào)整三叉鏈 if (subRL) { subRL->_parent = parent; } //你(軸點(diǎn))做我的左 subR->_left = parent; Node* parentparent = parent->_parent; parent->_parent = subR; if (parent == _root) { if (parentparent->_left == parent) parentparent->_left = subR; else parentparent->_right = subR; subR->_parent = parentparent; } else { subR->_parent = nullptr; _root = subR; } subR->_bf = parent->_bf = 0; }
3.1.3左右雙旋
- 調(diào)用左單旋是傳的參數(shù)是軸點(diǎn)1,右單旋傳的軸點(diǎn)2
- 平衡因子分3種情況,依靠3個(gè)被改變節(jié)點(diǎn)中最后一個(gè)來判斷
void RotateLR(Node* parent) { Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; int bf = subLR->_bf; RotateL(parent->_left); RotateR(parent); // ...平衡因子調(diào)節(jié)還需要具體分析 if (bf == -1) { subL->_bf = 0; parent->_bf = 1; subLR->_bf = 0; } else if (bf == 1) { parent->_bf = 0; subL->_bf = -1; subLR->_bf = 0; } else if (bf == 0) { parent->_bf = 0; subL->_bf = 0; subLR->_bf = 0; } else { assert(false); } }
依靠3個(gè)被改變節(jié)點(diǎn)中最后一個(gè)來判斷
3.1.4右左雙旋
- 調(diào)用右單旋是傳的參數(shù)是軸點(diǎn)1,左單旋傳的軸點(diǎn)2
- 平衡因子分3種情況,依靠3個(gè)被改變節(jié)點(diǎn)中最后一個(gè)來判斷
void RotateRL(Node* parent) { Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; int bf = subRL->_bf; RotateR(parent->_right); RotateL(parent); // 平衡因子更新 if (bf == 1) { subR->_bf = 0; parent->_bf = -1; subRL->_bf = 0; } else if (bf == -1) { parent->_bf = 0; subR->_bf = 1; subRL->_bf = 0; } else if (bf == 0) { parent->_bf = 0; subR->_bf = 0; subRL->_bf = 0; } else { assert(false); } }
附:AVL的性能
AVL樹是一棵絕對(duì)平衡的二叉搜索樹,其要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)的左右子樹高度差的絕對(duì)值都不超過1,這樣可以保證查詢時(shí)高效的時(shí)間復(fù)雜度,即log2(N)
但是如果要對(duì)AVL樹做一些結(jié)構(gòu)修改的操作,性能非常低下,比如:
插入時(shí)要維護(hù)其絕對(duì)平衡,旋轉(zhuǎn)的次數(shù)比較多,更差的是在刪除時(shí),有可能一直要讓旋轉(zhuǎn)持續(xù)到根的位置。因此:如果需要一種查詢高效且有序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),而且數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為靜態(tài)的(即不會(huì)改變),可以考慮AVL樹,但一個(gè)結(jié)構(gòu)經(jīng)常修改,就不太適合。
總結(jié)
- 調(diào)用旋轉(zhuǎn)的實(shí)參是軸點(diǎn)
- 左單旋:我的左當(dāng)你的右,你(軸點(diǎn))當(dāng)我的左
- 右單旋:我的右當(dāng)你的左,你(軸點(diǎn))當(dāng)我的右
到此這篇關(guān)于C++AVL樹4種旋轉(zhuǎn)(左單旋、右單旋、左右雙旋、右左雙旋)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++AVL樹旋轉(zhuǎn)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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