AVL树（平衡树）

. 概述

AVL树是最早提出的自平衡二叉树，在AVL树中任何节点的两个子树的高度最大差别为一，所以它也被称为高度平衡树。AVL树得名于它的发明者G.M. Adelson-Velsky和E.M. Landis。AVL树种查找、插入和删除在平均和最坏情况下都是O（log n），增加和删除可能需要通过一次或多次树旋转来重新平衡这个树。本文介绍了AVL树的设计思想和基本操作。

2. 基本术语

有四种种情况可能导致二叉查找树不平衡，分别为：

（1）LL：插入一个新节点到根节点的左子树（Left）的左子树（Left），导致根节点的平衡因子由1变为2

    LL情况需要右旋解决：

static Node* left_left_rotation(AVLTree k2){    AVLTree k1;    k1 = k2->left;    k2->left = k1->right;    k1->right = k2;    k2->height = MAX(HEIGHT(k2->left), HEIGHT(k2->right)) + 1;    k1->height = MAX( HEIGHT(k1->left), k2->height) + 1;    return k1;}

（2）RR：插入一个新节点到根节点的右子树（Right）的右子树（Right），导致根节点的平衡因子由-1变为-2

   RR情况需要左旋解决：

/* 返回值：旋转后的根节点*/static Node* right_right_rotation(AVLTree k1){    AVLTree k2;    k2 = k1->right;    k1->right = k2->left;    k2->left = k1;    k1->height = MAX( HEIGHT(k1->left), HEIGHT(k1->right)) + 1;    k2->height = MAX( HEIGHT(k2->right), k1->height) + 1;    return k2;}

（3）LR：插入一个新节点到根节点的左子树（Left）的右子树（Right），导致根节点的平衡因子由1变为2

     LR情况需要左右（先根节点的左孩子右旋转，后跟节点左旋转）旋解决：

static Node *left_right_rotation(AVLTree k3){    k3->left = right_right_rotation(k3->left);    return left_left_rotation(k3);}

（4）RL：插入一个新节点到根节点的右子树（Right）的左子树（Left），导致根节点的平衡因子由-1变为-2

   RL情况需要右左旋解决（先根节点的右孩子左旋转，后根节点右旋转）：

static Node* right_left_rotation(AVLTree k1){    k1->right = left_left_rotation(k1->right);    return right_right_rotation(k1);}

  针对四种种情况可能导致的不平衡，可以通过旋转使之变平衡。有两种基本的旋转：

（1）左旋转：将根节点旋转到（根节点的）右孩子的左孩子位置（设旋转的p为根节点，t为其右节点）          
    "笨“理解：左旋转肯定是根的右孩子来左旋转。先来确定根的右孩子 t = p->right; 因为根的右孩子动了，肯定需要其它节点来“补充”，那么根的右孩子的左孩子作为根的右孩子

    p->right = t->left;然后因为根的右孩子的左孩动了，需要平衡 。 所以将根作为其右孩子的左孩子： p = t->left;最后因为根与其右孩子交换了位置：p = t;

    其实主要的画个图；空间想象下就行:

（2）右旋转：将根节点旋转到（根节点的）左孩子的右孩子位置：左旋转类似：

完整代码：

#include <iostream>#include <cstdio>#include <cstdlib>#define TBL_SIZE(a) ( (sizeof(a)) / (sizeof(a[0])) )typedef int Type;typedef struct AVLTreeNode{    Type key;                       // 关键字    int height;                    //树的高度 (树的平衡性选择)     struct AVLTreeNode *left;     // 左孩子    struct AVLTreeNode *right;    // 右孩子}Node, *AVLTree;#define HEIGHT(p)    ( (p==NULL) ? -1 : (((Node *)(p))->height) )#define MAX(a, b)    ( a > b ? a : b) /* * 获取AVL树的高度 */int avltree_height(AVLTree tree){    return HEIGHT(tree);}/* * 前序遍历"AVL树"*/void preorder_avltree(AVLTree tree){    if(tree != NULL)    {        printf("%d ", tree->key);        preorder_avltree(tree->left);        preorder_avltree(tree->right);    }}/* * 中序遍历"AVL树" */void inorder_avltree(AVLTree tree){    if(tree != NULL)    {        inorder_avltree(tree->left);        printf("%d ", tree->key);        inorder_avltree(tree->right);    }}/* * 后序遍历"AVL树" */void postorder_avltree(AVLTree tree){    if(tree != NULL)    {        postorder_avltree(tree->left);        postorder_avltree(tree->right);        printf("%d ", tree->key);    }}/* * (递归实现)查找"AVL树x"中键值为key的节点 */Node* avltree_search(AVLTree x, Type key){    if (x==NULL || x->key==key)        return x;    if (key < x->key)        return avltree_search(x->left, key);    else        return avltree_search(x->right, key);}/* * (非递归实现)查找"AVL树x"中键值为key的节点 */Node* iterative_avltree_search(AVLTree x, Type key){    while ((x!=NULL) && (x->key!=key))    {        if (key < x->key)            x = x->left;        else            x = x->right;    }    return x;}/*  * 查找最小结点：返回tree为根结点的AVL树的最小结点。 */Node* avltree_minimum(AVLTree tree){    if (tree == NULL)        return NULL;    while(tree->left != NULL)        tree = tree->left;    return tree;} /*  * 查找最大结点：返回tree为根结点的AVL树的最大结点。 */Node* avltree_maximum(AVLTree tree){    if (tree == NULL)        return NULL;    while(tree->right != NULL)        tree = tree->right;    return tree;}/* * LL：左左对应的情况(左单旋转)。 * * 返回值：旋转后的根节点 */static Node* left_left_rotation(AVLTree k2){    AVLTree k1;    k1 = k2->left;    k2->left = k1->right;    k1->right = k2;    k2->height = MAX(HEIGHT(k2->left), HEIGHT(k2->right)) + 1;    k1->height = MAX( HEIGHT(k1->left), k2->height) + 1;    return k1;}/* * RR：右右对应的情况(右单旋转)。 * * 返回值：旋转后的根节点 */static Node* right_right_rotation(AVLTree k1){    AVLTree k2;    k2 = k1->right;    k1->right = k2->left;    k2->left = k1;    k1->height = MAX( HEIGHT(k1->left), HEIGHT(k1->right)) + 1;    k2->height = MAX( HEIGHT(k2->right), k1->height) + 1;    return k2;}/* * LR：左右对应的情况(左双旋转)。 * 返回值：旋转后的根节点 */static Node *left_right_rotation(AVLTree k3){    k3->left = right_right_rotation(k3->left);    return left_left_rotation(k3);}  /* * RL：左右对应的情况(右双旋转)。 * 返回值：旋转后的根节点 */static Node* right_left_rotation(AVLTree k1){    k1->right = left_left_rotation(k1->right);    return right_right_rotation(k1);}static Node* avltree_create_node(Type key, Node *left, Node* right){    Node* p;    if ((p = (Node *)malloc(sizeof(Node))) == NULL)        return NULL;    p->key = key;    p->height = 0;    p->left = left;    p->right = right;    return p;} Node *avltree_insert(AVLTree tree, Type key){    if (tree == NULL)     {        // 新建节点        tree = avltree_create_node(key, NULL, NULL);        if (tree==NULL)        {            printf("ERROR: create avltree node failed!\n");            return NULL;        }    }    else if(key < tree->key) // 应该将key插入到"tree的左子树"的情况    {        tree->left = avltree_insert(tree->left, key);        // 插入节点后，若AVL树失去平衡，则进行相应的调节。        if (HEIGHT(tree->left) - HEIGHT(tree->right) == 2)        {            if (key < tree->left->key)                tree = left_left_rotation(tree);            else                tree = left_right_rotation(tree);        }    }    else if (key > tree->key) // 应该将key插入到"tree的右子树"的情况    {        tree->right = avltree_insert(tree->right, key);        // 插入节点后，若AVL树失去平衡，则进行相应的调节。        if (HEIGHT(tree->right) - HEIGHT(tree->left) == 2)        {            if (key > tree->right->key)                tree = right_right_rotation(tree);            else                tree = right_left_rotation(tree);        }    }    else                //(key == tree->key)    {        printf("添加失败：不允许添加相同的节点！\n");    }    tree->height = MAX( HEIGHT(tree->left), HEIGHT(tree->right)) + 1;    return tree;} static Node* delete_node(AVLTree tree, Node *z){    // 根为空或者没有要删除的节点，直接返回NULL。    if (tree==NULL || z==NULL)        return NULL;    if (z->key < tree->key)        // 待删除的节点在"tree的左子树"中    {        tree->left = delete_node(tree->left, z);        // 删除节点后，若AVL树失去平衡，则进行相应的调节。        if (HEIGHT(tree->right) - HEIGHT(tree->left) == 2)        {            Node *r =  tree->right;            if (HEIGHT(r->left) > HEIGHT(r->right))                tree = right_left_rotation(tree);            else                tree = right_right_rotation(tree);        }    }    else if (z->key > tree->key)// 待删除的节点在"tree的右子树"中    {        tree->right = delete_node(tree->right, z);        // 删除节点后，若AVL树失去平衡，则进行相应的调节。        if(HEIGHT(tree->left) - HEIGHT(tree->right) == 2)        {            Node *l =  tree->left;            if (HEIGHT(l->right) > HEIGHT(l->left))                tree = left_right_rotation(tree);            else                tree = left_left_rotation(tree);        }    }    else    //tree根是对应要删除的节点。    {        // tree的左右孩子都非空        if ((tree->left) && (tree->right))        {            if (HEIGHT(tree->left) > HEIGHT(tree->right))            {                // 如果tree的左子树比右子树高；                // 则(01)找出tree的左子树中的最大节点                //   (02)将该最大节点的值赋值给tree。                //   (03)删除该最大节点。                // 这类似于用"tree的左子树中最大节点"做"tree"的替身；                // 采用这种方式的好处是：删除"tree的左子树中最大节点"之后，AVL树仍然是平衡的。                Node *max = avltree_maximum(tree->left);                tree->key = max->key;                tree->left = delete_node(tree->left, max);            }            else            {                // 如果tree的左子树不比右子树高(即它们相等，或右子树比左子树高1)                // 则(01)找出tree的右子树中的最小节点                //   (02)将该最小节点的值赋值给tree。                //   (03)删除该最小节点。                // 这类似于用"tree的右子树中最小节点"做"tree"的替身；                // 采用这种方式的好处是：删除"tree的右子树中最小节点"之后，AVL树仍然是平衡的。                Node *min = avltree_maximum(tree->right);                tree->key = min->key;                tree->right = delete_node(tree->right, min);            }        }        else        {            Node *tmp = tree;            tree = tree->left ? tree->left : tree->right;            free(tmp);        }    }    return tree;}Node  * avltree_delete(AVLTree tree, Type key){    Node *z;     if ((z = avltree_search(tree, key)) != NULL)        tree = delete_node(tree, z);    return tree;}void destroy_avltree(AVLTree tree){    if (tree==NULL)        return ;    if (tree->left != NULL)        destroy_avltree(tree->left);    if (tree->right != NULL)        destroy_avltree(tree->right);    free(tree);}void print_avltree(AVLTree tree, Type key, int direction){    if(tree != NULL)    {        if(direction==0)    // tree是根节点            printf("%2d is root\n", tree->key, key);        else                // tree是分支节点            printf("%2d is %2d's %6s child\n", tree->key, key, direction==1?"right" : "left");        print_avltree(tree->left, tree->key, -1);        print_avltree(tree->right,tree->key,  1);    }} int main(int argc, char** argv) {    static int arr[]= {3,2,1,4,5,6,7,16,15,14,13,12,11,10,8,9};    int i,ilen;    AVLTree root=NULL;    printf("== 高度: %d\n", avltree_height(root));    printf("== 依次添加: ");    ilen = TBL_SIZE(arr);    for(i=0; i<ilen; i++)    {        printf("%d ", arr[i]);        root = avltree_insert(root, arr[i]);    }    printf("\n== 前序遍历: ");    preorder_avltree(root);    printf("\n== 中序遍历: ");    inorder_avltree(root);    printf("\n== 后序遍历: ");    postorder_avltree(root);    printf("\n");    printf("== 高度: %d\n", avltree_height(root));    printf("== 最小值: %d\n", avltree_minimum(root)->key);    printf("== 最大值: %d\n", avltree_maximum(root)->key);    printf("== 树的详细信息: \n");    print_avltree(root, root->key, 0);    i = 8;    printf("\n== 删除根节点: %d", i);    root = avltree_delete(root, i);    printf("\n== 高度: %d", avltree_height(root));    printf("\n== 中序遍历: ");    inorder_avltree(root);    printf("\n== 树的详细信息: \n");    print_avltree(root, root->key, 0);    // 销毁二叉树    destroy_avltree(root);return 0;}