《 C++ 修炼全景指南：十 》自平衡的艺术：深入了解 AVL 树的核心原理与实现
摘要
本文深入探讨了 AVL 树（自平衡二叉搜索树）的概念、特点以及实现细节。我们首先介绍了 AVL 树的基本原理，并详细分析了其四种旋转操作，包括左旋、右旋、左右双旋和右左双旋，阐述了它们在保持树平衡中的重要作用。接着，本文从头到尾详细描述了 AVL 树的插入、删除和查找操作，配合完整的代码实现和详尽的注释，使读者能够全面理解这些操作的执行过程。
此外，我们还提供了 AVL 树的遍历方法，包括中序、前序和后序遍历，帮助读者更好地掌握 AVL 树的结构和节点间关系。通过对 AVL 树的优缺点进行分析，本文揭示了其在不同应用场景中的适用性，为读者选择合适的数据结构提供了参考。通过对 AVL 树的全面解析，本文旨在为读者提供一个完整的学习路径，帮助他们掌握这一强大的数据结构。
1、引言
在计算机科学中，数据结构是程序设计的基石，而二叉搜索树 (BST) 则是最基本的树形数据结构之一。二叉搜索树提供了高效的查找、插入和删除操作，但在最坏情况下，这些操作的时间复杂度可能退化为线性。这种退化主要发生在 BST 呈现为链状结构时，例如在顺序插入数据时。因此，为了保证二叉搜索树的性能，出现了多种自平衡树，如红黑树、AVL树、B树等。
关于二叉搜索树的更多细节请见我的这篇博客：《 C++ 修炼全景指南：九 》打破编程瓶颈！掌握二叉搜索树的高效实现与技巧
在这些自平衡树中，AVL 树是最早被发明的一种。它由 Adelson-Velsky 和 Landis 于 1962 年提出，因其发明者名字的首字母缩写而得名。AVL 树在插入和删除节点后，通过旋转操作保持树的平衡，从而确保所有操作的时间复杂度始终维持在 O(logn) 。这一特性使得 AVL 树成为实现高效动态集合的一种重要选择。本文将深入探讨AVL树的结构、插入和删除操作的实现，以及其在实际应用中的优缺点。
本篇博客所涉及的所有代码均可从我的代码仓库获得：https://git.lenyiin.com/Lenyiin/AVLTree
2、AVL树概述
AVL 树是一种自平衡二叉搜索树，每个节点都存储一个平衡因子（Balance Factor，简称 BF），用于表示该节点的左子树和右子树的高度差。AVL 树的基本特性是，对于每个节点，要求其左子树和右子树的高度差至多为 1。因此，AVL 树的高度始终保持在 O(logn) ，从而保证查找、插入和删除操作的时间复杂度为 O(logn) 。
2.1、平衡因子
AVL 树中每个节点的平衡因子是该节点右子树的高度减去左子树的高度，即：
B F ( n o d e ) = h e i g h t ( r i g h t s u b t r e e ) − h e i g h t ( l e f t s u b t r e e ) BF(node)=height(right subtree)−height(left subtree) BF(node)=height(rightsubtree)−height(leftsubtree)
- 当平衡因子为 0 时，表示左子树和右子树高度相等。
- 当平衡因子为正数时，表示右子树比左子树高。
- 当平衡因子为负数时，表示左子树比右子树高。
AVL树通过限制每个节点的平衡因子在-1、0、1之间，确保树始终保持平衡状态。
2.2、旋转操作
为了保持AVL树的平衡，在插入或删除节点后，如果某个节点的平衡因子超出范围（即绝对值大于1），则需要进行旋转操作来恢复平衡。AVL树主要有四种旋转操作：
- 单右旋（LL型）：用于修复左子树的左子节点插入导致的不平衡。
- 单左旋（RR型）：用于修复右子树的右子节点插入导致的不平衡。
- 先左旋后右旋（LR型）：用于修复左子树的右子节点插入导致的不平衡。
- 先右旋后左旋（RL型）：用于修复右子树的左子节点插入导致的不平衡。
通过这些旋转操作，AVL树能够在插入和删除节点后迅速恢复平衡，从而保持其高效的操作性能。
2.3、AVL树的应用场景
AVL 树适用于需要频繁查找和插入操作的数据场景，并且对查询操作的效率要求较高。例如，数据库索引、内存中的有序集合、符号表等。虽然 AVL 树在插入和删除操作中需要更多的旋转操作来保持平衡，因此可能不如红黑树等自平衡树高效，但在需要严格平衡以保证查询效率的场景下，AVL 树仍然是一种理想的选择。
2.4、本文的结构
接下来，本文将详细阐述 AVL 树的节点结构、插入与删除操作的具体实现以及旋转操作的原理。随后，我们将对 AVL 树的优缺点进行分析，并探讨其在实际应用中的表现。通过对 AVL 树的全面分析，读者将能够深入理解这一数据结构，并在实际开发中灵活运用。
3、AVL 树的实现
3.1、AVL树节点结构
首先，我们需要定义一个基本的AVL树节点结构。该结构体将包含节点的键值对、左右子节点、父节点，以及用于维护树平衡的平衡因子。平衡因子表示节点右子树高度与左子树高度的差值。
template
struct AVLTreeNode
{
AVLTreeNode* _left; // 左子节点
AVLTreeNode* _right; // 右子节点
AVLTreeNode* _parent; // 父节点
int _bf; // 平衡因子 balance factor
std::pair _kv; // 键值对
// 构造函数
AVLTreeNode(const std::pair& kv)
: _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _bf(0), _kv(kv) {}
};
详细解释
_left：指向左子节点的指针。_right：指向右子节点的指针。_parent：指向父节点的指针，用于在平衡调整时便于向上回溯。_bf：平衡因子，用于判断树是否需要旋转。平衡因子为右子树高度减去左子树高度。_kv：存储节点的键值对。
接下来，我们将基于这个节点结构体，开始AVL树的实现。我们将逐步构建各个功能模块，包括插入、删除、平衡操作等。
3.2、插入操作
插入节点时，首先遵循二叉搜索树的规则进行节点的插入，然后通过调整平衡因子和旋转来维护树的平衡。
bool Insert(const std::pair& kv)
{
// 1. 先按搜索树的规则进行插入
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
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; // 如果相等, 表示已经有了, 不需要插入
}
}
// 找到位置
cur = new Node(kv);
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
// 2. 更新平衡因子
while (parent)
{
if (cur == parent->_right)
{
parent->_bf++; // 插在右边, 平衡因子++
}
else
{
parent->_bf--; // 插在左边, 平衡因子--
}
if (parent->_bf == 0)
{
// 说明 parent 所在的子树高度不变, 更新结束
break;
}
else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
{
// 说明 parent 所在子树的高度变了, 继续往上更新
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
{
// parent 所在的子树出现问题了, 需要旋转处理一下
// 1. 旋转前提是保持它依旧是搜索二叉树
// 2. 旋转成平衡树
if (parent->_bf == 2)
{
if (cur->_bf == 1)
{
// 左旋
RotateL(parent);
}
else if (cur->_bf == -1)
{
// 右左双旋
RotateRL(parent);
}
}
else if (parent->_bf == -2)
{
if (cur->_bf == -1)
{
// 右旋
RotateR(parent);
}
else if (cur->_bf == 1)
{
// 左右双旋
RotateLR(parent);
}
}
// 旋转完成后, parent 所在的树的高度恢复到了插入节点前的高度
// 如果是子树, 对上一层没有影响, 更新结束
break;
}
}
return true;
}
详细解释
-
Insert：插入节点的函数。它根据键值对的大小关系选择插入到左子树还是右子树。
-
_bf 的调整：如果插入在左子树，平衡因子减 1；如果插入在右子树，平衡因子加 1。
-
插入节点后，我们需要检查树是否仍然平衡。如果树失去平衡（平衡因子的绝对值大于1），就需要执行旋转操作来恢复平衡。
RotateL（右子树的右子节点插入）：左单旋RotateR（左子树的左子节点插入）：右单旋RotateRL（右子树的左子节点插入）：右左双旋。RotateLR（左子树的右子节点插入）：先左旋后右旋。
3.3、旋转操作
在 AVL 树中，保持树的平衡性是至关重要的，这主要通过四种旋转操作来实现：左旋、右旋、左-右双旋和右-左双旋。这些旋转操作用于修复因插入或删除节点导致的树不平衡，确保 AVL 树的高度维持在 O(logn) 。下面，我们详细描述这四种旋转方式。
3.3.1、左单旋
场景：当新节点插入到某个节点的右子树的右子节点时，可能导致该节点失衡。此时，需要进行单左旋操作来恢复平衡。
旋转过程：
- 假设不平衡节点为
A，其右子节点为B。 B的左子树BL将成为A的右子树。B成为新的子树根节点，而A成为B的左子节点。
示例图：
插入导致的结构：
A
\
B
\
C
单左旋后的结构：
B
/ \
A C
代码实现：
// 左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* ppNode = parent->_parent;
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
// 1. 原来 parent 是这棵树的根, 现在 subR 是根
if (parent == _root)
{
_root = subR;
subR->_parent = nullptr;
}
// 2. parent 为根的树只是整棵树中的子树, 改变链接关系, 那么 subR 要顶替他的位置
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
subR->_parent = ppNode;
}
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
解释：
subR指向A的右子节点B。B的左子树subRL被挂接到A的右子树。B成为新的根节点，A成为B的左子节点。
3.3.2、右单旋
场景：当新节点插入到某个节点的左子树的左子节点时，可能导致该节点失衡。此时，需要进行右单旋操作来恢复平衡。
旋转过程：
- 假设不平衡节点为
A，其左子节点为B。 B的右子树BR将成为A的左子树。B成为新的子树根节点，而A成为B的右子节点。
示例图：
插入导致的结构：
A
/
B
/
C
单右旋后的结构：
B
/ \
C A
代码实现
// 右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* ppNode = parent->_parent;
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
parent->_left = subLR;
if (subLR)
{
subLR->_parent = parent;
}
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
if (parent == _root)
{
_root = subL;
subL->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
parent->_bf = subL->_bf = 0;
}
详细解释：
parent是节点AsubL指向A的左子节点B。B的右子树subLR被挂接到A的左子树。B成为新的根节点，A成为B的右子节点。
3.3.3、左右双旋
场景：当新节点插入到某个节点的左子树的右子节点时，可能导致该节点失衡。此时，需要先对其左子树进行左旋，再对整个子树进行右旋来恢复平衡。
旋转过程：
- 左旋：对左子节点
B进行单左旋，使得B的右子节点C成为新的根节点。 - 右旋：对不平衡节点
A进行单右旋，使得C成为新的根节点。
示例图：
插入导致的结构：
A
/
B
\
C
左旋后的中间结构：
A
/
C
/
B
右旋后的最终结构：
C
/ \
B A
代码实现：
// 左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
int bf = subLR->_bf;
RotateL(subL);
RotateR(parent);
if (bf == 1)
{
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
subLR->_bf = 0;
}
else if (bf == -1)
{
parent->_bf = 1;
subL->_bf = 0;
subLR->_bf = 0;
}
else if (bf == 0)
{
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
subLR->_bf = 0;
}
}
解释：
- 首先对
A的左子节点B进行单左旋，使得C成为新的子树根节点。 - 然后对不平衡节点
A进行单右旋，使得C成为新的根节点。
3.3.4、右左双旋
场景：当新节点插入到某个节点的右子树的左子节点时，可能导致该节点失衡。此时，需要先对其右子树进行右旋，再对整个子树进行左旋来恢复平衡。
旋转过程：
- 右旋：对右子节点
B进行单右旋，使得B的左子节点C成为新的根节点。 - 左旋：对不平衡节点
A进行单左旋，使得C成为新的根节点。
示例图：
插入导致的结构：
A
\
B
/
C
右旋后的中间结构：
A
\
C
\
B
左旋后的最终结构：
C
/ \
A B
代码实现：
// 右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
int bf = subRL->_bf;
RotateR(parent->_right);
RotateL(parent);
if (bf == -1)
{
parent->_bf = 0;
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
}
else if (bf == 1)
{
parent->_bf = -1;
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
}
else if (bf == 0)
{
parent->_bf = 0;
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
}
}
解释：
- 首先对
A的右子节点B进行单右旋，使得C成为新的子树根节点。 - 然后对不平衡节点
A进行单左旋，使得C成为新的根节点。
3.3.5、旋转操作总结
通过这四种旋转操作，AVL 树能够在插入或删除节点后迅速恢复平衡。无论是单旋转还是双旋转，这些操作的时间复杂度都为 O(1) ，因为它们只涉及常数级别的节点重新链接。这使得 AVL 树在保持自平衡状态的同时，能够保证所有基本操作的时间复杂度为 O(logn) 。
3.4、删除操作
在 AVL 树中，节点的删除操作相对复杂，因为删除节点后不仅要移除目标节点，还需要重新平衡树，以保持 AVL 树的平衡性质。AVL 树的删除操作可以分为以下几个步骤：
- 找到并删除节点：和普通的二叉搜索树
（BST）删除操作类似。 - 调整平衡因子：从删除的节点开始，沿着路径向上调整每个节点的平衡因子。
- 执行旋转操作：在调整平衡因子的过程中，如果发现某个节点失衡（平衡因子的绝对值大于1），需要进行相应的旋转操作来恢复平衡。
我们将按照这三个步骤详细解释AVL树中节点的删除操作。
3.4.1、找到并删除节点
首先，我们需要在AVL树中找到要删除的节点，并按照 BST 的删除规则将其删除。BST中的删除操作有以下几种情况：
- 节点是叶子节点：直接删除该节点即可。
- 节点有一个子节点：用其唯一的子节点替换它。
- 节点有两个子节点：找到该节点的中序后继节点，用后继节点的值替换该节点的值，然后删除后继节点。
3.4.2、调整平衡因子
在删除节点后，需要调整其祖先节点的平衡因子。沿着从删除节点到根节点的路径进行调整，规则如下：
- 如果删除的是左子树的节点，则父节点的平衡因子增加1。
- 如果删除的是右子树的节点，则父节点的平衡因子减少1。
在调整平衡因子的过程中，如果某个节点的平衡因子的绝对值超过1，就需要通过旋转来恢复平衡。
3.4.3、执行旋转操作
在删除节点并调整平衡因子后，如果发现某个节点失衡，则需要根据不同的失衡情况进行旋转操作。
3.4.4、总结
删除操作是AVL树中较为复杂的一部分。需要仔细处理删除节点的不同情况，及时更新平衡因子，并在必要时进行旋转操作以保持树的平衡。每个步骤都需要在 O(logn) 的时间内完成，确保 AVL 树的效率。通过精心设计的平衡调整机制，AVL 树在删除操作后能够快速恢复平衡，保持所有操作的时间复杂度为 O(logn) 。
3.5、遍历操作
在 AVL 树中，遍历是一项基础操作，用于访问树中的每个节点。AVL 树继承了二叉搜索树（BST）的性质，因此可以使用与 BST 相同的遍历方法，包括前序遍历（Pre-order Traversal）、中序遍历（In-order Traversal）、后序遍历（Post-order Traversal）、层序遍历（Level-order Traversal）等。下面将详细介绍这些遍历方法，并给出相应的代码实现。
3.5.1、前序遍历（Pre-order Traversal）
前序遍历的顺序是：先访问根节点，再访问左子树，最后访问右子树。其遍历顺序为 “根 -> 左 -> 右”。
前序遍历的递归实现：
// 前序遍历的递归实现
// 辅助函数
void _PreOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl; // 访问根节点
_PreOrder(root->_left); // 访问左子树
_PreOrder(root->_right); // 访问右子树
}
void PreOrder()
{
_PreOrder(_root);
std::cout << std::endl;
}
前序遍历的非递归实现（使用栈）：
// 前序遍历的非递归实现
void PreOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::stack stack;
stack.push(_root);
while (!stack.empty()) {
Node* cur = stack.top();
stack.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl; // 访问当前节点
// 先压入右子树再压入左子树（确保左子树先处理）
if (cur->_right != nullptr)
{
stack.push(cur->_right);
}
if (cur->_left != nullptr) {
stack.push(cur->_left);
}
}
std::cout << std::endl;
}
3.5.2、中序遍历（In-order Traversal）
中序遍历的顺序是：先访问左子树，再访问根节点，最后访问右子树。其遍历顺序为 “左 -> 根 -> 右”。对于 AVL 树，中序遍历会得到一个按序排列的节点序列。
中序遍历的递归实现：
// 中序遍历
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
_InOrder(root->_left);
std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl;
_InOrder(root->_right);
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
std::cout << std::endl;
}
中序遍历的非递归实现（使用栈）：
// 中序遍历 非递归
void InOrder()
{
std::stack stack;
Node* cur = _root;
while (cur != nullptr || !stack.empty()) {
// 找到最左边的节点
while (cur != nullptr) {
stack.push(cur);
cur = cur->_left;
}
// 处理当前节点
cur = stack.top();
stack.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl;
// 转向右子树
cur = cur->_right;
}
std::cout << std::endl;
}
3.5.3、后序遍历（Post-order Traversal）
后序遍历的顺序是：先访问左子树，再访问右子树，最后访问根节点。其遍历顺序为 “左 -> 右 -> 根”。
后序遍历的递归实现：
// 后序遍历的递归实现
// 辅助函数
void _PostOrder(Node* root) {
if (root == nullptr)
{
return;
}
_PostOrder(root->_left); // 访问左子树
_PostOrder(root->_right); // 访问右子树
std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl; // 访问根节点
}
void PostOrder()
{
_PostOrder(_root);
std::cout << std::endl;
}
后序遍历的非递归实现（使用栈）：
// 后序遍历的非递归实现
void PostOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::stack st;
Node* cur = _root;
Node* lastNode = nullptr; // 最近访问的节点
while (cur || !st.empty())
{
while (cur)
{
st.push(cur);
cur = cur->_left;
}
Node* top = st.top();
if ((top->_right == nullptr) || (lastNode == top->_right))
{
std::cout << top->_kv.first << ":" << top->_kv.second << std::endl;
lastNode = top;
st.pop();
}
else {
cur = top->_right;
}
}
std::cout << std::endl;
}
3.5.4、层序遍历（Level-order Traversal）
层序遍历是按层次逐层访问节点，先访问根节点，再访问其左右子节点，依次类推。可以使用队列来实现。
层序遍历的实现：
// 层序遍历
void LevelOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::queue queue;
queue.push(_root);
while (!queue.empty())
{
Node* cur = queue.front();
queue.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl; // 访问当前节点
if (cur->_left != nullptr) {
queue.push(cur->_left); // 将左子树压入队列
}
if (cur->_right != nullptr) {
queue.push(cur->_right); // 将右子树压入队列
}
}
std::cout << std::endl;
}
3.5.5、总结
AVL 树的遍历方法与普通二叉搜索树类似，包括前序遍历、中序遍历、后序遍历和层序遍历。通过递归或非递归方式，我们可以访问 AVL 树的所有节点，并按照特定的顺序输出它们的键值。中**序遍历是最常用的遍历方法之一，特别是在需要输出一个有序序列时。层序遍历则常用于按层次输出或分析树的结构。**每种遍历方法都有其独特的应用场景，在编写和理解 AVL 树的相关算法时，选择合适的遍历方式十分重要。
3.6、查找操作
在AVL树中，查找操作主要依赖于树的有序性，即对于任意一个节点，左子树的所有节点都小于该节点，右子树的所有节点都大于该节点。查找过程从根节点开始，逐层向下比较查找值与当前节点的值，并根据比较结果选择进入左子树或右子树。
3.6.1、查找操作的步骤
- 从根节点开始：从AVL树的根节点开始查找。
- 比较当前节点的键值：
- 如果查找的键等于当前节点的键，查找成功，返回当前节点。
- 如果查找的键小于当前节点的键，进入左子树继续查找。
- 如果查找的键大于当前节点的键，进入右子树继续查找。
- 递归或迭代：重复上述步骤，直到找到匹配的节点或者子树为空（查找失败）。
- 返回结果：找到目标节点则返回，否则返回
nullptr（表示查找失败）。
3.6.2、查找的递归实现
递归实现相对简单，直接通过函数递归调用在树中查找目标节点。
// 查找的递归实现
// 辅助函数
Node* _find(Node* root, const K& key)
{
if (root == nullptr || root->_kv.first == key)
{
return root;
}
if (key < root->_kv.first)
{
return _find(root->_left, key);
}
else
{
return _find(root->_right, key);
}
}
3.6.3、查找的非递归实现
非递归实现使用迭代方式，避免了递归调用带来的额外栈空间开销。
// 查找 非递归
Node* Find(const K& key)
{
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_kv.first > key)
{
cur = cur->_left;
}
else if (cur->_kv.first < key)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
return cur;
}
}
return nullptr;
}
4、AVL 树的其他功能
除了基本的插入、查找、删除等操作，AVL 树还可以实现一些高级操作，如查找前驱和后继、区间查询、树的高度、判断是否是平衡二叉树等。这些操作可以扩展 AVL 树的功能，增加其实用性。
4.1、查找后继节点
前驱是指比某个节点值小的最大节点，后继则是比某个节点值大的最小节点。在 AVL 树中，查找前驱和后继是常见的操作，尤其在区间查询或范围搜索时非常有用。
查找后继的递归实现：
// 查找后继节点
Node* findMin(Node* node)
{
while (node->_left != nullptr)
{
node = node->_left;
}
return node;
}
Node* FindSuccessor(Node* node)
{
if (node->_right != nullptr)
{
return findMin(node->_right);
}
Node* cur = _root;
Node* successor = nullptr;
while (cur != nullptr)
{
if (node->_kv.first < cur->_kv.first)
{
successor = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (node->_kv.first > cur->_kv.first)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
break;
}
}
return successor;
}
查找后继时，如果节点有右子树，则后继为右子树中最小的节点；否则，后继为第一个大于该节点的祖先节点。
4.2、查找前驱节点
查找前驱的递归实现：
// 查找前驱节点
Node* findMax(Node* node)
{
while (node->_right != nullptr)
{
node = node->_right;
}
return node;
}
Node* FindPredecessor(Node* node)
{
if (node->_left != nullptr)
{
return findMax(node->_left);
}
Node* cur = _root;
Node* predecessor = nullptr;
while (cur != nullptr)
{
if (node->_kv.first < cur->_kv.first)
{
cur = cur->_left;
}
else if (node->_kv.first > cur->_kv.first)
{
predecessor = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
break;
}
}
return predecessor;
}
前驱的查找逻辑与后继类似，只是方向相反。
4.3、获取树的高度
// 获取树的高度
int Height(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
int leftHeight = Height(root->_left);
int rightHeight = Height(root->_right);
return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
}
4.4、判断是否是平衡二叉树
// 判断是否是平衡二叉树
bool _IsBalance(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return true;
}
int leftHeight = Height(root->_left);
int rightHeight = Height(root->_right);
if (abs(leftHeight - rightHeight) > 1)
{
return false;
}
return _IsBalance(root->_left) && _IsBalance(root->_right);
}
bool IsBalance()
{
return _IsBalance(_root);
}
5、完整实现代码和测试
5.1、AVLTree.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
namespace Lenyiin
{
template
struct AVLTreeNode
{
AVLTreeNode* _left;
AVLTreeNode* _right;
AVLTreeNode* _parent;
int _bf; // balance factor 平衡因子
std::pair _kv; // key-value
// 普通构造
AVLTreeNode(const std::pair &kv)
: _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _bf(0), _kv(kv)
{}
};
template
class AVLTree
{
private:
typedef AVLTreeNode Node;
public:
bool Insert(const std::pair& kv)
{
// 1. 先按搜索树的规则进行插入
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
return true;
}
Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
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; // 如果相等, 表示已经有了, 不需要插入
}
}
// 找到位置
cur = new Node(kv);
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
// 2. 更新平衡因子
while (parent)
{
if (cur == parent->_right)
{
parent->_bf++; // 插在右边, 平衡因子++
}
else
{
parent->_bf--; // 插在左边, 平衡因子--
}
if (parent->_bf == 0)
{
// 说明 parent 所在的子树高度不变, 更新结束
break;
}
else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1)
{
// 说明 parent 所在子树的高度变了, 继续往上更新
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2)
{
// parent 所在的子树出现问题了, 需要旋转处理一下
// 1. 旋转前提是保持它依旧是搜索二叉树
// 2. 旋转成平衡树
if (parent->_bf == 2)
{
if (cur->_bf == 1)
{
// 左旋
RotateL(parent);
}
else if (cur->_bf == -1)
{
// 右左双旋
RotateRL(parent);
}
}
else if (parent->_bf == -2)
{
if (cur->_bf == -1)
{
// 右旋
RotateR(parent);
}
else if (cur->_bf == 1)
{
// 左右双旋
RotateLR(parent);
}
}
// 旋转完成后, parent 所在的树的高度恢复到了插入节点前的高度
// 如果是子树, 对上一层没有影响, 更新结束
break;
}
}
return true;
}
// 左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* ppNode = parent->_parent;
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
parent->_right = subRL;
if (subRL)
{
subRL->_parent = parent;
}
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
// 1. 原来 parent 是这棵树的根, 现在 subR 是根
if (parent == _root)
{
_root = subR;
subR->_parent = nullptr;
}
// 2. parent 为根的树只是整棵树中的子树, 改变链接关系, 那么 subR 要顶替他的位置
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subR;
}
else
{
ppNode->_right = subR;
}
subR->_parent = ppNode;
}
parent->_bf = subR->_bf = 0;
}
// 右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* ppNode = parent->_parent;
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
parent->_left = subLR;
if (subLR)
{
subLR->_parent = parent;
}
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
if (parent == _root)
{
_root = subL;
subL->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = subL;
}
else
{
ppNode->_right = subL;
}
subL->_parent = ppNode;
}
parent->_bf = subL->_bf = 0;
}
// 右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
int bf = subRL->_bf;
RotateR(parent->_right);
RotateL(parent);
if (bf == -1)
{
parent->_bf = 0;
subR->_bf = 1;
subRL->_bf = 0;
}
else if (bf == 1)
{
parent->_bf = -1;
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
}
else if (bf == 0)
{
parent->_bf = 0;
subR->_bf = 0;
subRL->_bf = 0;
}
}
// 左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
int bf = subLR->_bf;
RotateL(subL);
RotateR(parent);
if (bf == 1)
{
parent->_bf = 0;
subL->_bf = -1;
subLR->_bf = 0;
}
else if (bf == -1)
{
parent->_bf = 1;
subL->_bf = 0;
subLR->_bf = 0;
}
else if (bf == 0)
{
parent->_bf = 0;
subL->_bf = 0;
subLR->_bf = 0;
}
}
// 中序遍历
//void _InOrder(Node* root)
//{
// if (root == nullptr)
// {
// return;
// }
// _InOrder(root->_left);
// std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl;
// _InOrder(root->_right);
//}
//void InOrder()
//{
// _InOrder(_root);
// std::cout << std::endl;
//}
// 中序遍历 非递归
void InOrder()
{
std::stack stack;
Node* cur = _root;
while (cur != nullptr || !stack.empty()) {
// 找到最左边的节点
while (cur != nullptr) {
stack.push(cur);
cur = cur->_left;
}
// 处理当前节点
cur = stack.top();
stack.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl;
// 转向右子树
cur = cur->_right;
}
std::cout << std::endl;
}
// 前序遍历的递归实现
// 辅助函数
//void _PreOrder(Node* root)
//{
// if (root == nullptr)
// {
// return;
// }
// std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl; // 访问根节点
// _PreOrder(root->_left); // 访问左子树
// _PreOrder(root->_right); // 访问右子树
//}
//void PreOrder()
//{
// _PreOrder(_root);
// std::cout << std::endl;
//}
// 前序遍历的非递归实现
void PreOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::stack stack;
stack.push(_root);
while (!stack.empty()) {
Node* cur = stack.top();
stack.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl; // 访问当前节点
// 先压入右子树再压入左子树（确保左子树先处理）
if (cur->_right != nullptr)
{
stack.push(cur->_right);
}
if (cur->_left != nullptr) {
stack.push(cur->_left);
}
}
std::cout << std::endl;
}
// 后序遍历的递归实现
// 辅助函数
//void _PostOrder(Node* root) {
// if (root == nullptr)
// {
// return;
// }
// _PostOrder(root->_left); // 访问左子树
// _PostOrder(root->_right); // 访问右子树
// std::cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << std::endl; // 访问根节点
//}
//void PostOrder()
//{
// _PostOrder(_root);
// std::cout << std::endl;
//}
// 后序遍历的非递归实现
void PostOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::stack st;
Node* cur = _root;
Node* lastNode = nullptr; // 最近访问的节点
while (cur || !st.empty())
{
while (cur)
{
st.push(cur);
cur = cur->_left;
}
Node* top = st.top();
if ((top->_right == nullptr) || (lastNode == top->_right))
{
std::cout << top->_kv.first << ":" << top->_kv.second << std::endl;
lastNode = top;
st.pop();
}
else {
cur = top->_right;
}
}
std::cout << std::endl;
}
// 层序遍历
void LevelOrder()
{
if (_root == nullptr)
{
return;
}
std::queue queue;
queue.push(_root);
while (!queue.empty())
{
Node* cur = queue.front();
queue.pop();
std::cout << cur->_kv.first << ":" << cur->_kv.second << std::endl; // 访问当前节点
if (cur->_left != nullptr) {
queue.push(cur->_left); // 将左子树压入队列
}
if (cur->_right != nullptr) {
queue.push(cur->_right); // 将右子树压入队列
}
}
std::cout << std::endl;
}
// 查找后继节点
Node* findMin(Node* node)
{
while (node->_left != nullptr)
{
node = node->_left;
}
return node;
}
Node* FindSuccessor(Node* node)
{
if (node->_right != nullptr)
{
return findMin(node->_right);
}
Node* cur = _root;
Node* successor = nullptr;
while (cur != nullptr)
{
if (node->_kv.first < cur->_kv.first)
{
successor = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (node->_kv.first > cur->_kv.first)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
break;
}
}
return successor;
}
// 查找前驱节点
Node* findMax(Node* node)
{
while (node->_right != nullptr)
{
node = node->_right;
}
return node;
}
Node* FindPredecessor(Node* node)
{
if (node->_left != nullptr)
{
return findMax(node->_left);
}
Node* cur = _root;
Node* predecessor = nullptr;
while (cur != nullptr)
{
if (node->_kv.first < cur->_kv.first)
{
cur = cur->_left;
}
else if (node->_kv.first > cur->_kv.first)
{
predecessor = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
break;
}
}
return predecessor;
}
// 获取树的高度
int Height(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return 0;
}
int leftHeight = Height(root->_left);
int rightHeight = Height(root->_right);
return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
}
// 判断是否是平衡二叉树
bool _IsBalance(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return true;
}
int leftHeight = Height(root->_left);
int rightHeight = Height(root->_right);
if (abs(leftHeight - rightHeight) > 1)
{
return false;
}
return _IsBalance(root->_left) && _IsBalance(root->_right);
}
bool IsBalance()
{
return _IsBalance(_root);
}
// 查找 非递归
//Node* Find(const K& key)
//{
// Node* cur = _root;
// while (cur)
// {
// if (cur->_kv.first > key)
// {
// cur = cur->_left;
// }
// else if (cur->_kv.first < key)
// {
// cur = cur->_right;
// }
// else
// {
// return cur;
// }
// }
// return nullptr;
//}
// 查找的递归实现
// 辅助函数
Node* _find(Node* root, const K& key)
{
if (root == nullptr || root->_kv.first == key)
{
return root;
}
if (key < root->_kv.first)
{
return _find(root->_left, key);
}
else
{
return _find(root->_right, key);
}
}
// 查找节点
Node* Find(const K& key)
{
return _find(_root, key);
}
private:
Node* _root = nullptr;
};
}
5.2、AVLTree.cpp
#include "AVLTree.hpp"
using namespace Lenyiin;
void test_AVLTree()
{
//int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
int a[] = {4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14};
AVLTree t;
for (const auto& e : a)
{
t.Insert(std::make_pair(e, e));
}
t.InOrder();
t.PreOrder();
t.PostOrder();
t.LevelOrder();
std::cout << t.IsBalance() << std::endl;
auto ret = t.Find(6);
if (ret == nullptr)
{
std::cout << "没有找到" << std::endl;
}
else
{
std::cout << "找到了" << std::endl;
std::cout << ret->_kv.first << ":" << ret->_kv.second << std::endl;
}
auto pre = t.FindPredecessor(ret);
if (pre != nullptr)
{
std::cout << ret->_kv.first << " 的前驱节点是: " << pre->_kv.first << std::endl;
}
else
{
std::cout << "前驱节点为空" << std::endl;
}
auto suc = t.FindSuccessor(ret);
if (suc != nullptr)
{
std::cout << ret->_kv.first << " 的后继节点是: " << suc->_kv.first << std::endl;
}
else
{
std::cout << "后继节点为空" << std::endl;
}
}
int main()
{
test_AVLTree();
return 0;
}
6、AVL树的优缺点和总结
6.1、优点
- 平衡性保证：
AVL树是自平衡二叉搜索树，它严格保持了树的平衡状态。每个节点的左右子树高度差（平衡因子）最多为 1，因此在最坏情况下，AVL树的高度被限制在O(logn)级别。这保证了查找、插入、删除操作的时间复杂度始终为O(logn)，使其在各种场景中表现出较高的效率。 - 快速查找：由于
AVL树保持了较高的平衡性，查找操作的性能得到了优化。相比于未平衡的二叉搜索树，AVL树在查找操作中能够更快地找到目标节点。 - 稳定的性能：
AVL树的平衡性维护使得其在最坏情况下（例如频繁的插入和删除操作）也能提供稳定的性能。无论数据插入的顺序如何，AVL树都能保持平衡，避免出现链表化的情况。 - 较好的空间利用率：
AVL树在保持平衡的同时，并不需要额外的节点空间，除了存储平衡因子。相比红黑树等其他自平衡树，AVL树的平衡性更严格，查找性能更好。
6.2、缺点
- 插入和删除的复杂性：
AVL树在插入和删除节点时，需要进行旋转操作以保持树的平衡。每次插入或删除操作都可能导致树的不平衡，从而触发重新平衡过程。虽然旋转操作的时间复杂度为O(1)，但在频繁的插入和删除场景中，这些旋转操作可能增加整体的处理时间。 - 实现复杂性：
AVL树的实现相对较复杂，尤其是插入和删除操作。与红黑树相比，AVL树需要更多的旋转操作来维持平衡，这使得其代码编写和维护的难度较大。 - 额外的存储空间：为了维护平衡性，
AVL树的每个节点需要额外存储平衡因子(balance factor)，这增加了节点的内存开销。虽然这一开销较小，但对于内存非常敏感的系统，可能会有一定的影响。 - 性能折衷：尽管
AVL树在查找操作中表现优异，但其插入和删除操作的性能可能会受到影响。在一些场景中，如需要频繁插入和删除的情况下，红黑树可能比AVL树更具优势，因为红黑树的旋转操作次数通常比AVL树少。
6.3、总结
AVL 树是一种自平衡的二叉搜索树，它通过在每次插入和删除节点时自动调整自身结构，确保树的高度始终保持在 O(logn) 级别，从而提供高效的查找、插入和删除操作。AVL 树的核心优势在于其严格的平衡性，这使得它在查找操作中具有较高的性能，并且在最坏情况下也能保持较优的时间复杂度。
然而，这种严格的平衡性也带来了更高的实现复杂性和插入、删除操作的额外开销。在需要频繁插入和删除的应用场景中，AVL 树的性能可能不如红黑树等其他自平衡树。此外，AVL 树的每个节点需要额外存储平衡因子，略微增加了内存开销。
尽管如此，AVL 树在追求高效查找操作的场景中仍然是一个非常实用的数据结构。它适用于需要快速数据访问、并且插入和删除操作相对较少的场景，如字典、集合等。在实际应用中，应根据具体的需求和场景，综合考虑选择适合的自平衡二叉树结构。
通过本博客对 AVL 树的全面阐述，希望能够帮助读者更好地理解和运用 AVL 树，并在实际开发中合理选择和实现这一数据结构。
希望这篇博客对您有所帮助，也欢迎您在此基础上进行更多的探索和改进。如果您有任何问题或建议，欢迎在评论区留言，我们可以共同探讨和学习。更多知识分享可以访问我的个人博客网站 ： https://blog.lenyiin.com/ 。本博客所设计的代码也可以访问我的 git 仓库获取 ：https://git.lenyiin.com/Lenyiin/AVLTree