平衡二叉树

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写了程序换酒钱

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分类专栏： C/C++ 数据结构与算法 C++模板

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二叉树的查找，插入和删除操作的时间与树的高度有关，如果树尽量的矮胖，那么时间就短，那就要是满二叉树，或者说满N叉树，对于一颗M个节点的满N叉树时间复杂度为，但是维护满叉树，难度是很大的。所以AVL树(平衡树)放宽了条件，允许左右子树的高度差在一定的范围之内，avl树平衡条件是左右子树高度相差不能为2，而不是满叉树左右子树高度相同。AVL是以提出它的两位苏联数学家的名字头字母命名的。一棵N个节点的AVL树，高度最高为1.44logx(N+1)-0.328，比满二叉树高度增加44%。

在avl树中通过对不满足限制条件的子树就行旋转规格来确保av树的平衡条件一直成立。在AVL树中有LL，LR，RR和RL四种旋转方式。

下面给出几个示例：

依次插入3，5，6，2，1，4

按照和二叉树插入的方式一样，插入3，5，6：

现在不平横了，3节点左子树的高度为-1（空树为-1），右子树为1，相差为2，不平衡，插入在3节点的右子树的右子树，这种情况称为RR，转换为，这样就平衡了。继续插入2和1，情况如下：节点3失去平衡，1插在3的左子树的左子树，LL情况，需要旋转，如下：树重新平衡，现在继续插入4，如下：，节点5失去平衡，4插在它的左子树的右子树上，这种情况为LR，需要两次旋转，第一次为RR，5的左子树，然后LL5这棵树。变换后如下：

就不一一分析了，下面是实现代码。

/************************************************
*
*author:周翔
*e-mail:604487178@qq.com
*blog:http://blog.youkuaiyun.com/zhx6044
*
*
*************************************************/

#ifndef AVLTREE_HPP
#define AVLTREE_HPP

#include "linkQueue.hpp"

template <typename T>
T max(const T &t1, const T &t2)
{
    return (t1 < t2) ? t2 : t1 ;
}

template <typename T>
class AvlTree
{
public:
    AvlTree();
    ~AvlTree();
    bool find(const T& t) const;
    bool insert(const T &t);
    void remove(const T &t);
    bool isEmpty() const;
    void clear();
    int height(typename AvlTree::node *n);
    /**
     * @brief levelTraverse 层虚遍历
     * @param os
     */
    void levelTraverse(std::ostream &os = std::cout) const;
private:

    typedef enum {LEFT, RIGHT} TreeType;
    struct node {
        T data;
        node *lc,*rc;
        int height;//高度
        node():lc(0),rc(0),height(0){

        }
        node(const T &t,node *_lc = 0, node *_rc = 0,int _hei = 0):
            data(t),
            lc(_lc),
            rc(_rc),
            height(_hei){

        }
    };

    node *root;

    bool insert(const T &t, node *&n);
    bool remove(const T &t, node *&n);
    void clear(node *n);
    //四种旋转，
    void LL(node *&n);
    void RR(node *&n);
    void LR(node *&n);
    void RL(node *&n);
};

template <typename T>
inline
AvlTree<T>::AvlTree():root(0)
{

}


template <typename T>
AvlTree<T>::~AvlTree()
{
    clear();
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::clear(node *n)
{
    if (n->lc != 0) {
        clear(n->lc);
    }
    if (n->rc != 0) {
        clear(n->rc);
    }
    delete n;
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::clear()
{

    if (!isEmpty())
        clear(root);
}


template <typename T>
inline
bool AvlTree<T>::isEmpty() const
{
    return root == 0;
}

template <typename T>
inline
int AvlTree<T>::height(node *n)
{
    return (n == 0) ? -1 : n->height;
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::LL(node *&n)
{
    node *p = n;//暂存n
    n = n->lc;//左子树作为根节点
    p->lc = n->rc;//右子树作为原来根的左子树
    n->rc = p;//原来根节点作为新节点的右子树
    p->height = max(height(p->lc),height(p->rc)) + 1;//先做子树的高度
    n->height = max(height(n->lc),height(n->rc)) + 1;

}

template <typename T>
void AvlTree<T>::RR(node *&n)
{
    node *p = n;
    n = n->rc;
    p->rc = n->lc;
    n->lc = p;
    p->height = max(height(p->lc),height(p->rc)) + 1;
    n->height = max(height(n->lc),height(n->rc)) + 1;
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::LR(node *&n)
{
    RR(n->lc);
    LL(n);
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::RL(node *&n)
{
    LL(n->rc);
    RR(n);

}

template <typename T>
bool AvlTree<T>::find(const T &t) const
{
    node *p = root;
    while (p != 0 && p->data != t) {
        if (p->data < t) {
            p = p->rc;
        } else {
            p = p->lc;
        }
    }
    return ((p == 0) ? false:true);
}

template <typename T>
bool AvlTree<T>::insert(const T &t)
{
    return insert(t,root);
}

template <typename T>
bool AvlTree<T>::insert(const T &t, node *&n)
{
    bool re = false;
    if (n == 0) {
        n = new node(t);
        re = true;
    } else {
        if (t < n->data) {
            re = insert(t,n->lc);//插入到左子树
            if (height(n->lc) - height(n->rc) == 2) {//子树高度差超过1
                if (t < n->lc->data) {//插入的值小于左子树的值，说明还要插在左子树的左子树
                    LL(n);//做LL旋转
                } else {
                    LR(n);//做LR旋转
                }
            }
        } else {
            re = insert(t,n->rc);
            if (height(n->rc) - height(n->lc) == 2) {
                if (t < n->rc->data) {
                    RL(n);
                } else {
                    RR(n);
                }
            }
        }
    }
    n->height = max(height(n->lc),height(n->rc)) + 1;
    return re;
}

template <typename T>
void AvlTree<T>::remove(const T &t)
{
    remove(t,root);
}

template <typename T>
/**
 * @brief AvlTree<T>::remove
 * @param t
 * @param n
 * @return
 * 只讨论左子树，右子树情况对称，删除的节点都在P的左子树上
 * 1.P节点平衡因子为0，删除节点x，使其某棵子树变矮，p的平衡因子变为-1或1，树的高度不变，整棵树也不变
 * 2.P节点平衡因子为-1或1，删除P较高子树的节点，P平衡因子为0，树高发生了变化，需要继续向上规格
 * 3.P节点平衡因子为-1或1，删除P较矮子树的节点，P不平横，需要规格，树高如果变化，需要继续向上规格
 * 3.1P的右子树的平衡因子为0，做RR，子树高度不变，不许要规格
 * 3.2P的右子树的平衡因子与P相同，做一个RR，子树高度变化，需要继续规格
 * 3.2P的右子树的平衡因子与P相反，RL，子树高度变化，需要贵徐规格
 */
bool AvlTree<T>::remove(const T &t, node *&n)
{
    bool re = true;//是否需要规格
    TreeType flag;//标识是左子树还是右子树
    if (n == 0) {
        re = false;
    } else {
        if (t < n->data) {
            re = remove(t,n->lc);
            flag = LEFT;
        } else {
            if (t > n->data) {
                re = remove(t,n->rc);
                flag = RIGHT;
            } else {
                //t = n->data
                if (n->lc != 0 && n->rc != 0) {
                    node *p = n->rc;
                    while (p->lc != 0) p = p->lc;
                    n->data = p->data;
                    re = remove(p->data,n->rc);
                    flag = RIGHT;
                    } else {
                    node *p = n;
                    n = (n->rc == 0) ? n->lc : n->rc;
                    delete p;
                    re = false;
                }
            }
        }
    }
    if (re) {
        int t;
        switch (flag) {
        case LEFT://左子树
            t = height(n->lc) + 1 - height(n->rc);//左子树删除一个节点，现在的+1原来的
            if (t == 0) {//
                re = false;
            } else {
                if (re == 1) {//说明左子树较高
                    re = true;
                } else {
                    int t2 = height(n->rc->lc) - height(n->rc->rc);
                    switch (t2) {
                    case 0:
                        RR(n);
                        re = false;
                        break;
                    case -1://左子树矮,连个平衡因子相同,为-1
                        RR(n);
                        re = true;
                        break;
                    default:
                        RL(n);
                        re = true;
                        break;
                    }
                }

            }
            break;
        case RIGHT://右子树
            t = height(n->lc)  - (height(n->rc)+1);//右子树删除一个节点，现在的+1原来的
            if (t == 0) {//
                re = false;
            } else {
                if (re == -1) {//说明右子树较高
                    re = true;
                } else {//较矮的树
                    int t2 = height(n->lc->lc) - height(n->lc->rc);
                    switch (t2) {
                    case 0:
                        LL(n);
                        re = false;
                        break;
                    case 1://右子树矮,连个平衡因子相同,为1
                        LL(n);
                        re = true;
                        break;
                    default:
                        LR(n);
                        re = true;
                        break;
                    }
                }

            }
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    return re;


}

template <typename T>
void AvlTree<T>::levelTraverse(std::ostream &os) const
{
    LinkQueue<node*> queue;
    queue.enqueue(root);
    while(!queue.isEmpty()) {
        node *t = queue.dequeue();
        if (t != NULL) {
            os << t->data << "  ";
            queue.enqueue(t->lc);
            queue.enqueue(t->rc);
        }
    }
}





#endif // AVLTREE_HPP


#include "avlTree.hpp"



int main()
{
    AvlTree<int> avlt;
    int arr[]={3,5,6};
    for(int i = 0;i < 3;++i) {
        avlt.insert(arr[i]);
    }
    avlt.levelTraverse();
    avlt.insert(2);
    std::cout << '\n';
    avlt.levelTraverse();
    avlt.insert(1);
    std::cout << '\n';
    avlt.levelTraverse();
    avlt.insert(4);
    std::cout << '\n';
    avlt.levelTraverse();
}