數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--AVL樹(shù)(平衡二叉樹(shù))

AVL樹(shù)

  • 最早的自平衡的搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)
  • 對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn),左子樹(shù)和右子樹(shù)的高度差不能超過(guò)一。


  • 滿二叉樹(shù)(除了葉子節(jié)點(diǎn)之外,其他節(jié)點(diǎn)都有左右倆個(gè)子樹(shù))是平衡二叉樹(shù)。
  • 完全二叉樹(shù)(可能有一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)的右子樹(shù)是空,空缺的節(jié)點(diǎn)部分在整棵樹(shù)的右下部分,整顆樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)最大的深度值和最小的深度值相差不超過(guò)一,所有的葉子節(jié)點(diǎn)要么在樹(shù)的最后一層,要么在樹(shù)的倒數(shù)第二層)是平衡二叉樹(shù)。
  • 線段樹(shù)(空出來(lái)的部分不一定在整棵樹(shù)的右下角部分,整顆樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)最大的深度值和最小的深度值相差不超過(guò)一)是平衡二叉樹(shù)。

平衡因子

二叉樹(shù)上節(jié)點(diǎn)的左子樹(shù)深度減去右子樹(shù)深度的值稱為平衡因子,那么平衡二叉樹(shù)上所有節(jié)點(diǎn)的平衡因子只可能是-1,0,1。只要二叉樹(shù)上的有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡因子的絕對(duì)值大于1,則該二叉樹(shù)就是不平衡的。

代碼示例

創(chuàng)建平衡二叉樹(shù)

public class AVLTree <K extends Comparable<K>, V> {
    private class Node{
        public K key;
        public V value;
        public Node left, right;
        public int height; //記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處的高度值
        public Node(K key, V value){
            this.key = key;
            this.value = value;
            left = null;
            right = null;
            height = 1;
        }
    }

    private Node root;
    private int size;

    public AVLTree(){
        root = null;
        size = 0;
    }

    public int getSize() {
        return size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private Node getNode(Node node, K key){
        if (node == null)
            return  null;
        if (key.compareTo(node.key) == 0)
            return node;
        else if (key.compareTo(node.key) < 0)
            return getNode(node.left, key);
        else
            return getNode(node.right, key);
    }

    public boolean contains(K key) {
        return getNode(root, key) != null;
    }


    public V get(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        return node == null? null : node.value;
    }


    public void set(K key, V newValue) {
        Node node = getNode(root, key);
        if (node == null)
            throw new IllegalArgumentException(key + "doesn`t exist");
        node.value = newValue;
    }
}

獲取高度

    //獲得節(jié)點(diǎn)node的高度
    private int getHeight(Node node) {
        if (node == null)
            return 0;
        return node.height;
    }

獲取平衡因子

    //獲取節(jié)點(diǎn)node的平衡因子
    private int getBalanceFactor(Node node) {
        if (node == null)
            return 0;
        return getHeight(node.left) - getHeight(node.right);
    }

判斷是否是二叉樹(shù)

    //判斷該二叉樹(shù)是否是一顆二分搜索樹(shù)
    public boolean isBST() {
        ArrayList<K> keys = new ArrayList<>();
        inOrder(root, keys);
        for (int i = 0; i < keys.size(); I++)
            if (keys.get(i-1).compareTo(keys.get(i)) > 0)
                return false;
        return true;
    }

    //中序遍歷
    private void inOrder(Node node, ArrayList<K> keys){
        if (node == null)
            return;
        inOrder(node.left, keys);
        keys.add(node.key);
        inOrder(node.right, keys);
    }

判斷是否是平衡二叉樹(shù)

    //判斷該二叉樹(shù)是否是一顆平衡二叉樹(shù)
    public boolean isBalanced() {
        return isBalanced(root);
    }

    //判斷以node為根的二叉樹(shù)是否是一顆平衡二叉樹(shù)
    private boolean isBalanced(Node node) {
        if (node == null)
            return true;
        int balanceFactor = getBalanceFactor(node);
        if (Math.abs(balanceFactor) > 1)
            return false;
        return isBalanced(node.left) && isBalanced(node.right);
    }
如何維護(hù)平衡,當(dāng)添加新元素時(shí)可能會(huì)破壞平衡
  • 右旋轉(zhuǎn) RR
時(shí)機(jī)
右旋轉(zhuǎn)
右旋轉(zhuǎn)
右旋轉(zhuǎn)

右旋轉(zhuǎn)代碼

    //右旋轉(zhuǎn)
    // 對(duì)節(jié)點(diǎn)y進(jìn)行向右旋轉(zhuǎn)操作,返回旋轉(zhuǎn)后新的根節(jié)點(diǎn)x
    //            y                                   x
    //          /  \                                /   \
    //         x    T4       向右旋轉(zhuǎn)(y)           z       y
    //        /  \        ------------->        /  \    /  \
    //       z    T3                           T1  T2  T3   T4
    //     /  \
    //   T1    T2

    private Node rightRotate(Node y) {
        Node x = y.left;
        Node T3 = x.right;

        //向右旋轉(zhuǎn)過(guò)程
        x.right = y;
        y.left = T3;

        //更新節(jié)點(diǎn)height值 先更新y 后更新x
        y.height = 1 + Math.max(getHeight(y.left), getHeight(y.right));
        x.height = 1 + Math.max(getHeight(x.left), getHeight(x.right));

        return x;
    }
  • 左旋轉(zhuǎn) LL
左旋轉(zhuǎn)
左旋轉(zhuǎn)

左旋轉(zhuǎn)代碼

    //左旋轉(zhuǎn)
    // 對(duì)節(jié)點(diǎn)y進(jìn)行向左旋轉(zhuǎn)操作,返回旋轉(zhuǎn)后新的根節(jié)點(diǎn)x
    //        y                                      x
    //      /  \                                   /   \
    //    T1    x          向左旋轉(zhuǎn)(y)             y      z
    //         /  \      ------------->        /  \    /  \
    //       T2    z                          T1  T2  T3   T4
    //            /  \
    //          T3    T4
    private Node leftRotate(Node y) {
        Node x = y.right;
        Node T2 = x.left;

        //向左旋轉(zhuǎn)過(guò)程
        x.left = y;
        y.right = T2;

        y.height = 1 + Math.max(getHeight(y.left), getHeight(y.right));
        x.height = 1 + Math.max(getHeight(x.left), getHeight(x.right));

        return x;
    }
  • LR
LR
先左旋
再右旋

LR代碼示例

        //LR
        if (banlanceFactor > 1 && getBalanceFactor(node.left) < 0){
            node.left = leftRotate(node.left);
            return rightRotate(node);
        }
  • RL
RL
先右旋
在左旋

RL代碼示例

        //RL
        if (banlanceFactor < -1 && getBalanceFactor(node.right) > 0){
            node.right = rightRotate(node.right);
            return leftRotate(node);
        }

添加一個(gè)元素

//向二分搜索樹(shù)種添加新元素(key, value)
    public void add(K key, V value) {
        root = add(root, key, value);
    }

    //向以node為根的二分搜索樹(shù)中插入元素(key, value),遞歸算法
    //返回插入新節(jié)點(diǎn)后二分搜索樹(shù)的根
    private Node add(Node node, K key, V value) {

        if (node == null) {
            size ++;
            return new Node(key, value);
        }

        //如果相等 則不作處理
        if (key.compareTo(node.key) < 0)
            node.left = add(node.left, key, value);
        else if (key.compareTo(node.key) > 0)
            node.right = add(node.right, key, value);
        else // ==
            node.value = value;

        //更新height
        node.height = 1 + Math.max(getHeight(node.left), getHeight(node.right));

        //計(jì)算平衡因子
        int banlanceFactor = getBalanceFactor(node);
        if (Math.abs(banlanceFactor) > 1)
            System.out.println("unbalanced: " + banlanceFactor);

        //平衡維護(hù)
        // LL
        if (banlanceFactor > 1 && getBalanceFactor(node.left) >= 0)
            return rightRotate(node);

        //RR
        if (banlanceFactor < -1 && getBalanceFactor(node.right) <= 0)
            return leftRotate(node);

        //LR
        if (banlanceFactor > 1 && getBalanceFactor(node.left) < 0){
            node.left = leftRotate(node.left);
            return rightRotate(node);
        }

        //RL
        if (banlanceFactor < -1 && getBalanceFactor(node.right) > 0){
            node.right = rightRotate(node.right);
            return leftRotate(node);
        }

        return node;
    }

刪除一個(gè)元素

    public V remove(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        if (node != null){
            root = remove(root, key);
            return node.value;
        }
        return null;
    }

    //刪除以node為根的二分搜索樹(shù)中值鍵為Key的節(jié)點(diǎn) 遞歸算法
    //返回刪除節(jié)點(diǎn)后新的二分搜索樹(shù)的根
    private Node remove(Node node, K key){

        if (node == null)
            return null;

        Node retNode;
        if (key.compareTo(node.key) < 0 ){
            node.left = remove(node.left, key);
            retNode =  node;
        } else if (key.compareTo(node.key) > 0 ){
            node.right = remove(node.right, key);
            retNode = node;
        } else {
            if (node.left == null) {
                Node right = node.right;
                node.right = null;
                size --;
                retNode = right;
            } else if (node.right == null) {
                Node left = node.left;
                node.left = null;
                size --;
                retNode = left;
            } else {

                //待刪除節(jié)點(diǎn)左右子樹(shù)均不為空的情況
                //找到比待刪除節(jié)點(diǎn)大的最小元素,即待刪除節(jié)點(diǎn)右子樹(shù)的最小節(jié)點(diǎn)
                //用這個(gè)節(jié)點(diǎn)頂替待刪除節(jié)點(diǎn)的位置
                Node successor = minimum(node.right);
                //removeMin 沒(méi)有維護(hù)平衡 所以會(huì)影響平衡因子
                //successor.right = removeMin(node.right);

                //調(diào)用自己也會(huì)刪除 且維護(hù)平衡
                successor.right = remove(node.right, successor.key);

                successor.left = node.left;
                node.left = node.right = null;

                retNode = successor;
            }
        }

        if (retNode == null)
            return null;

        //更新height
        retNode.height = 1 + Math.max(getHeight(retNode.left), getHeight(retNode.right));

        //計(jì)算平衡因子
        int banlanceFactor = getBalanceFactor(retNode);
        if (Math.abs(banlanceFactor) > 1)
            System.out.println("unbalanced: " + banlanceFactor);

        //平衡維護(hù)
        // LL
        if (banlanceFactor > 1 && getBalanceFactor(retNode.left) >= 0)
            return rightRotate(retNode);

        //RR
        if (banlanceFactor < -1 && getBalanceFactor(retNode.right) <= 0)
            return leftRotate(retNode);

        //LR
        if (banlanceFactor > 1 && getBalanceFactor(retNode.left) < 0){
            retNode.left = leftRotate(retNode.left);
            return rightRotate(retNode);
        }

        //RL
        if (banlanceFactor < -1 && getBalanceFactor(retNode.right) > 0){
            retNode.right = rightRotate(retNode.right);
            return leftRotate(retNode);
        }

        return retNode;
    }

時(shí)間復(fù)雜度:O(logn)

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