首頁 > 軟體

C++AVL樹4種旋轉詳講(左單旋、右單旋、左右雙旋、右左雙旋)

2022-11-07 14:00:08

引子:AVL樹是因為什麼出現的?

二元搜尋樹可以縮短查詢的效率,如果資料有序接近有序二元搜尋樹將退化為單支樹,查詢元素相當於在順序表中搜尋元素,效率低下時間複雜度:O(N)

兩位俄羅斯的數學家G.M.Adelson-Velskii和E.M.Landis在1962年 發明了一種解決上述問題的方法:當向二元搜尋樹中插入新結點後,如果能保證每個結點左右子樹高度之差的絕對值不超過1(對樹中的結點進行調整),即為AVl樹以他們的名字縮寫命名也可以叫高度二元搜尋樹

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的二元搜尋樹,它就是AVL樹。

  • 它的左右子樹都是AVL樹
  • 左右子樹高度之差(簡稱平衡因子)的絕對值不超過1(-1/0/1),節點右子樹最長路徑-左子樹最長路徑

如果AVl樹有n個結點,其高度可保持在O(logN)搜尋時間複雜度O(logN),為什麼?

答:左右子樹高度之差的絕對值不超過1,那麼只有最後一層會差一部分的節點;

2.AVl樹的框架

template<class K, class V>
struct AVLtreeNode
{
    //節點建構函式
	AVLtreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_parent(nullptr)
		,_bf(0)
		,_kv(kv)
	{}
    //節點的成員
    //三叉鏈
	AVLtreeNode<K, V>* _left;
	AVLtreeNode<K, V>* _right;
	AVLtreeNode<K, V>* _parent;
	int _bf;//平衡因子
    //資料使用庫裡面的pair類儲存的kv
	pair<K, V> _kv;
};
template<class K,class V>
class AVLtree
{
	typedef AVLtreeNode<K, V> Node;
public:
    //建構函式
	AVLtree()
		:_root(nullptr)
	{}
    //四種旋轉
	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;
};

三叉鏈是什麼?

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,如果已經有這個key了,二元搜尋樹的特性不支援冗餘,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)
			{
				//左右平衡了不會再影響祖先了
				break;
			}
			if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
			{
				//當前節點所在子樹變了,會影響父親
				// 繼續往上更新
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
			{
				//parent所在子樹已經不平衡,需要旋轉處理一下
				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
			{
				// 插入節點之前,樹已經不平衡了,或者bf出錯。需要檢查其他邏輯
				assert(false);
			}
		}
		return true;
	}

插入整體邏輯:

  1. 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)和比較的節點比較結果為大說明為空的哪個位置在右邊,和比較的節點比較的結果小說明為空的哪個位置在左邊,如果相等說明已經有這個元素了,二元搜尋樹不支援冗餘返回一個pair類第一個成員為那個相同元素的map的迭代器和第二個成員為false的pair類迭代器;
  2. 不知道這個已經找到的位置在父節點的左邊還是右邊,需要判斷一下,然後插入元素;
  3. 插入元素的後那麼平衡因子將發生變化,為0說明這個父親節點左右平衡不會影響其他節點,為1或者-1需要向上調整,為2或者-2說明已經不平衡需要旋轉;

節點右子樹最長路徑-左子樹最長路徑,右邊插入節點就+,左邊插入節點就-;

3.1四種旋轉(左單旋、右單旋、左右雙旋、右左雙旋)

3.1.1左單旋

  • 呼叫函數是傳的引數是軸點
  • 要保留軸點的父親,以及調整三叉鏈
  • 調整後原來的孩子和父親(軸點)的平衡因子都置為0;
void RotateR(Node* parent)
	{
		//軸點的左,孩子節點
		Node* subL = parent->_left;
		//孩子節點的右
		Node* subLR = subL->_right;
		//我的右當你(軸點)的左
		parent->_left = subLR;
		//調整三叉鏈
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;
		//你(軸點)做我的右
		subL->_right = parent;
		//調整三叉鏈
		Node* parentParent = parent->_parent;
		parent->_parent = subL;
 
		if (parent == _root)
		{
			_root = subL;
			_root->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			//軸點的父親新的孩子節點
			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

  • 呼叫函數是傳的引數是軸點
  • 要保留軸點的父親,以及調整三叉鏈
  • 調整後原來的孩子和父親(軸點)的平衡因子都置為0;
void RotateL(Node* parent)
	{
		//軸點的右,孩子節點
		Node* subR = parent->_right;
		//孩子節點的左
		Node* subRL = subR->_left;
		//我的左當你(軸點)的右
		parent->_right = subRL;
		//調整三叉鏈
		if (subRL)
		{
			subRL->_parent = parent;
		}
		//你(軸點)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

  • 呼叫左單旋是傳的引數是軸點1,右單旋傳的軸點2
  • 平衡因子分3種情況,依靠3個被改變節點中最後一個來判斷
void RotateLR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;
		int bf = subLR->_bf;
 
		RotateL(parent->_left);
		RotateR(parent);
 
		// ...平衡因子調節還需要具體分析
		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個被改變節點中最後一個來判斷

3.1.4右左雙旋 

  • 呼叫右單旋是傳的引數是軸點1,左單旋傳的軸點2
  • 平衡因子分3種情況,依靠3個被改變節點中最後一個來判斷
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的效能

AVL樹是一棵絕對平衡的二元搜尋樹,其要求每個節點的左右子樹高度差的絕對值都不超過1,這樣可以保證查詢時高效的時間複雜度,即log2(N)

但是如果要對AVL樹做一些結構修改的操作,效能非常低下,比如:

插入時要維護其絕對平衡,旋轉的次數比較多,更差的是在刪除時,有可能一直要讓旋轉持續到根的位置。因此:如果需要一種查詢高效且有序的資料結構,而且資料的個數為靜態的(即不會改變),可以考慮AVL樹,但一個結構經常修改,就不太適合。

總結

  • 呼叫旋轉的實參是軸點
  • 左單旋:我的左當你的右,你(軸點)當我的左
  • 右單旋:我的右當你的左,你(軸點)當我的右

到此這篇關於C++AVL樹4種旋轉(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C++AVL樹旋轉內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!


IT145.com E-mail:sddin#qq.com