AVL 树

       

目录

        1. 单左旋

        2. 单右旋

        3.左右双旋

        4.右左双旋


        AVL树就是平衡二叉搜索树,说它是平衡的,主要是因为N次插入操作后,除叶节点外,任何一个节点的左右子树的高度不会大于1,注意是左子树和右子树的高度差。说它是搜索树是因为任何一个非叶节点的值比它的左儿子节点的值大,比它右儿子节点的值小。搜索的时间复杂度就是树的高度。有多变态?一颗三十层的AVL树如果放满的话总共有2的30次方减1这么多个节点,大约是十亿多(1,073,741,824)。在这么多节点中查找一个已在树的节点,最多找30次。那么AVL树是如何保证这么快的查找效率呢?这就得从调整树的平衡性来说起。

        调整平衡的方法总共有四种,分别是单左旋,单右旋,左右双旋,右左双旋。这四种旋转方式在什么情况下使用,我们来看:

        1. 单左旋

        

        需要单左旋的情形是新插入的节点是放在某个节点右子树的右子树上,比如图中的1号节点,那么1号节点就失去平衡。因为1号节点左子树为空,高度为0,右子树不为空高度为2,高度差大于1,左旋后就是箭头右面的样子。

        2. 单右旋

      需要单右旋的情形是新插入的节点是放在某个节点左子树的左子树上,比如图中的6号节点,那么6号节点就失去平衡。因为6号节点右子树为空,高度为0,左子树不为空高度为2,高度差大于1,右旋后就是箭头右面的样子。

        3.左右双旋

      需要左右双旋的情形是新插入的节点是放在某个节点左子树的右子树上,比如图中的6号节点,那么6号节点就失去平衡。因为6号节点右子树为空,高度为0,左子树不为空高度为2,高度差大于1,那么对6号节点的左子树先进行左旋,得到中间的树。然后再对整棵树进行右旋,得到最右面的平衡树。

        4.右左双旋

      需要右左双旋的情形是新插入的节点是放在某个节点右子树的左子树上,比如图中的6号节点,那么6号节点就失去平衡。因为6号节点左子树为空,高度为0,右子树不为空高度为2,高度差大于1,那么对6号节点的右子树先进行右旋,得到中间的树。然后再对整棵树进行左旋,得到最右面的平衡树。

AVL是一种自平衡的二叉查找,它确保了的高度始终保持在对数级别,从而保证了查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)。这种数据结构以它的发明者G.M. Adelson-Velsky和E.M. Landis的名字命名[^1]。 ### AVL的定义 - **平衡因子**:每个节点都有一个平衡因子,它是该节点左子的高度减去右子的高度。对于AVL来说,所有节点的平衡因子只能是-1, 0或1。 - **空**:如果T是空,则它自然是一个AVL。 - **非空**:若T不是空,则其左右子TL和TR都必须是AVL,并且对于任意节点,|HL - HR| ≤ 1(其中HL和HR分别表示左子和右子的高度)。 ### AVL的操作 当进行插入或删除操作时,可能会破坏AVL的平衡性,这时需要通过旋转来重新恢复平衡: - **旋转**: - 左旋(Single Rotate with Left)用于处理左孩子的左子过高。 - 右旋(Single Rotate with Right)用于处理右孩子的右子过高。 - **双旋转**: - 左右双旋(Double Rotate with Left)用于处理左孩子的右子过高的情况。 - 右左双旋(Double Rotate with Right)用于处理右孩子的左子过高的情况。 这些旋转操作可以保持AVL的性质不变,并且能够快速地调整的结构以维持平衡。 ### AVL的实现 下面是一个简的C语言代码示例,展示了如何定义AVL的节点以及实现基本的插入操作。这个例子中包含了必要的函数声明和一些核心逻辑。 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> // 定义AVL节点结构体 typedef struct AvlNode { int element; struct AvlNode *left; struct AvlNode *right; int height; // 节点的高度 } *AvlTree, *Position; // 获取两个整数中的较大者 int max(int a, int b) { return (a > b) ? a : b; } // 计算给定节点的高度 static int Height(AvlTree T) { if (T == NULL) return -1; // 空节点高度为-1 else return T->height; } // 旋转 - 左左情况 AvlTree singlerotatewithLeft(AvlTree K2) { Position K1 = K2->left; K2->left = K1->right; K1->right = K2; // 更新节点高度 K2->height = max(Height(K2->left), Height(K2->right)) + 1; K1->height = max(Height(K1->left), K2->height) + 1; return K1; // 新根 } // 旋转 - 右右情况 AvlTree singlerotatewithRight(AvlTree K2) { Position K1 = K2->right; K2->right = K1->left; K1->left = K2; // 更新节点高度 K2->height = max(Height(K2->left), Height(K2->right)) + 1; K1->height = max(Height(K1->right), K2->height) + 1; return K1; // 新根 } // 双旋转 - 左右情况 AvlTree doublerotatewithLeft(AvlTree K3) { K3->left = singlerotatewithRight(K3->left); return singlerotatewithLeft(K3); } // 双旋转 - 右左情况 AvlTree doublerotatewithRight(AvlTree K3) { K3->right = singlerotatewithLeft(K3->right); return singlerotatewithRight(K3); } // 插入新元素到AVLAvlTree Insert(int x, AvlTree T) { if (T == NULL) { // 如果为空,创建新节点 T = (AvlTree)malloc(sizeof(struct AvlNode)); if (T == NULL) printf("Out of space!!!"); else { T->element = x; T->left = T->right = NULL; T->height = 0; // 新叶节点高度为0 } } else if (x < T->element) { // 向左子插入 T->left = Insert(x, T->left); // 检查并修复平衡 if (Height(T->left) - Height(T->right) == 2) { if (x < T->left->element) T = singlerotatewithLeft(T); // 左左旋转 else T = doublerotatewithLeft(T); // 左右旋转 } } else if (x > T->element) { // 向右子插入 T->right = Insert(x, T->right); // 检查并修复平衡 if (Height(T->right) - Height(T->left) == 2) { if (x > T->right->element) T = singlerotatewithRight(T); // 右右旋转 else T = doublerotatewithRight(T); // 右左旋转 } } // 更新高度 T->height = max(Height(T->left), Height(T->right)) + 1; return T; } ``` 上述代码提供了AVL的基本框架,包括节点定义、插入操作及必要的旋转方法。实际应用中可能还需要添加更多的功能,如删除节点、查找特定值等。
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