【手撕STL】AVL树

AVL树的概念

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,找到了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。

AVL树的性质:

  • 它的左右子树都是AVL树
  • 左右子树高度之差(简称平衡因子)的绝对值不超过1(-1/0/1)
  • 如果一棵二叉搜索树是高度平衡的,它就是AVL树。如果它有n个结点,其高度可保持在 O(logN),搜索时间复杂度O(logN)。

注:平衡因子=右子树的高度-左子树的高度

平衡因子更新规则:

  • 插入更新的节点在父亲的左边,父亲平衡因子–;插入更新的节点在父亲的右边,父亲平衡因子++
  • 父亲的平衡因子更新以后是-1或者1,说明父亲所在子树的高度变了,需要继续往上更新
  • 父亲的平衡因子更新以后是0,说明父亲所在子树的高度没变,不需要继续往上更新
  • 父亲的平衡因子更新以后是-2或者2,说明父亲所在子树已经不平衡了,需要旋转处理使它平衡
  • 更新以后,更新到了根节点就不需要在更新了

AVL树的旋转

如果在一棵原本是平衡的AVL树中插入一个新节点,可能造成不平衡,此时必须调整树的结构,使之平衡化。根据节点插入位置的不同,AVL树的旋转分为四种:

新节点插入较高左子树的左侧—左左:右单旋

在这里插入图片描述

a,b,c是高度为h的AVL子树,他们有无数种情况,只要在a中插入节点,a的高度变为h+1,就会引发右单旋(h>=0)

右单旋操作:

  1. b子树变成60的左子树
  2. 60成为30的右子树,30成为这棵树的根
  3. 30和60的平衡因子变为0

新节点插入较高右子树的右侧—右右:左单旋
在这里插入图片描述
a,b,c是高度为h的AVL子树,只要c这棵子树的高度变为h+1,就会引发左单旋

左单旋操作:

  1. b子树变成30的右子树
  2. 30成为60的左子树,60成为这棵树的根
  3. 30和60的平衡因子变为0

新节点插入较高左子树的右侧—左右:先左单旋再右单旋
在这里插入图片描述
操作:

  • 先以30为旋转点,进行左单旋
  • 以90作为旋转点进行右单旋

新节点插入较高右子树的左侧—右左:先右单旋再左单旋
在这里插入图片描述

操作:

  • 先以90为旋转点,进行右单旋
  • 以30作为旋转点进行左单旋

双旋平衡因子更新问题:
在这里插入图片描述
双旋以后的结果:

  • b变成30的右边
  • c变成60的左边
  • 30和90分别变成60的左边和右边,60成为新的根

总结:

  • 旋转的本质:在遵循搜索树的规则情况,让左右均衡,并且降低整棵树的高度
  • 更新平衡因子的过程中,引发旋转的路径是直线就是单旋,如果是折线就是双旋

总结:
假如以pParent为根的子树不平衡,即pParent的平衡因子为2或者-2,分以下情况考虑

  1. pParent的平衡因子为2,说明pParent的右子树高,设pParent的右子树的根为pSubR
  • 当pSubR的平衡因子为1时,执行左单旋
  • 当pSubR的平衡因子为-1时,执行右左双旋
  1. pParent的平衡因子为-2,说明pParent的左子树高,设pParent的左子树的根为pSubL
  • 当pSubL的平衡因子为-1是,执行右单旋
  • 当pSubL的平衡因子为1时,执行左右双旋

旋转完成后,原pParent为根的子树个高度降低,已经平衡,不需要再向上更新。

AVL树的实现

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;

template<class K,class V>
struct AVLTreeNode
{
   
	AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _kv(kv)
		, _bf(0)
	{
   }

	AVLTreeNode<K, V>* _left;
	AVLTreeNode<K, V>* _right;
	AVLTreeNode<K, V>* _parent;
	pair<K, V> _kv;
	int _bf;   //balance factor= 右树的高度-左树的高度
};



template<class K,class V>
class AVLTree
{
   
	typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
public:
	AVLTree()
		:_root
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