平衡二叉搜索树之AVL树

平衡二叉树中,平衡的意思就是当节点数量固定的时候,左右子树的高度越接近,这棵二叉树就越平衡,相应的高度也就越低。最理想的平衡状态其实就是完全二叉树和满二叉树,它们的高度是最小的。
平衡二叉搜索树,英文名称Balanced Binary Search Tree,经典常见的平衡二叉树有AVL树和红黑树。一般也称它们为自平衡的二叉搜索树。
AVL树中,为了判断其平衡状态,定义了“平衡因子”,它表示某节点的左右子树的高度差。
AVL树的特点是:1、每个节点的平衡因子只可能是1或0或-1(即,绝对值<=1,如果超过1,称之为“失衡”。)也即是每个节点的左右子树高度差不超过1;2、搜索、添加、删除的时间复杂度是O(logN);3、父节点、非祖先节点,都不可能失衡;4、失衡最坏的情况,可能会导致所有祖先节点都失衡。

要维护平衡状态,必须先找到最初的失衡节点,以及造成失衡的原因。所谓最初的失衡节点,指的是位于二叉搜索树最下方、接近叶子节点的那个失衡节点,一旦解决了这个失衡节点的失衡状态,其祖先节点的失衡状态也就解决了。

区分出造成一棵已经平衡的二叉搜索树失衡的原因,或者说找出新节点最后经过的添加路径(这里所说的最后的路径指的是从失衡节点开始算),总的来说有四种情况:

  1. 添加路径是右右,从失衡节点g开始,向右先找到右子节点p,再由p向右找到p的右子节点n,给n节点(或其子树)添加了一个节点,造成了失衡;
  2. 添加路径是左左,从失衡节点g开始,向左先找到左子节点p,再由p向左找到p的左子节点n,给n节点(或其子树)添加了一个节点,造成了失衡;
  3. 添加路径是左右,从失衡节点g开始,向左找到左子节点p,再由p向右找到p的右子节点n,给节点n(或其子树)添加了一个节点,造成了失衡;
  4. 添加路径是右左,从失衡节点g开始,向右找到右子节点p,再由p向左找到p的左子节点n,给节点n(或其子树)添加了一个节点,造成了失衡。

还需要理解以下两种操作,是用来将失衡的AVL树再调整为平衡状态的操作:左旋和右旋。

  1. 左旋:用来解决“右右”原因造成的失衡。具体操作就是,将失衡节点的右子树往左拉,右子节点变成父节点,并把晋升之后多余的左子树出让给降级节点的右子节点。可以结合下图进行理解;
    左旋.png
  2. 右旋:用来解决“左左”原因造成的失衡。具体操作就是,将失衡节点的左子树往右拉,左子节点变成父节点,并把晋升之后多余的右子节点出让给降级节点的左子节点。
    右旋.png

由“左右”原因造成的失衡,以及由“右左”原因造成的失衡,都可以用左旋和右旋来解决:

“左右”的失衡,要恢复平衡,需要做的操作是,先左旋,让二叉树变为“左左”的失衡,然后再右旋就可以了。
先左旋后右旋.png

“右左”的失衡,要恢复平衡,需要做的操作是,先右旋,让二叉树变为“右右”的失衡,然后再左旋就可以了。
先右旋后左旋.png
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