Splay Tree——动机和宏观策略

之前我们谈论过AVL树,这是一种典型适度平衡的二叉搜索树,成立条件是保持平衡因子在[-1,1]的范围内,这个条件已经是针对理想平衡做出的一个妥协了,但依然显得过于苛刻,因为在很多时候我们需要频繁的做重平衡操作,能不能改进一下,让失衡先积累着,然后等到某个时机,一下子全部解决呢?严谨一点来水就是我们能否秉持一种更为宽松的准则,同时又从长远、整体的角度来看,依然不失某种意义上的平衡性呢?

 

根据写作套路,那肯定就是点题了。。。对!就是伸展树了,他的出现是因为有人注意到了在信息处理过程中的局部性,就是刚被访问过的数据,极有可能很快的被再次访问到,针对特性大做文章,就能切中肯綮了,这也是下面我们要分析的细节。

 

在二叉搜索树里也时常遇到,主要是两种情况:

每次刚刚访问过的某一个节点有可能很快的会再次被我们访问到

下次访问的节点即便不是刚访问过的那个节点,也不会离得太远

通过此前的学习我们已经知道,对于AVL树而 每一次查找所需的时间都是logn,因此任意的连续m次查找,所需要的累积时间就是mlogn,为了改进,就针对这个局部性来做一做文章吧:先来看一个例子,然后类比推理即可。链表里越靠近表头的节点的查找速度越快,遍历所走的步数少嘛,那么如果数据访问有局部性,我们就——访问一个元素后立即把他移动到最前端。

Splay Tree——动机和宏观策略

 

这样做的逻辑是:根据局部性,接下来将要访问的元素很可能就是刚访问的那个元素,而这个元素就在最前端,头部元素的访问是访问是唾手可得的,走一步就到了。从整个数据结构的生命周期而言,这样一个列表结构即便最初是完全随机分布的,在经过了足够长时间的使用之后,在某一段时间内被集中访问的元素都会集中到这个列表的前端去。我们已经知道这个区域(列表前段部分)的访问效率是相应更高的,那就能有更高的访问效率了。

 

现在回到二叉树,为了对比就让树横过来。

Splay Tree——动机和宏观策略

树的顶部元素访问效率更高,所以我们要参照列表,把经常要访问到的元素尽可能的移送到接近树根的位置,也就是要尽可能的降低他们的深度。

 

Splay Tree——动机和宏观策略

那我们就这么办:某个元素一经访问,就把它移到树根处。具体做法就是把被访问元素不断做旋转操作直到抵达树根,这样的策略被称为“逐层伸展”,是一种朴素的想法,但是不够好,因为在最坏情况下树退化为一条单链,我们来个极端的,每次恶意访问最深的节点,就会变成这样:

Splay Tree——动机和宏观策略

先注意一下特征:每层只挂了一个节点,这是弊端所在,后面还会提到。然后经过一轮询问,这个树就复原了。看一下整个过程(竖着看)

Splay Tree——动机和宏观策略

 

我们分析一下这一轮操作的代价:假设树的规模是n,访问第一个最深节点的成本是n,第二个节点是n-1,第三个是n-2,然后是n-3n-4和最终的1。整个成本按算术级数增长,这就很恐怖了,总体时间O(N^2),分摊到整个周期的n次操作,复杂度omigaN)居高不下,和AVL树的logn相差甚远,这已经沦落到了线性序列的地步。另外还有一个弊端在于:我们需要为此考虑很多种特殊情况。所以这个策略无法让人满意。

 

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