數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——AVL樹(C語言)

AVL(Adelson-Velskii 和 Landis)樹是帶有平衡條件的二叉查找樹。在計算機(jī)科學(xué)中揍魂,AVL樹是最先發(fā)明的自平衡二叉查找樹。在AVL樹中任何節(jié)點的兩個子樹的高度最大差別為1肃廓,所以它也被稱為高度平衡樹挎峦。查找、插入和刪除在平均和最壞情況下的時間復(fù)雜度都是O(lngn)搜吧。增加和刪除可能需要通過一次或多次樹旋轉(zhuǎn)來重新平衡這個樹市俊。

節(jié)點的平衡因子是它的左子樹的高度減去它的右子樹的高度(有時相反)。帶有平衡因子1滤奈、0或-1的結(jié)點被認(rèn)為是平衡的摆昧。帶有平衡因子-2或2的節(jié)點被認(rèn)為是不平衡的,并需要重新平衡這個樹僵刮。平衡因子可以直接存儲在每個節(jié)點中据忘,或從可能存儲在節(jié)點中的子樹高度計算出來鹦牛。

AVL樹的基本操作一般涉及運(yùn)作同在不平衡的二叉查找樹所運(yùn)作的同樣的算法。但是要進(jìn)行預(yù)先或隨后做一次或多次所謂的"AVL旋轉(zhuǎn)"勇吊。

以下圖標(biāo)表示的四種情況曼追,就是AVL旋轉(zhuǎn)中常見的四種。(圖片用了維基百科的汉规,不確定不開vpn圖是否會掛)礼殊。

下面來看AVL樹的操作有哪些:

#ifndef _AvlTree_H

struct AvlNode;
typedef struct AvlNode *Position;
typedef struct AvlNode *AvlTree;
typedef int ElementType;

AvlTree MakeEmpty( AvlTree T );
Position Find( ElementType X, AvlTree T );
Position FindMin( AvlTree T );
Position FindMax( AvlTree T );
AvlTree Insert( ElementType X, AvlTree T );
AvlTree Delete( ElementType X, AvlTree T );
ElementType Retrieve( Position P );

#endif /* _AvlTree_H */

下面是對于上面操作定義的實現(xiàn):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "AvlTree.h"

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

typedef int Status;

struct AvlNode
{
    ElementType Element;
    AvlTree Left;
    AvlTree Right;
    int Height;
};

AvlTree MakeEmpty(AvlTree T)
{
    if (T != NULL)
    {
        MakeEmpty(T->Left);
        MakeEmpty(T->Right);
        free(T);
    }
    return NULL;
}

/**
 * 計算Avl節(jié)點高度
 * @param  P 節(jié)點P
 * @return 樹高
 */
static int Height(Position P)
{
    if (P == NULL)
        return -1;
    else
        return P->Height;
}

static int Max(int a, int b)
{
    return a > b ? a : b;
}

/* 向左單旋 */
static Position SingleRotateWithLeft(Position K2)
{
    Position 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; /* New Root */
}

/* 向右單旋  */
static Position SingleRotateWithRight(Position K2)
{
    Position K1;

    K1 = K2->Right;
    K2->Right = K1->Left;
    K1->Left = K2;

    K2->Height = Max(Height(K2->Left), Height(K2->Right)) + 1;
    K1->Height = Max(K2->Height, Height(K1->Right)) + 1;

    return K1; /*New root */
}

/* 向左雙旋 */
static Position DoubleRotateWithLeft(Position K3)
{
    /* Rotate between K1 and K2 */
    K3->Left = SingleRotateWithRight(K3->Left);

    /* Rotate between K3 and K2 */
    return SingleRotateWithLeft(K3);
}

/* 向右雙旋 */
static Position DoubleRotateWithRight(Position K3)
{
    K3->Right = SingleRotateWithLeft(K3->Right);

    return SingleRotateWithRight(K3);
}

AvlTree Insert(ElementType X, AvlTree T)
{
    if (T == NULL)
    {
        T = malloc( sizeof( struct AvlNode ) );
        if (T == NULL)
            printf("Out of space!!!\n");
        else
        {
            T->Element = X;
            T->Height = 0;
            T->Left = T->Right = NULL;
        }
    }
    else if (X < T->Element) /* 左子樹插入新節(jié)點 */
    {
        T->Left = Insert(X, T->Left);
        if (Height(T->Left) - Height(T->Right) == 2)
            if (X < T->Left->Element)
                T = SingleRotateWithLeft(T);
            else
                T = DoubleRotateWithLeft(T);
    }
    else if (X > T->Element) /* 右子樹插入新節(jié)點 */
    {
        T->Right = Insert(X, T->Right);
        if (Height(T->Right) - Height(T->Left) == 2)
            if (X > T->Right->Element)
                T = SingleRotateWithRight(T);
            else
                T = DoubleRotateWithRight(T);
    }
    /* Else X is in the tree alredy; we'll do nothing */
    T->Height = Max(Height(T->Left), Height(T->Right)) + 1;
    return T;
}

AvlTree Delete(ElementType X, AvlTree T)
{
    Position TmpCell;
     if(T == NULL) {
        printf("沒找到該元素,無法刪除针史!\n");
        return NULL;
     }
     else if (X < T->Element)
         T->Left = Delete(X, T->Left);
     else if (X > T->Element)
         T->Right = Delete(X, T->Right);
     else if(T->Left && T->Right) { //要刪除的樹左右都有兒子
         TmpCell = FindMin(T->Right);   //用該結(jié)點右兒子上最小結(jié)點替換該結(jié)點晶伦,然后與只有一個兒子的操作方法相同
         T->Element = TmpCell->Element;
         T->Right = Delete(T->Element, T->Right);
     }else{
         TmpCell = T;        //要刪除的結(jié)點只有一個兒子
         if(T->Left == NULL)
             T = T->Right;
         else if(T->Right == NULL)
             T = T->Left;
         free(TmpCell);
     }
     return T;
}

/* 查找X元素所在的位置 */
Position Find(ElementType X, AvlTree T)
{
    if (T == NULL)
        return NULL;
    if (X < T->Element)
        return Find(X, T->Left);
    else if (X > T->Element)
        return Find(X, T->Right);
    else
        return T;
}

/* search the min element in AvlTree*/
Position FindMin(AvlTree T)
{
    if (T == NULL)
        return NULL;
    else if (T->Left == NULL)
        return T;
    else
        return FindMin(T->Left);
}

/* search the max element in AvlTree */
Position FindMax(AvlTree T)
{
    if (T == NULL)
        return NULL;
    else if (T->Right == NULL)
        return T;
    else
        return FindMax(T->Right);
}

ElementType Retrieve(Position P)
{
    if(P != NULL)
        return P->Element;
    return -1;
}

/**
 * 前序遍歷"二叉樹"
 * @param T Tree
 */
void PreorderTravel(AvlTree T)
{
    if (T != NULL)
    {
        printf("%d\n", T->Element);
        PreorderTravel(T->Left);
        PreorderTravel(T->Right);
    }
}

/**
 * 中序遍歷"二叉樹"
 * @param T Tree
 */
void InorderTravel(AvlTree T)
{
    if (T != NULL)
    {
        InorderTravel(T->Left);
        printf("%d\n", T->Element);
        InorderTravel(T->Right);
    }
}

/**
 * 后序遍歷二叉樹
 * @param T Tree
 */
void PostorderTravel(AvlTree T)
{
    if (T != NULL)
    {
        PostorderTravel(T->Left);
        PostorderTravel(T->Right);
        printf("%d\n", T->Element);
    }
}

/* 打印二叉樹信息 */
void PrintTree(AvlTree T, ElementType Element, int direction)
{
    if (T != NULL)
    {
        if (direction == 0)
            printf("%2d is root\n", T->Element);
        else
            printf("%2d is %2d's %6s child\n", T->Element, Element, direction == 1 ? "right" : "left");

        PrintTree(T->Left, T->Element, -1);
        PrintTree(T->Right, T->Element, 1);
    }
}

在實現(xiàn)完成這些函數(shù)后,我們在main函數(shù)中對AVL樹進(jìn)行測試:

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("Hello World\n");

    AvlTree T;
    Position P;
    int i;

    T = MakeEmpty(NULL);

    T = Insert(21, T);
    T = Insert(2150, T);
    T = Insert(50, T);
    T = Insert(12, T);
    T = Insert(1201, T);

    printf("Root: %d\n", T->Element);

    printf("樹的詳細(xì)信息: \n");
    PrintTree(T, T->Element, 0);

    printf("前序遍歷二叉樹: \n");
    PreorderTravel(T);

    printf("中序遍歷二叉樹: \n");
    InorderTravel(T);

    printf("后序遍歷二叉樹: \n");
    PostorderTravel(T);

    printf("最大值: %d\n", FindMax(T)->Element);
    printf("最小值: %d\n", FindMin(T)->Element);

    Delete(50, T);
    printf("樹的詳細(xì)信息: \n");
    PrintTree(T, T->Element, 0);

    return 0;
}

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