二叉平衡樹(shù)AVL Java實(shí)現(xiàn)

完整代碼在:https://github.com/nicktming/code/tree/master/data_structure

二叉平衡樹(shù)

因?yàn)槿绻B續(xù)插入已經(jīng)排好序的鍵到二叉查找樹(shù),二叉查找樹(shù)相當(dāng)于變成了一個(gè)鏈表,查找的時(shí)間會(huì)是O(n),為了解決這個(gè)問(wèn)題,二叉平衡樹(shù)應(yīng)運(yùn)而生.

bst_1.png

它是一 棵空樹(shù)或它的左右兩個(gè)子樹(shù)的高度差的絕對(duì)值不超過(guò)1,并且左右兩個(gè)子樹(shù)都是一棵平衡二叉樹(shù)要拂。

為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo),需要通過(guò)一些手段也就是旋轉(zhuǎn)來(lái)讓樹(shù)平衡.

四種情況

  1. 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左孩子的左子樹(shù)改變 右旋轉(zhuǎn)
  2. 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左孩子的右子樹(shù)改變 左-右旋轉(zhuǎn)
  3. 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的右孩子的左子樹(shù)改變 右-左旋轉(zhuǎn)
  4. 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的右孩子的右子樹(shù)改變 右旋轉(zhuǎn)

接下來(lái)一個(gè)個(gè)來(lái)分析

定義一下樹(shù)結(jié)構(gòu)

public class BinaryBalancedTree<Key extends Comparable<Key>, Value> {

    private Node root;
    
    private class Node {
        Key key;
        Value value;
        Node left, right;
        int height;
        
        public Node(Key key, Value value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
        
        public String toString() {
            return "[" + key + "," + value + "," + height + "]";
        }
    }
    
    private int height(Node h) {
        return h == null ? -1 : h.height;
    }
    
    private int updateHeight(Node h) {
        return Math.max(height(h.left), height(h.right)) + 1;
    }
}

情況1: 右旋轉(zhuǎn)

balancetree_6.jpeg

往平衡樹(shù)里面增加一個(gè)節(jié)點(diǎn),也就是在M的左孩子(G)的左子樹(shù)(以D為根節(jié)點(diǎn)的左子樹(shù))中插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)A(或者E),此時(shí)M的高度差會(huì)從1變化為2,即出現(xiàn)了不平衡. 對(duì)M節(jié)點(diǎn)進(jìn)行右旋會(huì)使樹(shù)達(dá)到平衡.

balancetree_5.jpeg
    /*  右旋   */
    private Node rotateRight(Node h) {
        Node x = h.left;
        h.left = x.right;
        x.right = h;
        
        h.height = updateHeight(h);
        x.height = updateHeight(x); //h,x順序不能變
        return x;
    }

情況4: 左旋

balancetree_7.jpeg

往T的左右子孩子加入一個(gè)節(jié)點(diǎn)Q(或者X)都會(huì)導(dǎo)致G為根節(jié)點(diǎn)的左右子樹(shù)高度差為2出現(xiàn)不平衡,因此需要對(duì)G進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)達(dá)到平衡.

balancetree_8.jpeg
/*  左旋   */
    private Node rotateLeft(Node h) {
        Node x = h.right;
        h.right = x.left;
        x.left = h;
        
        h.height = updateHeight(h);
        x.height = updateHeight(x); //h,x順序不能變
        return x;
    }

情況2: 左-右旋轉(zhuǎn)

往K的左孩子插入J或者右子樹(shù)插入L都會(huì)使以M為根節(jié)點(diǎn)的左右子樹(shù)高度差為2而出現(xiàn)不平衡,然后通過(guò)一次右旋轉(zhuǎn)還是沒(méi)有達(dá)到平衡的效果,左旋轉(zhuǎn)是更加不可能.

原因: 因?yàn)橛倚D(zhuǎn)后M的左孩子就是G的右孩子,本來(lái)就是因?yàn)镚的右孩子的高度增加了使得M的左子樹(shù)高度增加從而比M的右子樹(shù)高度高了2個(gè)長(zhǎng)度.因此我們需要把G的右子樹(shù)的高度轉(zhuǎn)移到G的左子樹(shù)上面后,這樣就相當(dāng)于G的右子樹(shù)沒(méi)有增加了節(jié)點(diǎn),對(duì)M進(jìn)行右旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就可以了. 仔細(xì)體會(huì)一下原因

balancetree_9.jpeg
balancetree_10.jpeg
    /*左-右旋轉(zhuǎn)*/
    private Node rotateLeftRight(Node h) {
        h.left = rotateLeft(h.left);
        return rotateRight(h);
    }

情況3: 右-左旋轉(zhuǎn)

思想與情況2類似,給出圖以供思考

balancetree_13.jpeg
balancetree_13.jpeg
    /*右-左旋轉(zhuǎn)*/
    private Node rotateRightLeft(Node h) {
        h.right = rotateRight(h.right);
        return rotateLeft(h);
    }

插入

進(jìn)入正題, 如何向二叉平衡樹(shù)中插入一個(gè)節(jié)點(diǎn), 做法與二叉查找樹(shù)類似(對(duì)二叉查找樹(shù)不了解的可以看一下我的另外一篇博客二叉查找樹(shù) Java實(shí)現(xiàn)),只是額外增加了平衡的操作. 看代碼.

    public void put(Key key, Value value) {
        root = put(root, key, value);
    }
    
    private Node put(Node h, Key key, Value value) {
        if (h == null) return new Node(key, value);
        int cmp = key.compareTo(h.key);
        
        if (cmp < 0) {
            h.left = put(h.left, key, value);
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是左子樹(shù)比右子樹(shù)高2
                if (key.compareTo(h.left.key) < 0) { // h.左孩子的左子樹(shù)
                    h = rotateRight(h);  //對(duì)h進(jìn)行右旋轉(zhuǎn)
                } else {
                    h = rotateLeftRight(h); // 對(duì)h進(jìn)行左-右旋轉(zhuǎn)
                }
            }
        } else if (cmp > 0) {
            h.right = put(h.right, key, value);
            if (height(h.right) - height(h.left) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                if (key.compareTo(h.right.key) > 0) { // h.右孩子的右子樹(shù)
                    h = rotateLeft(h);      //對(duì)h進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)
                } else {
                    h = rotateRightLeft(h);
                }
            }
        } else {  // 更新value
            h.value = value;
        }
        
        h.height = updateHeight(h);
        return h;
    }
balancetree_16.jpeg

對(duì)比:

balancetree_15.jpeg

刪除

刪除也是一樣的道理,如果你對(duì)二叉查找樹(shù)的刪除比較了解的話,其實(shí)理解這個(gè)刪除操作也會(huì)比較簡(jiǎn)單.

刪除最小鍵

作為預(yù)熱我們先看一下刪除最小鍵將如何刪除.
思路其實(shí)是一樣的,直接將被刪除的節(jié)點(diǎn)的右孩子返回給上一層即可.

    public void deleteMin() {
        root = deleteMin(root);
    }
    
    private Node deleteMin(Node h) {
        if (h == null) return null;
        if (h.left == null) return h.right;
        h.left = deleteMin(h.left);
        if (height(h.right) - height(h.left) == 2) {
            h = rotateLeft(h);
        } 
        return h;
    }
刪除任意鍵

有三種情況:

  1. 被刪除的鍵只有右孩子 思想與刪除最小值很類似
  2. 被刪除的鍵只有左孩子 思想與刪除最大值很類似
  3. 被刪除的鍵有左右孩子 把被刪除節(jié)點(diǎn)的右子樹(shù)的最小鍵換到當(dāng)前節(jié)點(diǎn),然后刪除它的右子樹(shù)的最小鍵即可
    與二叉查找樹(shù)不同的是每一次都要檢查樹(shù)是否平衡
public Node min(Node h) {
        if (h == null) return h;
        while (h.left != null) h = h.left;
        return h;
    }
    
    public void delete (Key key) {
        root = delete(root, key);
    }
    
    private Node delete(Node h, Key key) {
        if (h == null) return null;
        int cmp = key.compareTo(h.key);
        
        if (cmp < 0) {
            h.left = delete(h.left, key);
            if (height(h.right) - height(h.left) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                h = rotateLeft(h);
            }
        } else if (cmp > 0) {
            h.right = delete(h.right, key);
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                h = rotateRight(h);
            }
        } else {
            if (h.left == null) return h.right;
            if (h.right == null) return h.left;
            
            Node min = min(h.right);
            min.right = deleteMin(h.right);
            min.left = h.left;
            
            h = min;
            
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) {
                h = rotateRight(h);
            }
        }
        
        h.height = updateHeight(h);
        return h;
    }

查找

與二叉查找樹(shù)一樣的算法就不多說(shuō)了

整體代碼

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;


public class BinaryBalancedTree<Key extends Comparable<Key>, Value> {

    private Node root;
    
    private class Node {
        Key key;               
        Value value;           
        Node left, right;
        int height;
        
        public Node(Key key, Value value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
        
        public String toString() {
            return "[" + key + "," + value + "," + height + "]";
        }
    }
    
    private int height(Node h) {
        return h == null ? -1 : h.height;
    }
    
    private int updateHeight(Node h) {
        return Math.max(height(h.left), height(h.right)) + 1;
    }
    
    /*  右旋   */
    private Node rotateRight(Node h) {
        Node x = h.left;
        h.left = x.right;
        x.right = h;
        
        h.height = updateHeight(h);
        x.height = updateHeight(x); //h,x順序不能變
        return x;
    }
    
    /*  左旋   */
    private Node rotateLeft(Node h) {
        Node x = h.right;
        h.right = x.left;
        x.left = h;
        
        h.height = updateHeight(h);
        x.height = updateHeight(x); //h,x順序不能變
        return x;
    }
    
    /*左-右旋轉(zhuǎn)*/
    private Node rotateLeftRight(Node h) {
        h.left = rotateLeft(h.left);
        return rotateRight(h);
    }
    
    /*右-左旋轉(zhuǎn)*/
    private Node rotateRightLeft(Node h) {
        h.right = rotateRight(h.right);
        return rotateLeft(h);
    }
    
    
    public void put(Key key, Value value) {
        root = put(root, key, value);
    }
    
    private Node put(Node h, Key key, Value value) {
        if (h == null) return new Node(key, value);
        int cmp = key.compareTo(h.key);
        
        if (cmp < 0) {
            h.left = put(h.left, key, value);
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是左子樹(shù)比右子樹(shù)高2
                if (key.compareTo(h.left.key) < 0) { // h.左孩子的左子樹(shù)
                    h = rotateRight(h);  //對(duì)h進(jìn)行右旋轉(zhuǎn)
                } else {
                    h = rotateLeftRight(h); // 對(duì)h進(jìn)行左-右旋轉(zhuǎn)
                }
            }
        } else if (cmp > 0) {
            h.right = put(h.right, key, value);
            if (height(h.right) - height(h.left) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                if (key.compareTo(h.right.key) > 0) { // h.右孩子的右子樹(shù)
                    h = rotateLeft(h);      //對(duì)h進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)
                } else {
                    h = rotateRightLeft(h);
                }
            }
        } else {  // 更新value
            h.value = value;
        }
        
        h.height = updateHeight(h);
        return h;
    }
    
    public void deleteMin() {
        root = deleteMin(root);
    }
    
    private Node deleteMin(Node h) {
        if (h == null) return null;
        if (h.left == null) return h.right;
        h.left = deleteMin(h.left);
        if (height(h.right) - height(h.left) == 2) {
            h = rotateLeft(h);
        } 
        return h;
    }
    
    public Node min(Node h) {
        if (h == null) return h;
        while (h.left != null) h = h.left;
        return h;
    }
    
    public void delete (Key key) {
        root = delete(root, key);
    }
    
    private Node delete(Node h, Key key) {
        if (h == null) return null;
        int cmp = key.compareTo(h.key);
        
        if (cmp < 0) {
            h.left = delete(h.left, key);
            if (height(h.right) - height(h.left) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                h = rotateLeft(h);
            }
        } else if (cmp > 0) {
            h.right = delete(h.right, key);
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) { //出現(xiàn)不平衡 只會(huì)是右子樹(shù)比左子樹(shù)高2
                h = rotateRight(h);
            }
        } else {
            if (h.left == null) return h.right;
            if (h.right == null) return h.left;
            
            Node min = min(h.right);
            min.right = deleteMin(h.right);
            min.left = h.left;
            
            h = min;
            
            if (height(h.left) - height(h.right) == 2) {
                h = rotateRight(h);
            }
        }
        
        h.height = updateHeight(h);
        return h;
    }

    public Value get(Key key) {
        return get(root, key);
    }
    
    private Value get(Node h, Key key) {
        if (h == null) return null;
        int cmp = key.compareTo(h.key);
        
        if (cmp < 0) return get(h.left, key);
        else if (cmp > 0) return get(h.right, key);
        else return h.value;
    }
    
    
    public void layerTraverse() {
        layerTraverse(root);
    }
    
    /* 
     *    橫向遍歷
     */
    private void layerTraverse(Node h) {
        if (h == null) return;
        Queue<Node> queue = new LinkedList<Node>();
        queue.add(h);
        while (!queue.isEmpty()) {
            Queue<Node> tmp = new LinkedList<Node>();
            while (!queue.isEmpty()) {
                Node cur = queue.poll();
                System.out.print(cur + " ");
                if (cur != null) {
                    tmp.add(cur.left);
                    tmp.add(cur.right);
                }
            }
            queue = tmp;
            System.out.println();
        }
    }
    
    
    public static void main(String[] args) {
        BinaryBalancedTree<String, Integer> bst = new BinaryBalancedTree<String, Integer>();
        bst.put("A", 0);
        bst.put("B", 1); 
        bst.put("C", 2);
        bst.put("D", 3);
        bst.put("E", 4);
        bst.put("F", 5);
        bst.put("G", 6);
        bst.layerTraverse();
        
        bst.delete("D");
        bst.layerTraverse();
        
        bst.delete("E");
        bst.layerTraverse();
        
        bst.delete("F");
        bst.layerTraverse();
    }

}
balancetree_17.jpeg
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  • 文/不壞的土叔 我叫張陵宠哄,是天一觀的道長(zhǎng)。 經(jīng)常有香客問(wèn)我嗤攻,道長(zhǎng)毛嫉,這世上最難降的妖魔是什么? 我笑而不...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 56,799評(píng)論 1 285
  • 正文 為了忘掉前任妇菱,我火速辦了婚禮承粤,結(jié)果婚禮上,老公的妹妹穿的比我還像新娘闯团。我一直安慰自己辛臊,他們只是感情好,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 65,910評(píng)論 6 386
  • 文/花漫 我一把揭開(kāi)白布房交。 她就那樣靜靜地躺著彻舰,像睡著了一般。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上刃唤,一...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 50,096評(píng)論 1 291
  • 那天隔心,我揣著相機(jī)與錄音,去河邊找鬼尚胞。 笑死硬霍,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛,可吹牛的內(nèi)容都是我干的辐真。 我是一名探鬼主播须尚,決...
    沈念sama閱讀 39,159評(píng)論 3 411
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開(kāi)眼崖堤,長(zhǎng)吁一口氣:“原來(lái)是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼侍咱!你這毒婦竟也來(lái)了?” 一聲冷哼從身側(cè)響起密幔,我...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 37,917評(píng)論 0 268
  • 序言:老撾萬(wàn)榮一對(duì)情侶失蹤楔脯,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎,沒(méi)想到半個(gè)月后胯甩,有當(dāng)?shù)厝嗽跇?shù)林里發(fā)現(xiàn)了一具尸體昧廷,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 44,360評(píng)論 1 303
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡,尸身上長(zhǎng)有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 36,673評(píng)論 2 327
  • 正文 我和宋清朗相戀三年偎箫,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了木柬。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片。...
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  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡淹办,死狀恐怖眉枕,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出,到底是詐尸還是另有隱情怜森,我是刑警寧澤速挑,帶...
    沈念sama閱讀 34,509評(píng)論 4 334
  • 正文 年R本政府宣布,位于F島的核電站副硅,受9級(jí)特大地震影響姥宝,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏。R本人自食惡果不足惜恐疲,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 40,156評(píng)論 3 317
  • 文/蒙蒙 一腊满、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。 院中可真熱鬧培己,春花似錦碳蛋、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
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  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽(yáng)。三九已至茸炒,卻和暖如春愕乎,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間阵苇,已是汗流浹背。 一陣腳步聲響...
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  • 我被黑心中介騙來(lái)泰國(guó)打工感论, 沒(méi)想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留绅项,地道東北人。 一個(gè)月前我還...
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  • 正文 我出身青樓比肄,卻偏偏與公主長(zhǎng)得像快耿,于是被迫代替她去往敵國(guó)和親。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子芳绩,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
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