二叉平衡树的插入和删除操作

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1.      二叉平衡树

二叉排序树查找、插入和删除操作的时间复杂度和树的深度n有关。构建树时，当先后插入的结点按关键字有序时，二叉排序树退化为单枝树，平均查找长度为(n+1)/2，查找效率比较低。提高查找效率，关键在于最大限度地降低树的深度n。因此需要在构建二叉排序树的过程中进行“平衡化”处理，使之成为二叉平衡树。

二叉平衡树，又称AVL树。它或者是一棵空树，或者是具有下列性质的树：

1)      具备二叉排序树的所有性质；

2)      左子树和右子树深度差的绝对值不超过1；

3)      左子树和右子树都是二叉平衡树。

二叉平衡树结点的平衡因子定义为左子树与右子树的深度之差。二叉平衡树结点的平衡因子只可能取-1，0，1三个值。含有n个结点的二叉平衡树的深度与logn同数量级，平均查找长度也和logn同数量级。

二叉平衡树采用二叉链表的结构进行存储。结构体中增加结点的高度，用以计算结点的平衡因子。结点高度定义：空结点的高度为0；非空结点的高度为以该结点为根结点的树的高度。

二叉链表：

/* * 二叉树的二叉链表存储结构。 * 额外添加树的高度，以判断结点的平衡度。 */typedef int TElemType;typedef struct BiNode{    TElemType data;    struct BiNode *lchild;    struct BiNode *rchild;    int height;}BiNode, *BiTree;

结点高度：

/* * 当T=NULL ,即树为空树时，无法通过T->height获取树的高度0，所以要额外编写该函数。 */int GetHeight(BiTree T){    if (T)        return T->height;    return 0;}

2.      处理失衡的四种旋转方式

如何在插入结点的时候进行“平衡化”处理？当在树中插入一个结点时，检查树是否因插入操作而失衡，若失衡，则找出其中的最小不平衡二叉树，对最小不平衡二叉树进行调整，以达到新的平衡。最小不平衡二叉树定义为以离插入结点最近，且平衡因子绝对值大于1的结点作为根结点的树。

对最小不平衡树进行调整的操作是旋转，共有4种旋转方式LL型，LR型，RL型，RR型，分别介绍如下：

1)        LL型(单次右旋)

当根结点左子树的左子树中的节点导致根结点的平衡因子为2时，采用LL型旋转进行调整。图示为两种需进行单次右旋的不平衡树。

LL型旋转即单次右旋，是将根结点的左孩子作为新的根结点，根结点左孩子的右子树作为老根结点的左子树。图示如下：

注意：旋转之后，整个树中只有结点k1,k2的高度发生变化，而x,y,z三棵子树中所有结点的高度均未发生变化。

代码：

/* * 当T的左子树的左子树上的节点使得T的平衡度为2时，以T为中心进行右旋。 */bool LLRotate(BiTree *T){    BiTree lc;    lc = (*T)->lchild;    (*T)->lchild = lc->rchild;    lc->rchild = (*T);     //注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。    (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;    lc->height = max(GetHeight(lc->lchild), GetHeight(lc->rchild)) + 1;     *T = lc;    return true;}

2)        RR型(单次左旋)

当根结点右子树的右子树中的节点导致根结点的平衡因子为-2时，采用RR型旋转进行调整。图示为两种需进行单次左旋的不平衡树。RR型旋转与LL型旋转相对称。

RR型旋转即单次左旋，是将根结点的右孩子作为新的根结点，根结点右孩子的左子树作为老根结点的右子树。图示如下：

注意：旋转之后，整个树中只有结点k1,k2的高度发生变化，而x,y,z三棵子树中所有结点的高度均未发生变化。

代码：

/* * 当T的右子树的右子树上的节点使得T的平衡度为-2时，以T为中心进行左旋。 */bool RRRotate(BiTree *T){    BiTree rc;    rc = (*T)->rchild;    (*T)->rchild = rc->lchild;    rc->lchild = (*T);     //注意要更新结点的高度。整个树中只有*T的左子树和lc的右子树发生了变化，所以只需更改这两棵树的高度。    (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;    rc->height = max(GetHeight(rc->lchild), GetHeight(rc->rchild)) + 1;     *T = rc;    return true;}

3)        LR型(先单次左旋，再单次右旋)

当根结点左子树的右子树中的节点导致根结点的平衡因子为2时，采用LR型旋转进行调整。图示为两种需进行LR型旋转的不平衡树。

LR型旋转是先以根结点的左孩子为中心进行单次左旋，再以根结点为中心进行单次右旋。图示如下：

代码：

/* * 当T的左子树的右子树上的节点使得T的平衡度为2时， * 先以T的左子树为中心进行左旋，再以T为中心进行右旋。 */bool LRRotate(BiTree *T){    RRRotate(&((*T)->lchild));    LLRotate(T);    return true;}

4)        RL型(先单次右旋，再单次左旋)

当根结点右子树的左子树中的节点导致根结点的平衡因子为-2时，采用RL型旋转进行调整。图示为两种需进行RL型旋转的不平衡树。RL型旋转与LR型旋转相对应。

RL型旋转是先以根结点的右孩子为中心进行单次右旋，再以根结点为中心进行单次左旋。图示如下：

代码：

/* * 当T的右子树的左子树上的节点使得T的平衡度为-2时， * 先以T的右子树为中心进行右旋，再以T为中心进行左旋。 */bool RLRotate(BiTree *T){    LLRotate(&((*T)->rchild));    RRRotate(T);    return true;}

3.      插入操作

插入操作的代码如下。

/* * 插入操作。 * 如果以*T为根结点的二叉平衡树中已有结点key，插入失败，函数返回FALSE； * 否则将结点key插入到树中，插入结点后的树仍然为二叉平衡树，函数返回TRUE。 */bool AVLInsert(BiTree *T, TElemType key){    BiTree t;     //如果当前查找的根结点为空树，表明查无此结点，故插入结点。    if (!*T)    {        t = (BiTree)malloc(sizeof(BiNode));        t->data = key;        t->height = 1;        t->lchild = NULL;        t->rchild = NULL;        *T = t;        return true;    }    //已有此结点，不再插入。    else if (key == (*T)->data)    {        return false;    }    //在左子树中递归插入。    else if (key < (*T)->data)    {        if (!AVLInsert(&((*T)->lchild), key))            return false;        else        {            //插入成功，修改树的高度。            (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;             //已在*T的左子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。            if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))            {                //在左子树的左子树中插入结点。                if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild))                {                    LLRotate(T);                }                //在左子树的右子树中插入结点。                else                {                    LRRotate(T);                }            }            return true;        }    }    //在右子树中递归插入。    else // (key > (*T)->data)    {        if (!AVLInsert(&(*T)->rchild, key))            return false;        else        {            //插入成功，修改树的高度。            (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;             //已在*T的右子树插入结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。            if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))            {                //在右子树的左子树中插入结点。                if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild))                {                    RLRotate(T);                }                //在右子树的右子树中插入结点。                else                {                    RRRotate(T);                }            }            return true;        }    }}

以下图为例进行两个关键点的说明：进行旋转的树为最小不平衡二叉树；插入结点之后父结点高度的递归修正。

假如要在图一二叉平衡树中插入结点1，

函数调用步骤：

1

调用函数AVLInsert(&9,1)(为表述方便，以&9代表指向结点9的指针)；

2

由于1<9，继续调用AVLInsert(&7,1)；

3

由于1<7，继续调用AVLInsert(&3,1)；

4

由于1<3，继续调用AVLInsert(&2,1)；

5

由于2<1，继续调用AVLInsert(NULL,1)，此时由于*T为空树，增加结点1，并把结点1的高度设置为1，左右孩子分别为空树，如图二所示。函数返回TRUE；

6

AVLInsert(NULL,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&2,1)，因插入成功，所以更新结点2的高度为max(1,0)+1=2，结点2的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE；

7

AVLInsert(&2,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&3,1)，因插入成功，所以更新结点3的高度为max(2,1)+1=3，结点3的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE；

8

AVLInsert(&3,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&7,1)，因插入成功，所以更新结点7的高度为max(3,1)+1=4，结点7的平衡因子为2，进行旋转操作，旋转之后，更新结点3的高度为2，结点7的高度为2，如图三所示。函数返回TRUE；

9

AVLInsert(&7,1)函数返回TRUE，并返回至AVLInsert(&9,1)，因插入成功，所以更新结点9的高度为max(2,1)+1=4，结点9的平衡因子为1，不进行旋转操作，函数返回TRUE，插入过程结束。

插入的结点一定为叶子结点，插入结点之后依次进行递归调用的返回操作，在返回之后，修正父结点的高度(2->3->7->9)，之后判断父结点的平衡因子，当平衡因子超范围(结点7)时，以该结点为根结点的树为最小不平衡二叉树，此时进行旋转操作。当AVLInsert(&7,1)函数返回之后，以结点7的父结点9为根结点的树将不再需要进行旋转操作。因此每次通过函数AVLInsert()插入一个结点时，旋转操作只在最小不平衡二叉树中进行一次。已插入结点的父结点的高度是在递归过程中依次进行修正的。

4.      删除操作

删除操作的代码如下。

/* * 删除操作。 * 如果以*T为根结点的树中存在结点key，将结点删除，函数返回TRUE， * 否则删除失败，函数返回FALSE。 */bool AVLDelete(BiTree *T, TElemType key){    BiTree pre, post;     //没有找到该结点。    if (!*T)        return false;    //找到结点，将它删除。    else if (key == (*T)->data)    {        //待删除节点为叶子结点。        if (!(*T)->lchild && !(*T)->rchild)            *T = NULL;        //待删除结点只有右孩子。        else if (!(*T)->lchild)            *T = (*T)->rchild;        //待删除结点只有左孩子。        else if (!(*T)->rchild)            *T = (*T)->lchild;        //待删除结点既有左孩子，又有右孩子。        else        {            //当待删除结点*T左子树的高度大于右子树的高度时，用*T的前驱结点pre代替*T，            //再将结点pre从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。            if (GetHeight((*T)->lchild) > GetHeight((*T)->rchild))            {                //寻找前驱结点pre。                pre = (*T)->lchild;                while (pre->rchild)                {                    pre = pre->rchild;                }                //用pre替换*T。                (*T)->data = pre->data;                                 //删除节点pre。                //虽然能够确定pre所属最小子树的根结点为&pre，                //但是不采用AVLDelete(&pre,pre->data)删除pre，目的是方便递归更改节点的高度。                AVLDelete(&((*T)->lchild), pre->data);            }            //当待删除结点*T左子树的高度小于或者等于右子树的高度时，用*T的后继结点post代替*T，            //再将结点post从树中删除。这样可以保证删除结点后的树仍为二叉平衡树。            else            {                //寻找后继节点post。                post = (*T)->rchild;                while (post->lchild)                    post = post->lchild;                //用post替换*T。                (*T)->data = post->data;                 //删除节点post。                //虽然能够确定post所属最小子树的根结点为&post，                //但是不采用AVLDelete(&post,post->data)删除post，目的是方便递归更改节点的高度。                AVLDelete(&((*T)->rchild), post->data);            }        }        return true;    }    //在左子树中递归删除。    else if (key < (*T)->data)    {        if (!AVLDelete(&((*T)->lchild), key))            return false;        else        {            //删除成功，修改树的高度。            (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;            //已在*T的左子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。            if (-2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))            {                if (GetHeight((*T)->rchild->lchild) > GetHeight((*T)->rchild->rchild))                {                    RLRotate(T);                }                else                {                    RRRotate(T);                }            }            return true;        }    }    //在右子树中递归删除。    else    {        if (!AVLDelete(&((*T)->rchild), key))            return false;        else        {            //删除成功，修改树的高度。            (*T)->height = max(GetHeight((*T)->lchild), GetHeight((*T)->rchild)) + 1;            //已在*T的右子树删除结点key，判断是否需要进行旋转以保持二叉平衡树的特性。            if (2 == GetHeight((*T)->lchild) - GetHeight((*T)->rchild))            {                if (GetHeight((*T)->lchild->lchild) > GetHeight((*T)->lchild->rchild))                {                    LLRotate(T);                }                else                {                    LRRotate(T);                }            }            return true;        }    }}

关键点：

1. 当待删除结点*T既有左子树又有右子树且左子树高度大于右子树高度时，用结点*T的前驱结点pre替换*T，之后再删除前驱结点pre；当右子树高度大于左子树高度时，用结点*T的后继节点post替换结点*T，之后再删除后继结点post。这样可以保证在删除操作之后，树在不进行旋转操作的情况下仍为二叉平衡树。

2.   在删除前驱结点pre和后继结点post时，使用AVLDelete(&((*T)->lchild), pre->data)和AVLDelete(&((*T)->rchild), post->data)。这样可以保证被删除结点pre和post的父节点直至根结点的结点高度都会被递归修正一次。结点高度的递归修正同插入操作。

5.      时间复杂度

在平衡树上进行查找的过程和排序树相同，因此在查找过程中和给定值进行比较的关键字个数不超过树的深度。假设F(N)表示N层平衡二叉树的最少结点个数，则F[1]=1，F[2]=2，F(N)=F(N-2)+F(N-1)+1。在平衡树上进行查找的时间复杂度为O(logn)。

6.      测试结果