伸展树--Java实现

          前言

                        前面的学习中,笔者就二叉树、二叉查找树、平衡二叉树进行了一些总结。此篇文章主要

                讨论伸展树。我们知道的是在二叉查找树上的基本操作(查找、插入)的时间复杂读与树的高度

                成正比的关系。对于一个含有N个结点的二叉查找树来说,这些操作的最坏运行情况为OlogN)。

                但是我们这知道在极端的情况下,会导致树退化为一个单支树,这导致了操作时间为O(N)。

                       为了克服上面的情况,出现了一些二叉查找树的变形,例如上篇文章的AVL树。以及接下来

                要讨论的伸展树。

         伸展树定义

                      伸展树是基于二叉查找树的,它不保证树一直是平衡的,但是各种操作的平均复杂读是

               O(logN) 。

                      伸展树的设计是具体考虑到了局部性原理 (刚被访问的内容下次可能还被访问,查找次数

               多的内容可能下次还被访问),为了使整个的查询时间更小,查询频率高的那些结点应当处于

              靠近树根的位置。

                      这样,一个比较好的解决方案就是:每次查找就结点之后对树进行重新构造。把查找的结

             点搬移到树根的位置,以这种方式自调整形式的二叉查找树就是伸展树。

          旋转操作

                     搞清楚了伸展树的定义,那么我们来看看是如何实现结点的搬移操作的,和AVL树一样同样

              是通过旋转来操作的。具体如何旋转,我们分三种情况。单旋转、一字旋转和之字旋转。

              这里我们假定访问的结点为A

            单旋转

                    对于单旋转操作,我们先看一个实例,之后对其略做分析。

                            伸展树--Java实现_第1张图片

                   此时,访问的结点A的父结点B是根结点,如果A是B的左孩子,我们对A、B直接进行一次

             右旋转操作,同理如果结点A是B的右孩子则进行一次左旋转。具体操作就不给实例图了。

             一字型旋转(左左、右右)

                      同样的我们先看一个实例操作图:

                             伸展树--Java实现_第2张图片

                  此时访问的是根结点,它是其父结点的左子树、且其父结点同时是也是左子树的情况下

            我们需要进行右、右旋转来达到目地。至于A、B都是右子树的情况就不演示了,其操作为

            左、左旋转。

              之字旋转

                     话不多说,我们首先看一个实际操作。

                伸展树--Java实现_第3张图片

                     可以看出的是此时的情况与2有些相似,只是A、B所与的左右不一致了,对于其操作也不

              详述了,图中的操作情况以给出。

            伸展树实现(源码)     

package com.kiritor;

/**伸展树
 * @author Kiritor*/
public class SplayTree {

	static class BinaryNode {
		// Constructors
		BinaryNode(Comparable theElement) {
			this(theElement, null, null);
		}

		BinaryNode(Comparable theElement, BinaryNode lt, BinaryNode rt) {
			element = theElement;
			left = lt;
			right = rt;
		}
		Comparable element;
		BinaryNode left; 
		BinaryNode right;
	}

	private BinaryNode root;
	private static BinaryNode nullNode;
	static 
	{
		nullNode = new BinaryNode(null);
		nullNode.left = nullNode.right = nullNode;
	}

	private static BinaryNode newNode = null; //用于插入的操作
	private static BinaryNode header = new BinaryNode(null);//用于调整操作 
	
	public SplayTree() {
		root = nullNode;
	}
	public void insert(Comparable x) {
		if (newNode == null)
			newNode = new BinaryNode(x);//新建一个结点
		//根结点为空则新建的结点作为根结点
		if (root == nullNode) {
			newNode.left = newNode.right = nullNode;
			root = newNode;
		} else {
			root = splay(x, root);//调整
			if (x.compareTo(root.element) < 0) {
				newNode.left = root.left;
				newNode.right = root;
				root.left = nullNode;
				root = newNode;
			} else if (x.compareTo(root.element) > 0) {
				newNode.right = root.right;
				newNode.left = root;
				root.right = nullNode;
				root = newNode;
			} else
				return;
		}
		newNode = null; 
	}

	public void remove(Comparable x) {
		BinaryNode newTree;
		root = splay(x, root);
		if (root.element.compareTo(x) != 0)
			return; // Item not found; do nothing
		if (root.left == nullNode)
			newTree = root.right;
		else {
			newTree = root.left;
			newTree = splay(x, newTree);
			newTree.right = root.right;
		}
		root = newTree;
	}
	public Comparable findMin() {
		if (isEmpty())
			return null;
		BinaryNode ptr = root;
		while (ptr.left != nullNode)
			ptr = ptr.left;
		root = splay(ptr.element, root);
		return ptr.element;
	}

	public Comparable findMax() {
		if (isEmpty())
			return null;
		BinaryNode ptr = root;
		while (ptr.right != nullNode)
			ptr = ptr.right;
		root = splay(ptr.element, root);
		return ptr.element;
	}
	public Comparable find(Comparable x) {
		root = splay(x, root);
		if (root.element.compareTo(x) != 0)
			return null;
		return root.element;
	}
	public void makeEmpty() {
		root = nullNode;
	}

	public boolean isEmpty() {
		return root == nullNode;
	}
	public void printTree() {
		if (isEmpty())
			System.out.print("Empty tree  ");
		else
			printTree(root);
	}

	private BinaryNode splay(Comparable x, BinaryNode t) {
		BinaryNode leftTreeMax, rightTreeMin;
		header.left = header.right = nullNode;
		leftTreeMax = rightTreeMin = header;
		nullNode.element = x; 
		for (;;)
			if (x.compareTo(t.element) < 0) {
				if (x.compareTo(t.left.element) < 0)
					t = rotateWithLeftChild(t);
				if (t.left == nullNode)
					break;
				rightTreeMin.left = t;
				rightTreeMin = t;
				t = t.left;
			} else if (x.compareTo(t.element) > 0) {
				if (x.compareTo(t.right.element) > 0)
					t = rotateWithRightChild(t);
				if (t.right == nullNode)
					break;
				// Link Left
				leftTreeMax.right = t;
				leftTreeMax = t;
				t = t.right;
			} else
				break;

		leftTreeMax.right = t.left;
		rightTreeMin.left = t.right;
		t.left = header.right;
		t.right = header.left;
		return t;
	}

	
	static BinaryNode rotateWithLeftChild(BinaryNode k2) {
		BinaryNode k1 = k2.left;
		k2.left = k1.right;
		k1.right = k2;
		return k1;
	}

	
	static BinaryNode rotateWithRightChild(BinaryNode k1) {
		BinaryNode k2 = k1.right;
		k1.right = k2.left;
		k2.left = k1;
		return k2;
	}

	private void printTree(BinaryNode t) {
		if (t != t.left) {
			printTree(t.left);
			System.out.print(t.element.toString()+"  ");
			printTree(t.right);
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		SplayTree tree = new SplayTree();
		tree.insert(12);
		tree.insert(8);
		tree.insert(2);
		tree.insert(4);
		tree.insert(14);
		tree.insert(16);
		tree.insert(6);
		tree.insert(1);
		tree.insert(11);
		tree.remove(8); 
		System.out.println("被查找的节点:" + tree.find(11));
		System.out.println("此时的根:" + tree.root.element);
		System.out.println("被查找的节点:" + tree.find(12));
		System.out.println("此时的根:" + tree.root.element);
		System.out.println("被查找的节点:" + tree.find(11));
		System.out.println("此时的根:" + tree.root.element);
		System.out.println("伸展树值情况:");
		tree.printTree(); 

	}
}

               运行情况为:

                                伸展树--Java实现_第4张图片

              

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