Java数据结构与算法解析(八)——伸展树
伸展树简介
伸展树(Splay Tree)是特殊的二叉查找树。
它的特殊是指，它除了本身是棵二叉查找树之外，它还具备一个特点: 当某个节点被访问时，伸展树会通过旋转使该节点成为树根。这样做的好处是，下次要访问该节点时，能够迅速的访问到该节点。
特性
1.和普通的二叉查找树相比，具有任何情况下、任何操作的平摊O(log2n)的复杂度，时间性能上更好
2.和一般的平衡二叉树比如 红黑树、AVL树相比，维护更少的节点额外信息，空间性能更优，同时编程复杂度更低
3.在很多情况下，对于查找操作，后面的查询和之前的查询有很大的相关性。这样每次查询操作将被查到的节点旋转到树的根节点位置，这样下次查询操作可以很快的完成
4.可以完成对区间的查询、修改、删除等操作，可以实现线段树和树状数组的所有功能
旋转
伸展树实现O(log2n)量级的平摊复杂度依靠每次对伸展树进行查询、修改、删除操作之后，都进行旋转操作 Splay(x, root)，该操作将节点x旋转到树的根部。
伸展树的旋转有六种类型，如果去掉镜像的重复，则为三种：zig(zag)、zig-zig(zag-zag)、zig-zag(zag-zig)。
1 自底向上的方式进行旋转
1.1 zig旋转
如图所示，x节点的父节点为y，x为y的左子节点，且y节点为根。则只需要对x节点进行一次右旋(zig操作)，使之成为y的父节点，就可以使x成为伸展树的根节点。
1.2 zig-zig旋转
如上图所示，x节点的父节点y，y的父节点z，三者在一字型链上。此时，先对y节点和z节点进行zig旋转，然后再对x节点和y节点进行zig旋转，最后变为右图所示，x成为y和z的祖先节点。
1.3 zig-zag旋转
如上图所示，x节点的父节点y，y的父节点z，三者在之字型链上。此时，先对x节点和y节点进行zig旋转，然后再对x节点和y节点进行zag旋转，最后变为右图所示，x成为y和z的祖先节点。
2 自顶向下的方式进行旋转
这种方式不需要节点存储其父节点的引用。当我们沿着树向下搜索某个节点x时，将搜索路径上的节点及其子树移走。构建两棵临时的树——左树和右树。没有被移走的节点构成的树称为中树。
(1) 当前节点x是中树的根
(2) 左树L保存小于x的节点
(3) 右树R保存大于x的节点
开始时候，x是树T的根，左树L和右树R都为空。三种旋转操作：
2.1 zig旋转
如图所示，x节点的子节点y就是我们要找的节点，则只需要对y节点进行一次右旋(zig操作)，使之成为x的父节点，就可以使y成为伸展树的根节点。将y作为中树的根，同时，x节点移动到右树R中，显然右树上的节点都大于所要查找的节点。
2.2 zig-zig旋转
如上图所示，x节点的左子节点y，y的左子节点z，三者在一字型链上，且要查找的节点位于z节点为根的子树中。此时，对x节点和y节点进行zig，然后对z和y进行zig，使z成为中树的根，同时将y及其子树挂载到右树R上。
2.3 zig-zag旋转
如上图所示，x节点的左子节点y，y的右子节点z，三者在之字型链上，且需要查找的元素位于以z为根的子树上。此时，先对x节点和y节点进行zig旋转，将x及其右子树挂载到右树R上，此时y成为中树的根节点；然后再对z节点和y节点进行zag旋转，使得z成为中树的根节点。
2.4 合并
最后，找到节点或者遇到空节点之后，需要对左、中、右树进行合并。如图所示，将左树挂载到中树的最左下方（满足遍历顺序要求），将右树挂载到中树的最右下方（满足遍历顺序要求）。
伸展树的实现
1.节点
public class SplayTree<T extends Comparable<T>> {
private SplayTreeNode mRoot; // 根结点
public class SplayTreeNode<T extends Comparable<T>> {
T key; // 关键字(键值)
SplayTreeNode left; // 左孩子
SplayTreeNode right; // 右孩子
public SplayTreeNode() {
this.left = null;
this.right = null;
}
public SplayTreeNode(T key, SplayTreeNode left, SplayTreeNode right) {
this.key = key;
this.left = left;
this.right = right;
}
}
} SplayTree是伸展树，而SplayTreeNode是伸展树节点。在此，我将SplayTreeNode定义为SplayTree的内部类。在伸展树SplayTree中包含了伸展树的根节点mRoot。SplayTreeNode包括的几个组成元素:
(1) key – 是关键字，是用来对伸展树的节点进行排序的。
(2) left – 是左孩子。
(3) right – 是右孩子。
2.旋转
/*
* 旋转key对应的节点为根节点，并返回根节点。
*
* 注意：
* (a)：伸展树中存在"键值为key的节点"。
* 将"键值为key的节点"旋转为根节点。
* (b)：伸展树中不存在"键值为key的节点"，并且key < tree.key。
* b-1 "键值为key的节点"的前驱节点存在的话，将"键值为key的节点"的前驱节点旋转为根节点。
* b-2 "键值为key的节点"的前驱节点存在的话，则意味着，key比树中任何键值都小，那么此时，将最小节点旋转为根节点。
* (c)：伸展树中不存在"键值为key的节点"，并且key > tree.key。
* c-1 "键值为key的节点"的后继节点存在的话，将"键值为key的节点"的后继节点旋转为根节点。
* c-2 "键值为key的节点"的后继节点不存在的话，则意味着，key比树中任何键值都大，那么此时，将最大节点旋转为根节点。
*/
private SplayTreeNode splay(SplayTreeNode tree, T key) {
if (tree == null)
return tree;
SplayTreeNode N = new SplayTreeNode();
SplayTreeNode l = N;
SplayTreeNode r = N;
SplayTreeNode c;
for (; ; ) {
int cmp = key.compareTo(tree.key);
if (cmp < 0) {
if (key.compareTo(tree.left.key) < 0) {
c = tree.left; /* rotate right */
tree.left = c.right;
c.right = tree;
tree = c;
if (tree.left == null)
break;
}
r.left = tree; /* link right */
r = tree;
tree = tree.left;
} else if (cmp > 0) {
if (tree.right == null)
break;
if (key.compareTo(tree.right.key) > 0) {
c = tree.right; /* rotate left */
tree.right = c.left;
c.left = tree;
tree = c;
if (tree.right == null)
break;
}
l.right = tree; /* link left */
l = tree;
tree = tree.right;
} else {
break;
}
}
l.right = tree.left; /* assemble */
r.left = tree.right;
tree.left = N.right;
tree.right = N.left;
return tree;
}
public void splay(T key) {
mRoot = splay(mRoot, key);
}
}
上面的代码的作用：将”键值为key的节点”旋转为根节点，并返回根节点。它的处理情况共包括：
(a)：伸展树中存在”键值为key的节点”。
将”键值为key的节点”旋转为根节点。
(b)：伸展树中不存在”键值为key的节点”，并且key < tree->key。
b-1) “键值为key的节点”的前驱节点存在的话，将”键值为key的节点”的前驱节点旋转为根节点。
b-2) “键值为key的节点”的前驱节点存在的话，则意味着，key比树中任何键值都小，那么此时，将最小节点旋转为根节点。
(c)：伸展树中不存在”键值为key的节点”，并且key > tree->key。
c-1) “键值为key的节点”的后继节点存在的话，将”键值为key的节点”的后继节点旋转为根节点。
c-2) “键值为key的节点”的后继节点不存在的话，则意味着，key比树中任何键值都大，那么此时，将最大节点旋转为根节点。
下面列举个例子分别对a进行说明。
在下面的伸展树中查找10，，共包括”右旋” –> “右链接” –> “组合”这3步。
01, 右旋
对应代码中的”rotate right”部分
02, 右链接
对应代码中的”link right”部分
03.组合
对应代码中的”assemble”部分
提示：如果在上面的伸展树中查找”70”，则正好与”示例1”对称，而对应的操作则分别是”rotate left”, “link left”和”assemble”。
其它的情况，例如”查找15是b-1的情况，查找5是b-2的情况”等等，这些都比较简单，大家可以自己分析。
3.插入
/**
* 将结点插入到伸展树中，并返回根节点
* @param tree 伸展树的根节点
* @param z 插入的结点
* @return
*/
private SplayTreeNode insert(SplayTreeNode tree, SplayTreeNode z) {
int cmp;
SplayTreeNode y = null;
SplayTreeNode x = tree;
// 查找z的插入位置
while (x != null) {
y = x;
cmp = z.key.compareTo(x.key);
if (cmp < 0)
x = x.left;
else if (cmp > 0)
x = x.right;
else {
System.out.printf("不允许插入相同节点(%d)!\n", z.key);
z = null;
return tree;
}
}
if (y == null)
tree = z;
else {
cmp = z.key.compareTo(y.key);
if (cmp < 0)
y.left = z;
else
y.right = z;
}
return tree;
}
public void insert(T key) {
SplayTreeNode z = new SplayTreeNode(key, null, null);
// 如果新建结点失败，则返回。
if ((z = new SplayTreeNode(key, null, null)) == null)
return;
// 插入节点
mRoot = insert(mRoot, z);
// 将节点(key)旋转为根节点
mRoot = splay(mRoot, key);
} insert(key)是提供给外部的接口，它的作用是新建节点(节点的键值为key)，并将节点插入到伸展树中；然后，将该节点旋转为根节点。
insert(tree, z)是内部接口，它的作用是将节点z插入到tree中。insert(tree, z)在将z插入到tree中时，仅仅只将tree当作是一棵二叉查找树，而且不允许插入相同节点。
4.删除
/**
*
* @param tree 伸展树
* @param key 删除的结点
* @return
*/
private SplayTreeNode remove(SplayTreeNode tree, T key) {
SplayTreeNode x;
if (tree == null)
return null;
// 查找键值为key的节点，找不到的话直接返回。
if (search(tree, key) == null)
return tree;
// 将key对应的节点旋转为根节点。
tree = splay(tree, key);
if (tree.left != null) {
// 将"tree的前驱节点"旋转为根节点
x = splay(tree.left, key);
// 移除tree节点
x.right = tree.right;
}
else
x = tree.right;
tree = null;
return x;
}
public void remove(T key) {
mRoot = remove(mRoot, key);
} remove(key)是外部接口，remove(tree, key)是内部接口。
remove(tree, key)的作用是：删除伸展树中键值为key的节点。
它会先在伸展树中查找键值为key的节点。若没有找到的话，则直接返回。若找到的话，则将该节点旋转为根节点，然后再删除该节点。
伸展树实现完整代码
public class SplayTree> {
private SplayTreeNode mRoot; // 根结点
public class SplayTreeNode> {
T key; // 关键字(键值)
SplayTreeNode left; // 左孩子
SplayTreeNode right; // 右孩子
public SplayTreeNode() {
this.left = null;
this.right = null;
}
public SplayTreeNode(T key, SplayTreeNode left, SplayTreeNode right) {
this.key = key;
this.left = left;
this.right = right;
}
}
/*
* 旋转key对应的节点为根节点，并返回根节点。
*
* 注意：
* (a)：伸展树中存在"键值为key的节点"。
* 将"键值为key的节点"旋转为根节点。
* (b)：伸展树中不存在"键值为key的节点"，并且key < tree.key。
* b-1 "键值为key的节点"的前驱节点存在的话，将"键值为key的节点"的前驱节点旋转为根节点。
* b-2 "键值为key的节点"的前驱节点存在的话，则意味着，key比树中任何键值都小，那么此时，将最小节点旋转为根节点。
* (c)：伸展树中不存在"键值为key的节点"，并且key > tree.key。
* c-1 "键值为key的节点"的后继节点存在的话，将"键值为key的节点"的后继节点旋转为根节点。
* c-2 "键值为key的节点"的后继节点不存在的话，则意味着，key比树中任何键值都大，那么此时，将最大节点旋转为根节点。
*/
private SplayTreeNode splay(SplayTreeNode tree, T key) {
if (tree == null)
return tree;
SplayTreeNode N = new SplayTreeNode();
SplayTreeNode l = N;
SplayTreeNode r = N;
SplayTreeNode c;
for (; ; ) {
int cmp = key.compareTo(tree.key);
if (cmp < 0) {
if (key.compareTo(tree.left.key) < 0) {
c = tree.left; /* rotate right */
tree.left = c.right;
c.right = tree;
tree = c;
if (tree.left == null)
break;
}
r.left = tree; /* link right */
r = tree;
tree = tree.left;
} else if (cmp > 0) {
if (tree.right == null)
break;
if (key.compareTo(tree.right.key) > 0) {
c = tree.right; /* rotate left */
tree.right = c.left;
c.left = tree;
tree = c;
if (tree.right == null)
break;
}
l.right = tree; /* link left */
l = tree;
tree = tree.right;
} else {
break;
}
}
l.right = tree.left; /* assemble */
r.left = tree.right;
tree.left = N.right;
tree.right = N.left;
return tree;
}
public void splay(T key) {
mRoot = splay(mRoot, key);
}
/**
* 将结点插入到伸展树中，并返回根节点
* @param tree 伸展树的根节点
* @param z 插入的结点
* @return
*/
private SplayTreeNode insert(SplayTreeNode tree, SplayTreeNode z) {
int cmp;
SplayTreeNode y = null;
SplayTreeNode x = tree;
// 查找z的插入位置
while (x != null) {
y = x;
cmp = z.key.compareTo(x.key);
if (cmp < 0)
x = x.left;
else if (cmp > 0)
x = x.right;
else {
System.out.printf("不允许插入相同节点(%d)!\n", z.key);
z = null;
return tree;
}
}
if (y == null)
tree = z;
else {
cmp = z.key.compareTo(y.key);
if (cmp < 0)
y.left = z;
else
y.right = z;
}
return tree;
}
public void insert(T key) {
SplayTreeNode z = new SplayTreeNode(key, null, null);
// 如果新建结点失败，则返回。
if ((z = new SplayTreeNode(key, null, null)) == null)
return;
// 插入节点
mRoot = insert(mRoot, z);
// 将节点(key)旋转为根节点
mRoot = splay(mRoot, key);
}
/*
* 删除结点(z)，并返回被删除的结点
*
* 参数说明：
* bst 伸展树
* z 删除的结点
*/
/**
*
* @param tree 伸展树
* @param key 删除的结点
* @return
*/
private SplayTreeNode remove(SplayTreeNode tree, T key) {
SplayTreeNode x;
if (tree == null)
return null;
// 查找键值为key的节点，找不到的话直接返回。
if (search(tree, key) == null)
return tree;
// 将key对应的节点旋转为根节点。
tree = splay(tree, key);
if (tree.left != null) {
// 将"tree的前驱节点"旋转为根节点
x = splay(tree.left, key);
// 移除tree节点
x.right = tree.right;
}
else
x = tree.right;
tree = null;
return x;
}
public void remove(T key) {
mRoot = remove(mRoot, key);
}
/*
* (递归实现)查找"伸展树x"中键值为key的节点
*/
private SplayTreeNode search(SplayTreeNode x, T key) {
if (x==null)
return x;
int cmp = key.compareTo(x.key);
if (cmp < 0)
return search(x.left, key);
else if (cmp > 0)
return search(x.right, key);
else
return x;
}
public SplayTreeNode search(T key) {
return search(mRoot, key);
}
/*
* 查找最小结点：返回tree为根结点的伸展树的最小结点。
*/
private SplayTreeNode minimum(SplayTreeNode tree) {
if (tree == null)
return null;
while(tree.left != null)
tree = tree.left;
return tree;
}
public T minimum() {
SplayTreeNode p = minimum(mRoot);
if (p != null)
return p.key;
return null;
}
/*
* 查找最大结点：返回tree为根结点的伸展树的最大结点。
*/
private SplayTreeNode maximum(SplayTreeNode tree) {
if (tree == null)
return null;
while(tree.right != null)
tree = tree.right;
return tree;
}
public T maximum() {
SplayTreeNode p = maximum(mRoot);
if (p != null)
return p.key;
return null;
}
}