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AVL(Adelson-Velskii 和 Landis)树是带有平衡条件的[二叉查找树],又叫做平衡二叉树。在AVL树中任何节点的两个子树高度差最多为1,所以它又被称为高度平衡树。
如下图中可以清晰的看出,左边的树其根节点左子树高度为3,右子树高度为2,符合AVL树的特点;而右边的树其根节点左子树高度为3,右子树高度为1,不符合AVL树的特点。因此左边的树为AVL树,右边的树不是AVL树。
那么怎样才能保持这种平衡呢?
答案便是在插入或删除节点时,通过对树进行简单的修正来保持平衡,我们称之为旋转。
旋转分为单旋转(single rotation)和双旋转(double rotation)。
而单旋转又分为:
双旋转又分为:
单看这些名词概念是不容易理解的,下面我们通过图例来逐个介绍。
看下图中左边的树,该树是一棵二叉查找树,但是否满足AVL的特性呢?可以发现其根节点的左子树的高度为1,而右子树的高度为3,所以其不一棵AVL树。
经过观察,其右子树高于左子树,并且最高的叶子节点也在右边,那么我们使用左旋转进行平衡。
详细旋转过程:
哈哈,是不是有点绕,其实也可以简单理解为:既然右子树比左子树高,那么将树根4向左下移,将树根的右子节点6向上移,成为新的树根,这样便使左右子树的高度平衡了。结合上图,反复练习几次吧。
右旋转与左旋转正好是对称的,看下图中左边的树,该二叉查找树的左子树高度为3,而右子树高度为1,不满足AVL树的旋转。
因其左子树高于右子树,并且最高的叶子节点在左边,所以我们使用右旋转。
详细旋转过程:
左旋转与右旋转一定要理解,不然下面的双旋转就更容易晕菜了!
在介绍双旋转之前,先来看下图,其根节点的左子树高度为3,右子树高度为9,那么我们先使用右旋转的方式,看能不能达平衡的效果。
通过观察右旋转后的效果,是不满足AVL树的特性的。这便需要使用双旋转了。
我们使用左-右旋转来平衡上图中的树,即先进行左旋转,再进行右旋转,但其平衡点不同,如下图所示。
详细旋转过程:
那么反过来,右-左双旋转的详细过程:
AVL树的实现是在[二叉查找树]的基础上添加了平衡操作。
在Node类中添加节点高度方法height
、leftHeight
和rightHeight
,若节点为空则高度为0。
// 当前节点高度 public int height() { return Math.max(left == null ? 0 : left.height(), right == null ? 0 : right.height()) + 1; } // 左子节点高度 public int leftHeight() { if (left == null) { return 0; } return left.height(); } // 右子节点高度 public int rightHeight() { if (right == null) { return 0; } return right.height(); }
在Node类中增加左旋转方法leftRotate
。
public void leftRotate() { // 将当前节点向左下移,成为新的左节点 Node newLeftNode = new Node(element); newLeftNode.left = left; // 将右子节点设为原根节点右子树的左子树 newLeftNode.right = right.left; // 将右节点上移,成为新的树根(当前节点) element = right.element; // 将左子节点设为新的左子节点(原树根) left = newLeftNode; right = right.right; }
在Node类中增加右旋转方法rightRotate
。
public void rightRotate() { // 将当前节点向右下移,成为新的右子节点 Node newRightNode = new Node(element); // 将左子节点指向原根节点的左子树的右子树 newRightNode.left = left.right; newRightNode.right = right; // 将左子节点上移,成为新的树根(当前节点) element = left.element; left = left.left; // 将右子节点设为新的右子节点(原树根) right = newRightNode; }
在AVLTree类中添加平衡方法balance
,该方法用于判断是需要单旋转还是双旋转。
public void balance(Node node) { if (node == null) { return; } if (node.leftHeight() - node.rightHeight() > 1) { if (node.left.rightHeight() > node.left.leftHeight()) { node.left.leftRotate(); } node.rightRotate(); } else if (node.rightHeight() - node.leftHeight() > 1) { if (node.right.leftHeight() > node.right.rightHeight()) { node.right.rightHeight(); } node.leftRotate(); } }
在AVLTree类中增加添加节点方法,当添加完一个节点后,进行调用balance
方法,来维持平衡。
private void add(Node node, int element) { if (node.compareTo(element) < 0) { if (node.left == null) { node.left = new Node(element); } else { add(node.left, element); } } else if (node.compareTo(element) > 0) { if (node.right == null) { node.right = new Node(element); } else { add(node.right, element); } } balance(node); }
在AVLTree类中增加删除节点方法,当删除完一个节点后,也进行调用balance
方法,来维护平衡。
private void remove(Node parentNode, Node node, int element) { if (node == null) { return; } // 先找到目标元素 int compareResult = node.compareTo(element); if (compareResult < 0) { remove(node, node.left, element); } else if (compareResult > 0) { remove(node, node.right, element); } else { // 找到目标元素,判断该节点是父节点的左子树还是右子树 boolean isLeftOfParent = false; if (parentNode.left != null && parentNode.left.compareTo(element) == 0) { isLeftOfParent = true; } // 删除目标元素 if (node.left == null && node.right == null) { // (1)目标元素为叶子节点,直接删除 if (isLeftOfParent) { parentNode.left = null; } else { parentNode.right = null; } } else if (node.left != null && node.right != null) { // (2)目标元素即有左子树,也有右子树 // 找到右子树最小值(叶子节点),并将其删除 Node minNode = findMin(node.right); remove(minNode.element); // 将该最小值替换要删除的目标节点 minNode.left = node.left; minNode.right = node.right; if (isLeftOfParent) { parentNode.left = minNode; } else { parentNode.right = minNode; } } else { // (3)目标元素只有左子树,或只有右子树 if (isLeftOfParent) { parentNode.left = node.left != null ? node.left : node.right; } else { parentNode.right = node.left != null ? node.left : node.right; } } } balance(node); }
由于完整代码篇幅过长,这里就不展示了,可以通过GitHub进行访问,地址如下:
github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-data-structures/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/datastructures/tree/AVLTreeDemo.java
总结一句话来表示AVL树:AVL树是一棵其平衡因子(左右子树的高度差)的绝对值小于1的二叉查找树,其可以通过单旋转或双旋转来保持平衡。