637 lines
15 KiB
Markdown
637 lines
15 KiB
Markdown
# AVL 树
|
||
|
||
在「二叉搜索树」章节中提到，在进行多次插入与删除操作后，二叉搜索树可能会退化为链表。此时所有操作的时间复杂度都会由 $O(\log n)$ 劣化至 $O(n)$ 。
|
||
|
||
如下图所示，执行两步删除结点后，该二叉搜索树就会退化为链表。
|
||
|
||
|
||
|
||
再比如，在以下完美二叉树中插入两个结点后，树严重向左偏斜，查找操作的时间复杂度也随之发生劣化。
|
||
|
||
|
||
|
||
G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorithm for the organization of information" 中提出了「AVL 树」。**论文中描述了一系列操作，使得在不断添加与删除结点后，AVL 树仍然不会发生退化**，进而使得各种操作的时间复杂度均能保持在 $O(\log n)$ 级别。
|
||
|
||
换言之，在频繁增删查改的使用场景中，AVL 树可始终保持很高的数据增删查改效率，具有很好的应用价值。
|
||
|
||
## AVL 树常见术语
|
||
|
||
「AVL 树」既是「二叉搜索树」又是「平衡二叉树」，同时满足这两种二叉树的所有性质，因此又被称为「平衡二叉搜索树」。
|
||
|
||
### 结点高度
|
||
|
||
在 AVL 树的操作中，需要获取结点「高度 Height」，所以给 AVL 树的结点类添加 `height` 变量。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* AVL 树结点类 */
|
||
class TreeNode {
|
||
public int val; // 结点值
|
||
public int height; // 结点高度
|
||
public TreeNode left; // 左子结点
|
||
public TreeNode right; // 右子结点
|
||
public TreeNode(int x) { val = x; }
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
「结点高度」是最远叶结点到该结点的距离，即走过的「边」的数量。需要特别注意，**叶结点的高度为 0 ，空结点的高度为 -1** 。我们封装两个工具函数，分别用于获取与更新结点的高度。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 获取结点高度 */
|
||
int height(TreeNode node) {
|
||
// 空结点高度为 -1 ，叶结点高度为 0
|
||
return node == null ? -1 : node.height;
|
||
}
|
||
|
||
/* 更新结点高度 */
|
||
void updateHeight(TreeNode node) {
|
||
// 结点高度等于最高子树高度 + 1
|
||
node.height = Math.max(height(node.left), height(node.right)) + 1;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### 结点平衡因子
|
||
|
||
结点的「平衡因子 Balance Factor」是 **结点的左子树高度减去右子树高度**，并定义空结点的平衡因子为 0 。同样地，我们将获取结点平衡因子封装成函数，以便后续使用。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 获取结点平衡因子 */
|
||
public int balanceFactor(TreeNode node) {
|
||
// 空结点平衡因子为 0
|
||
if (node == null) return 0;
|
||
// 结点平衡因子 = 左子树高度 - 右子树高度
|
||
return height(node.left) - height(node.right);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
!!! note
|
||
|
||
设平衡因子为 $f$ ，则一棵 AVL 树的任意结点的平衡因子皆满足 $-1 \le f \le 1$ 。
|
||
|
||
## AVL 树旋转
|
||
|
||
AVL 树的独特之处在于「旋转 Rotation」的操作，其可 **在不影响二叉树中序遍历序列的前提下，使失衡结点重新恢复平衡。** 换言之，旋转操作既可以使树保持为「二叉搜索树」，也可以使树重新恢复为「平衡二叉树」。
|
||
|
||
我们将平衡因子的绝对值 $> 1$ 的结点称为「失衡结点」。根据结点的失衡情况，旋转操作分为 **右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋**，接下来我们来一起来看看它们是如何操作的。
|
||
|
||
### Case 1 - 右旋
|
||
|
||
如下图所示（结点下方为「平衡因子」），从底至顶看，二叉树中首个失衡结点是 **结点 2** 。我们聚焦在以结点 2 为根结点的子树上，将该结点记为 `node` ，将其左子节点记为 `child` ，执行「右旋」操作。完成右旋后，该子树已经恢复平衡，并且仍然为二叉搜索树。
|
||
|
||
=== "Step 1"
|
||
|
||
=== "Step 2"
|
||
|
||
=== "Step 3"
|
||
|
||
=== "Step 4"
|
||
|
||
|
||
进而，如果结点 `child` 本身有右子结点（记为 `grandChild`），则需要在「右旋」中添加一步：将 `grandChild` 作为 `node` 的左子结点。
|
||
|
||
|
||
|
||
“向右旋转” 是一种形象化的说法，实际需要通过修改结点指针实现，代码如下所示。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 右旋操作 */
|
||
TreeNode rightRotate(TreeNode node) {
|
||
TreeNode child = node.left;
|
||
TreeNode grandChild = child.right;
|
||
// 以 child 为原点，将 node 向右旋转
|
||
child.right = node;
|
||
node.left = grandChild;
|
||
// 更新结点高度
|
||
updateHeight(node);
|
||
updateHeight(child);
|
||
// 返回旋转后的根节点
|
||
return child;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### Case 2 - 左旋
|
||
|
||
类似地，如果将取上述失衡二叉树的 “镜像” ，那么则需要「左旋」操作。观察发现，**「左旋」和「右旋」操作是镜像对称的，两者对应解决的两种失衡情况也是对称的**，这说明两种旋转操作本质上是一样的。
|
||
|
||
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 左旋操作 */
|
||
private TreeNode leftRotate(TreeNode node) {
|
||
TreeNode child = node.right;
|
||
TreeNode grandChild = child.left;
|
||
// 以 child 为原点，将 node 向左旋转
|
||
child.left = node;
|
||
node.right = grandChild;
|
||
// 更新结点高度
|
||
updateHeight(node);
|
||
updateHeight(child);
|
||
// 返回旋转后的根节点
|
||
return child;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### Case 3 - 先左后右
|
||
|
||
对于下图的失衡结点 3 ，**单一使用左旋或右旋都无法使子树恢复平衡**，此时需要「先左旋后右旋」，即先对 `child` 执行「左旋」，再对 `node` 执行「右旋」。
|
||
|
||
|
||
|
||
### Case 4 - 先右后左
|
||
|
||
同理，取以上失衡二叉树的镜像，则需要「先右旋后左旋」，即先对 `child` 执行「右旋」，然后对 `node` 执行「左旋」。
|
||
|
||
|
||
|
||
### 旋转的选择
|
||
|
||
下图总结了以上四种失衡情况，分别采用右旋、左旋、先右后左、先左后右的旋转组合。
|
||
|
||
|
||
|
||
具体地，需要使用 **失衡结点的平衡因子、较高一侧子结点的平衡因子** 来确定失衡结点属于上图中的哪种情况。
|
||
|
||
<div class="center-table" markdown>
|
||
|
||
| 失衡结点的平衡因子 | 子结点的平衡因子 | 应采用的旋转方法 |
|
||
| ------------------ | ---------------- | ---------------- |
|
||
| $>0$ （即左偏树） | $\geq 0$ | 右旋 |
|
||
| $>0$ （即左偏树） | $<0$ | 先左旋后右旋 |
|
||
| $<0$ （即右偏树） | $\leq 0$ | 左旋 |
|
||
| $<0$ （即右偏树） | $>0$ | 先右旋后左旋 |
|
||
|
||
</div>
|
||
|
||
下面，将旋转操作封装成一个函数。至此，**我们可以通过此函数来处理所有类型的失衡结点，使之恢复平衡**。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
|
||
TreeNode rotate(TreeNode node) {
|
||
// 获取结点 node 的平衡因子
|
||
int balanceFactor = balanceFactor(node);
|
||
// 左偏树
|
||
if (balanceFactor > 1) {
|
||
if (balanceFactor(node.left) >= 0) {
|
||
// 右旋
|
||
return rightRotate(node);
|
||
} else {
|
||
// 先左旋后右旋
|
||
node.left = leftRotate(node.left);
|
||
return rightRotate(node);
|
||
}
|
||
}
|
||
// 右偏树
|
||
if (balanceFactor < -1) {
|
||
if (balanceFactor(node.right) <= 0) {
|
||
// 左旋
|
||
return leftRotate(node);
|
||
} else {
|
||
// 先右旋后左旋
|
||
node.right = rightRotate(node.right);
|
||
return leftRotate(node);
|
||
}
|
||
}
|
||
// 平衡树，无需旋转，直接返回
|
||
return node;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
## AVL 树常用操作
|
||
|
||
### 插入结点
|
||
|
||
「AVL 树」的结点插入操作与「二叉搜索树」主体类似。不同的是，在插入结点后，从该结点到根结点的路径上会出现「失衡结点」。所以，**我们需要从该结点开始，从底至顶地执行旋转操作，使所有失衡结点恢复平衡**。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 插入结点 */
|
||
TreeNode insert(int val) {
|
||
root = insertHelper(root, val);
|
||
return root;
|
||
}
|
||
|
||
/* 递归插入结点（辅助函数） */
|
||
TreeNode insertHelper(TreeNode node, int val) {
|
||
if (node == null) return new TreeNode(val);
|
||
/* 1. 查找插入位置，并插入结点 */
|
||
if (val < node.val)
|
||
node.left = insertHelper(node.left, val);
|
||
else if (val > node.val)
|
||
node.right = insertHelper(node.right, val);
|
||
else
|
||
return node; // 重复结点不插入，直接返回
|
||
updateHeight(node); // 更新结点高度
|
||
/* 2. 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
|
||
node = rotate(node);
|
||
// 返回子树的根节点
|
||
return node;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### 删除结点
|
||
|
||
「AVL 树」删除结点操作与「二叉搜索树」删除结点操作总体相同。类似地，**在删除结点后，也需要从底至顶地执行旋转操作，使所有失衡结点恢复平衡**。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="avl_tree.java"
|
||
/* 删除结点 */
|
||
TreeNode remove(int val) {
|
||
root = removeHelper(root, val);
|
||
return root;
|
||
}
|
||
|
||
/* 递归删除结点（辅助函数） */
|
||
TreeNode removeHelper(TreeNode node, int val) {
|
||
if (node == null) return null;
|
||
/* 1. 查找结点，并删除之 */
|
||
if (val < node.val)
|
||
node.left = removeHelper(node.left, val);
|
||
else if (val > node.val)
|
||
node.right = removeHelper(node.right, val);
|
||
else {
|
||
if (node.left == null || node.right == null) {
|
||
TreeNode child = node.left != null ? node.left : node.right;
|
||
// 子结点数量 = 0 ，直接删除 node 并返回
|
||
if (child == null)
|
||
return null;
|
||
// 子结点数量 = 1 ，直接删除 node
|
||
else
|
||
node = child;
|
||
} else {
|
||
// 子结点数量 = 2 ，则将中序遍历的下个结点删除，并用该结点替换当前结点
|
||
TreeNode temp = minNode(node.right);
|
||
node.right = removeHelper(node.right, temp.val);
|
||
node.val = temp.val;
|
||
}
|
||
}
|
||
updateHeight(node); // 更新结点高度
|
||
/* 2. 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
|
||
node = rotate(node);
|
||
// 返回子树的根节点
|
||
return node;
|
||
}
|
||
|
||
/* 获取最小结点 */
|
||
TreeNode minNode(TreeNode node) {
|
||
if (node == null) return node;
|
||
// 循环访问左子结点，直到叶结点时为最小结点，跳出
|
||
while (node.left != null) {
|
||
node = node.left;
|
||
}
|
||
return node;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="avl_tree.cpp"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="avl_tree.py"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="avl_tree.go"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```js title="avl_tree.js"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="avl_tree.ts"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="avl_tree.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="avl_tree.cs"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### 查找结点
|
||
|
||
「AVL 树」的结点查找操作与「二叉搜索树」一致，在此不再赘述。
|