本文将介绍AVL树及其插入、删除操作,最后使用C编程语言实现基于平衡因子(balance factor)的AVL树

什么是AVL树?

AVL树(AVL tree)是前苏联计算机科学家Adelson-Velsky和Landis发明的一种自平衡二叉查找树(self-balancing binary search tree)。它有两大属性,一个是继承自二叉查找树的查找属性(binary search property),另一个是AVL树特有的平衡因子属性(balance factor property)。

节点的平衡因子是节点两个子树的高度差

    BalanceFactor(N) = Height(RightSubtree(N)) – Height(LeftSubtree(N))

AVL树限定任意节点两个子树的高度差最大为1

    BalanceFactor(N) ∈ {–1,0,+1}

由于AVL树是一种二叉查找树,所以它只能维持大体平衡,无法达到完全平衡。AVL树通过限定任意节点两个子树的高度差最大为1来保证二叉查找树的大体平衡,如果高度差大于1,则需要重新平衡。

AVL树只能大体平衡,2-3-4树通过可变的元素数量可完全平衡。

       1
/ \ (1)
5 9 / \
/ (5) (6 9)
6 AVL树 2-3-4树

插入、删除操作

插入、删除操作后需要更新所有被影响的节点的平衡因子,稍作观察就能发现这些节点一定在从根节点到被插入、删除节点的路径上,这些节点都是被插入、删除节点的祖先节点(ancestors)。如何更新这些节点的平衡因子?如果更新后的平衡因子为+2或-2,如何重新平衡(rebalance)?

为了更好的描述,我们把根节点到被插入、删除节点的路径称作查找路径(search path),这条路径贯穿被插入、删除节点的所有祖先节点。

插入6的查找路径为1,9

      1
/ \
5 9 删除6的查找路径为1,9 1
/ \
5 9
/
6 所以插入、删除操作只会影响查找路径上节点的平衡因子,而不会影响别的节点的平衡因子。

AVL树的插入操作

插入操作可能会导致查找路径上节点的高度增大,所以需要更新查找路径上节点的平衡因子,如果更新平衡因子后节点违背了平衡因子属性,则需要通过旋转进行重新平衡。过程如下:

  1. 从被插入节点的父节点开始,按照查找路径原路返回直到根节点,返回过程中更新当前节点的平衡因子,如果发现当前节点更新后的平衡因子绝对值大于1,则使用旋转操作进行重新平衡;
  2. 达到以下任一条件则完成所有操作。

    a. 节点高度保持不变;

    b. 旋转操作(该节点必然恢复原高度);

    c. 到达根节点。

AVL树的删除操作

与插入操作类似,删除操作可能会导致查找路径上节点的高度减小,所以需要更新查找路径上节点的平衡因子,如果更新平衡因子后节点违背了平衡因子属性,则需要通过旋转进行重新平衡。过程如下:

  1. 从被删除节点的父节点开始,按照查找路径原路返回,返回过程中更新当前节点的平衡因子,如果发现当前节点更新后的平衡因子绝对值大于1,则使用旋转操作进行重新平衡;
  2. 达到以下任一条件则完成更新和修复操作。

    a. 节点高度保持不变;

    b. 旋转操作且旋转后节点恢复原高度;

    c. 到达根节点。

综上,AVL树的插入操作最多只需要一次旋转操作就能重新平衡,而删除操作则可能需要多次旋转操作才能重新平衡。

AVL树的实现

经过较长时间的学习和分析,使用C编程语言实现了一个完整的基于平衡因子的AVL树,源码链接为https://github.com/xieqing/avl-tree,该实现通过了较完整的测试用例的验证,README.md对AVL树的实现做了详尽的分析,另外,通过一个简单的使用示例avl_example.c,您可以快速了解它的使用方法。

欢迎大家指正。

/*
* Copyright (c) 2019 xieqing. https://github.com/xieqing
* May be freely redistributed, but copyright notice must be retained.
*/

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