深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

上一篇文章讨论的二叉搜索树(见 https://www.linuxidc.com/Linux/2019-02/156830.htm),其时间复杂度最好的情况下是O(log(n)),但是最坏的情况是O(n),什么时候是O(n)呢?

像这样:

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

如果先插入10,再插入20,再插入30,再插入40就会成上边这个样子

这个就像是双向链表,我们期望它是下面这个样子:

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

所以我们希望有一种策略能够将第一个图变成第二个图,或者说使树的结构不会产生像第一种图的形式

实现这种策略的一种方式是AVL树

AVL树

AVL树的名称是以它的发明家的名字命名的:Adel’son-Vel’skii和Landis

满足高度平衡属性的二叉树就是AVL树

高度平衡属性是:对于树中的每一个位置p,p的孩子的高度最多相差1

很显然前言中的第一个图并不满足高度平衡属性,第二个是满足的。

同时高度平衡属性也意味着一颗AVL树的子树同样是AVL树

并且可以通过证明(这里就不再证了)得到AVL树的高度是O(log n)

所以得出结论,AVL树可以使时间复杂度保持O(log n)

接下来的问题就是怎样保持二叉树的高度平衡属性

保持二叉树的高度平衡属性

要保持高度平衡属性的原因是破坏了高度平衡属性

破坏的方式有两种:添加节点与删除节点

添加节点如图:

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

添加50的时候,就会破坏高度平衡属性

删除节点如图:

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

删除10的时候也会破坏高度平衡属性

最后,不论是添加节点还是删除节点,都会使树变成非高度平衡的状态,这种非高度平衡的状态有4种:

1.LL

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

LL是left-left,可以理解为:首先它不平衡,其次根节点的左子树比右子树高,并且根节点的左子树的左子树比根节点的左子树的右子树高。(从上到下都是左边高)

2.LR

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

LR是left-right,可以理解为:首先它不平衡,其次根节点的左子树比右子树高,并且根节点的左子树的右子树比根节点的左子树的左子树高。(从上到下先左高后右高)

3.RR

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

RR是right-right,可以理解为:首先它不平衡,其次根节点的右子树比左子树高,并且根节点的右子树的右子树比根节点的右子树的左子树高。(从上到下都是右边高)

4.RL

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

RL是right-left,可以理解为:首先它不平衡,其次根节点的右子树比左子树高,并且根节点的右子树的左子树比根节点的右子树的右子树高。(从上到下先右高后左高)

最后,判断是哪种形式的非平衡状态,一定要从不平衡的节点位置看,并不是看4层,比如:

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

这里只有3层节点,不平衡的节点是20,20的左子树比右子树高,10的左子树比右子树高,所以是LL。(这里的高定义为节点5的高度为1,空节点的高度为0)

接下来是保持高度平衡的调整策略:

同样对于4种不同的形式有4种解决方案:

1.LL

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

这个变换就像是以10为中心,向右旋转,使10变成根节点,10的左子树不变,右子树变成了20,多余出的15正好挂在由于变换失去了左子树的20的左边。变换后结点从左到右的顺序依然没有变,所以15是正好挂在20的左边的。

2.RR

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

RR与LL形式差不多,只不顾是反着来的。相当于进行一次左旋转。

RR与LL都只进行一次旋转即可,而LR与RL需要进行两次旋转

3.LR

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

第一次相当于对5、10、15、17这棵子树进行了一次RR旋转,旋转方式与之前的RR方式相同,就像是以15为中心向左旋转,旋转的结果使得整棵树变成了LL的不平衡形态,然后再按照LL的旋转方式对整棵树处理。

4.RL

深入理解平衡二叉树AVL与Python实现

RL同样是LR的相反模式,先将22、25、30、40这棵子树进行LL旋转,再将整棵树进行RR旋转

理解了avl保持平衡从方式后,就可以用代码来实现了

Python实现

我们使用AVL对上一篇文章中的有序映射进行优化

因为AVL依赖于节点的高度,所以首先要重写一下Node类:

class AvlTree(OrderedMap):

内容版权声明:除非注明,否则皆为本站原创文章。

转载注明出处:https://www.heiqu.com/8c7b569c5c9f24df4ea667a8fa775c98.html