数据结构之 平衡二叉树
平衡二叉树，是一种二叉排序树，其中每个结点的左子树和右子树的高度差至多等于1。它是一种高度平衡的二叉排序树。高度平衡？意思是说，要么它是一棵空树，要么它的左子树和右子树都是平衡二叉树，且左子树和右子树的深度之差的绝对值不超过1。
将二叉树上结点的左子树深度减去右子树深度的值称为平衡因子BF，那么平衡二叉树上的所有结点的平衡因子只可能是-1、0和1。只要二叉树上有一个结点的平衡因子的绝对值大于1，则该二叉树就是不平衡的。
平衡二叉树的前提是它是一棵二叉排序树。
距离插入结点最近的，且平衡因子的绝对值大于1的结点为根的子树，称为最小不平衡子树。如下图所示，当插入结点37时，距离它最近的平衡因子的绝对值超过1的结点是58。
1、平衡二叉树实现原理
平衡二叉树构建的基本思想就是在构建二叉排序树的过程中，每当插入一个结点时，先检查是否因插入而破坏了树的平衡性，若是，则找出最小不平衡子树。在保持二叉排序树特性的前提下，调整最小不平衡子树中各结点之间的链接关系，进行相应的旋转，使之成为新的平衡子树。 下面讲解一个平衡二叉树构建过程的例子。现在又a[10] = {3, 2, 1, 4, 5, 6, 7, 10, 9, 8}需要构建二叉排序树。在没有学习平衡二叉树之前，根据二叉排序树的特性，通常会将它构建成如下左图。虽然完全符合二叉排序树的定义，但是对这样高度达到8的二叉树来说，查找是非常不利的。因此，更加期望构建出如下右图的样子，高度为4的二叉排序树，这样才可以提供高效的查找效率。
现在来看看如何将一个数组构成出如上右图的树结构。 对于数组a的前两位3和2，很正常地构建，到了第个数“1”时，发现此时根结点“3”的平衡因子变成了2，此时整棵树都成了最小不平衡子树，需要进行调整，如下图图1（结点左上角数字为平衡因子BF值）。因为BF为正，因此将整个树进行右旋（顺时针），此时结点2成了根结点，3成了2的右孩子，这样三个结点的BF值均为0，非常的平衡，如下图图2所示。
然后再增加结点4，平衡因子没有改变，如上图图3。增加结点5时，结点3的BF值为-2，说明要旋转了。由于BF是负值，对这棵最小平衡子树进行左旋（逆时针旋转），如下图图4，此时整个树又达到了平衡。
继续增加结点6时，发现根结点2的BF值变成了-2，如下图图6所示。所以对根结点进行了左旋，注意此时本来结点3是结点3的左孩子，由于旋转后需要满足二叉排序树特性，因此它成了结点2的右孩子，如图7所示。
增加结点7，同样的左旋转，使得整棵树达到平衡，如下图8和9所示。
当增加结点10时，结构无变化，如图10所示。再增加结点9，此时结点7的BF变成了-2，理论上只需要旋转最小不平衡树7、9、10即可，但是，如果左旋转后，结点9变成了10的右孩子，这是不符合二叉排序树的特性的，此时不能简单的左旋。如图11所示。
仔细观察图11，发现根本原因在于结点7的BF是-2，而结点10的BF是1，也就是说，它们两个一正一负，符号并不统一，而前面的几次旋转，无论左还是右旋，最小不平衡子树的根结点与它的子结点符号都是相同的。这就是不能直接旋转的关键。 不统一，不统一就把它们先转到符号统一再说，于是先对结点9和结点10进行右旋，使得结点10成了9的右子树，结点9的BF为-1，此时就与结点7的BF值符号统一了，如图12所示。
这样再以结点7为最小不平衡子树进行左旋，得到如下图13。接着，插入8，情况与刚才类似，结点6的BF是-2，而它的右孩子9的BF是1，如图14，因此首先以9为根结点，进行右旋，得到图15，此时结点6和结点7的符号都是负，再以6为根结点左旋，最终得到最后的平衡二叉树，如图16所示。
通过这个例子，可以发现，当最小不平衡树根结点的平衡因子BF是大于1时，就右旋，小于-1时就左旋，如上例中的结点1、5、6、7的插入等。插入结点后，最小不平衡子树的BF与它的子树的BF符号相反时，就需要对结点先进行一次旋转以使得符号相同后，再反向旋转一次才能够完成平衡操作，如上例中结点9、8的插入时。
下面两个图讲解了插入时所要做的旋转操作的例子。《来自：http://www.cnblogs.com/guyan/archive/2012/09/03/2668399.html》
2、平衡二叉树算法的实现
首先是需要改进二叉排序树的结点结构，增加一个bf，用来存储平衡因子。
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typedef
struct
BitNode{ int
data; int
bf; struct
BitNode *lchild, *rchild;}BitNode,
*BiTree; |
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void
R_rotate(BiTree *t){ BiTree
s; s
= (*t)->lchild; //s指向t的左子树根结点 (*t)->lchild
= s->rchild; //s的右子树挂接为t的左子树 s->rchild
= (*t); *p
= s; //t指向新的根结点} |
上面的例子中新增加了结点N，就是右旋操作。
左旋代码如下所示。
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void
L_rotate(BiTree *t){ BiTree
s; s
= (*t)->rchild; //s指向t的右子树根结点 (*t)->rchild
= s->lchild; //s的左子树挂接为t的右子树 s->lchild
= (*t); *p
= s; //t指向新的根结点} |
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#define
LH +1 /* 左高 */ #define
EH 0 /* 等高 */ #define
RH -1 /* 右高 */ /*
对以指针T所指结点为根的二叉树作左平衡旋转处理 *//*
本算法结束时，指针T指向新的根结点 */void
LeftBalance(BiTree *T){
BiTree
L,Lr; L
= (*T)->lchild; /*
L指向T的左子树根结点 */ switch(L->bf) {
/*
检查T的左子树的平衡度，并作相应平衡处理 */ case
LH: /*
新结点插入在T的左孩子的左子树上，要作单右旋处理 */ (*T)->bf=L->bf=EH; R_Rotate(T); break; case
RH: /*
新结点插入在T的左孩子的右子树上，要作双旋处理 */ Lr=L->rchild;
/*
Lr指向T的左孩子的右子树根 */ switch(Lr->bf) {
/*
修改T及其左孩子的平衡因子 */ case
LH: (*T)->bf=RH; L->bf=EH; break; case
EH: (*T)->bf=L->bf=EH; break; case
RH: (*T)->bf=EH; L->bf=LH; break; } Lr->bf=EH; L_Rotate(&(*T)->lchild);
/*
对T的左子树作左旋平衡处理 */ R_Rotate(T);
/*
对T作右旋平衡处理 */ }} |
首先，定义三个常数变量，分别代码1、0、-1。
（1）函数被调用，传入一个需调整平衡型的子树T。由于LeftBalance函数被调用时，其实是已经确认当前子树是不平衡的状态，且左子树的高度大于右子树的高度。换句话说，此时T的根结点应该是平衡因子BF的值大于1的数。
（2）将T的左孩子赋值给L。
（3）然后是分支判断。
（4）当L的平衡因子为LH，即为1时，表明它与根结点的BF值符号相同，因此，将它们的BF值都改为0，并进行右旋（顺时针）操作，操作方式如图所示。
（5）当L的平衡因子为RH时，即为-1时，表明它与根结点的BF值符号相反，此时需要做双旋操作。针对L的右孩子的BF作判断，修改结点T和L的BF值。将当前的Lr的BF改为0。
（6）对根结点的左子树进行左旋，如下图第二图所示。
（7）对根结点进行右旋，如下图第三图所示，完成平衡操作。
右平衡（使右边平衡）旋转处理的函数代码如下。
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/*
对以指针T所指结点为根的二叉树作右平衡旋转处理， *//*
本算法结束时，指针T指向新的根结点 */void
RightBalance(BiTree *T){
BiTree
R,Rl; R=(*T)->rchild;
/*
R指向T的右子树根结点 */ switch(R->bf) {
/*
检查T的右子树的平衡度，并作相应平衡处理 */ case
RH: /*
新结点插入在T的右孩子的右子树上，要作单左旋处理 */ (*T)->bf=R->bf=EH; L_Rotate(T); break; case
LH: /*
新结点插入在T的右孩子的左子树上，要作双旋处理 */ Rl=R->lchild;
/*
Rl指向T的右孩子的左子树根 */ switch(Rl->bf) {
/*
修改T及其右孩子的平衡因子 */ case
RH: (*T)->bf=LH; R->bf=EH; break; case
EH: (*T)->bf=R->bf=EH; break; case
LH: (*T)->bf=EH; R->bf=RH; break; } Rl->bf=EH; R_Rotate(&(*T)->rchild);
/*
对T的右子树作右旋平衡处理 */ L_Rotate(T);
/*
对T作左旋平衡处理 */ }} |
插入数据操作如下所示。
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/*
若在平衡的二叉排序树T中不存在和e有相同关键字的结点，则插入一个 *//*
数据元素为e的新结点，并返回1，否则返回0。若因插入而使二叉排序树 *//*
失去平衡，则作平衡旋转处理，布尔变量taller反映T长高与否。 */Status
InsertAVL(BiTree *T,int
e,Status *taller){
if(!*T) {
/*
插入新结点，树“长高”，置taller为TRUE */ *T=(BiTree)malloc(sizeof(BitNode)); (*T)->data=e;
(*T)->lchild=(*T)->rchild=NULL; (*T)->bf=EH; *taller=TRUE; } else { if
(e==(*T)->data) {
/*
树中已存在和e有相同关键字的结点则不再插入 */ *taller=FALSE;
return
FALSE; } if
(e<(*T)->data) {
/*
应继续在T的左子树中进行搜索 */ if(!InsertAVL(&(*T)->lchild,e,taller))
/*
未插入 */ return
FALSE; if(*taller)
/*
已插入到T的左子树中且左子树“长高” */ switch((*T)->bf)
/*
检查T的平衡度 */ { case
LH: /*
原本左子树比右子树高，需要作左平衡处理 */ LeftBalance(T);
*taller=FALSE;
break; case
EH: /*
原本左、右子树等高，现因左子树增高而使树增高 */ (*T)->bf=LH;
*taller=TRUE;
break; case
RH: /*
原本右子树比左子树高，现左、右子树等高 */ (*T)->bf=EH;
*taller=FALSE;
break; } } else {
/*
应继续在T的右子树中进行搜索 */ if(!InsertAVL(&(*T)->rchild,e,taller))
/*
未插入 */ return
FALSE; if(*taller)
/*
已插入到T的右子树且右子树“长高” */ switch((*T)->bf)
/*
检查T的平衡度 */ { case
LH: /*
原本左子树比右子树高，现左、右子树等高 */ (*T)->bf=EH;
*taller=FALSE;
break; case
EH: /*
原本左、右子树等高，现因右子树增高而使树增高 */ (*T)->bf=RH;
*taller=TRUE;
break; case
RH: /*
原本右子树比左子树高，需要作右平衡处理 */ RightBalance(T);
*taller=FALSE;
break; } } } return
TRUE;} |
说明：
（1）程序开始执行时，如果T为空时，则申请内存新增一个结点。
（2）如果表示当存在相同结点，则不需要插入。
（3）当新结点e小于T的根结点时，则在T的左子树查找。
（4）递归调用本函数，直到找到则返回FALSE，否则说明插入结点成功，执行下面语句。
（5）当taller为TRUE时，说明插入结点，此时需要判断T的平衡因子，如果是1，说明左子树高于右子树，需要调用LeftBalance函数进行左平衡旋转处理。如果为0或-1，则说明新插入的结点没有让整棵二叉排序树失去平衡性，只需修改相关BF值即可。
（6）说明结点e大于T的根结点的值，在T的右子树查找。与上面类似。
删除结点的代码如下所示。
3、C语言实现
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<strong>#include
<stdio.h> #include
<stdlib.h> #define
OK 1#define
ERROR 0#define
TRUE 1#define
FALSE 0#define
MAXSIZE 100 /* 存储空间初始分配量 */typedef
int
Status; /*
Status是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如OK等 *//*
二叉树的二叉链表结点结构定义 */typedef
struct
BitNode /*
结点结构 */{ int
data; /*
结点数据 */ int
bf; /*
结点的平衡因子 */ struct
BitNode *lchild, *rchild; /*
左右孩子指针 */}
BitNode, *BiTree;/*
对以p为根的二叉排序树作右旋处理 *//*
处理之后p指向新的树根结点，即旋转处理之前的左子树的根结点 *///右旋-顺时针旋转(如LL型就得对根结点做该旋转)void
R_Rotate(BiTree *P){
BiTree
L; L=(*P)->lchild;
/*
L指向P的左子树根结点 */ (*P)->lchild=L->rchild;
/*
L的右子树挂接为P的左子树 */ L->rchild=(*P); *P=L;
/*
P指向新的根结点 */}/*
对以P为根的二叉排序树作左旋处理， *//*
处理之后P指向新的树根结点，即旋转处理之前的右子树的根结点0 *///左旋-逆时针旋转(如RR型就得对根结点做该旋转)void
L_Rotate(BiTree *P){
BiTree
R; R
= (*P)->rchild; /*
R指向P的右子树根结点 */ (*P)->rchild
= R->lchild; /*
R的左子树挂接为P的右子树 */ R->lchild
= (*P); *P
= R; /*
P指向新的根结点 */}#define
LH +1 /* 左高 */ #define
EH 0 /* 等高 */ #define
RH -1 /* 右高 */ /*
对以指针T所指结点为根的二叉树作左平衡旋转处理 *//*
本算法结束时，指针T指向新的根结点 */void
LeftBalance(BiTree *T){
BiTree
L,Lr; L
= (*T)->lchild; /*
L指向T的左子树根结点 */ switch(L->bf) {
/*
检查T的左子树的平衡度，并作相应平衡处理 */ case
LH: /*
新结点插入在T的左孩子的左子树上，要作单右旋处理 */ (*T)->bf=L->bf=EH; R_Rotate(T); break; case
RH: /*
新结点插入在T的左孩子的右子树上，要作双旋处理 */
// Lr=L->rchild;
/*
Lr指向T的左孩子的右子树根 */ switch(Lr->bf) {
/*
修改T及其左孩子的平衡因子 */ case
LH: (*T)->bf=RH; L->bf=EH; break; case
EH: (*T)->bf=L->bf=EH; break; case
RH: (*T)->bf=EH; L->bf=LH; break; } Lr->bf=EH; L_Rotate(&(*T)->lchild);
/*
对T的左子树作左旋平衡处理 */ R_Rotate(T);
/*
对T作右旋平衡处理 */ }}/*
对以指针T所指结点为根的二叉树作右平衡旋转处理， *//*
本算法结束时，指针T指向新的根结点 */void
RightBalance(BiTree *T){
BiTree
R,Rl; R=(*T)->rchild;
/*
R指向T的右子树根结点 */ switch(R->bf) {
/*
检查T的右子树的平衡度，并作相应平衡处理 */ case
RH: /*
新结点插入在T的右孩子的右子树上，要作单左旋处理 */ (*T)->bf=R->bf=EH; L_Rotate(T); break; case
LH: /*
新结点插入在T的右孩子的左子树上，要作双旋处理 */
//最小不平衡树的根结点为负，其右孩子为正 Rl=R->lchild;
/*
Rl指向T的右孩子的左子树根 */ switch(Rl->bf) {
/*
修改T及其右孩子的平衡因子 */ case
RH: (*T)->bf=LH; R->bf=EH; break; case
EH: (*T)->bf=R->bf=EH; break; case
LH: (*T)->bf=EH; R->bf=RH; break; } Rl->bf=EH; R_Rotate(&(*T)->rchild);
/*
对T的右子树作右旋平衡处理 */ L_Rotate(T);
/*
对T作左旋平衡处理 */ }}/*
若在平衡的二叉排序树T中不存在和e有相同关键字的结点，则插入一个 *//*
数据元素为e的新结点，并返回1，否则返回0。若因插入而使二叉排序树 *//*
失去平衡，则作平衡旋转处理，布尔变量taller反映T长高与否。 */Status
InsertAVL(BiTree *T,int
e,Status *taller){
if(!*T) {
/*
插入新结点，树“长高”，置taller为TRUE */ *T=(BiTree)malloc(sizeof(BitNode)); (*T)->data=e;
(*T)->lchild=(*T)->rchild=NULL;
(*T)->bf=EH; *taller=TRUE; } else { if
(e==(*T)->data) {
/*
树中已存在和e有相同关键字的结点则不再插入 */ *taller=FALSE;
return
FALSE; } if
(e<(*T)->data) {
/*
应继续在T的左子树中进行搜索 */ if(!InsertAVL(&(*T)->lchild,
e, taller)) /*
未插入 */ return
FALSE; if(*taller)
/*
已插入到T的左子树中且左子树“长高” */ switch((*T)->bf)
/*
检查T的平衡度 */ { case
LH: /*
原本左子树比右子树高，需要作左平衡处理 */ LeftBalance(T);
*taller=FALSE;
break; case
EH: /*
原本左、右子树等高，现因左子树增高而使树增高 */ (*T)->bf=LH;
*taller=TRUE;
break; case
RH: /*
原本右子树比左子树高，现左、右子树等高 */ (*T)->bf=EH;
*taller=FALSE;
break; } } else {
/*
应继续在T的右子树中进行搜索 */ if(!InsertAVL(&(*T)->rchild,e,
taller)) /*
未插入 */ { return
FALSE; } if(*taller)
/*
已插入到T的右子树且右子树“长高” */ { switch((*T)->bf)
/*
检查T的平衡度 */ { case
LH: /*
原本左子树比右子树高，现左、右子树等高 */ (*T)->bf=EH;
*taller=FALSE;
break; case
EH: /*
原本左、右子树等高，现因右子树增高而使树增高 */ (*T)->bf=RH;
*taller=TRUE;
break; case
RH: /*
原本右子树比左子树高，需要作右平衡处理 */ RightBalance(T);
*taller=FALSE;
break; } } } } return
TRUE;}/*
若在平衡的二叉排序树t中存在和e有相同关键字的结点，则删除之
并返回TRUE，否则返回FALSE。若因删除而使二叉排序树
失去平衡，则作平衡旋转处理，布尔变量shorter反映t变矮与否*/int
deleteAVL(BiTree *t, int
key, int
*shorter){ if(*t
== NULL) //不存在该元素
{ return
FALSE; //删除失败
} else
if(key
== (*t)->data) //找到元素结点 { BitNode
*q = NULL; if((*t)->lchild
== NULL) //左子树为空
{ q
= (*t); (*t)
= (*t)->rchild; free(q); *shorter
= TRUE; } else
if((*t)->rchild
== NULL) //右子树为空
{ q
= (*t); (*t)
= (*t)->lchild; free(q); *shorter
= TRUE; } else
//左右子树都存在, { q
= (*t)->lchild; while(q->rchild) { q
= q->rchild; } (*t)->data
= q->data; deleteAVL(&(*t)->lchild,
q->data, shorter); //在左子树中递归删除前驱结点
} } else
if(key
< (*t)->data) //左子树中继续查找
{ if(!deleteAVL(&(*t)->lchild,
key, shorter)) { return
FALSE; } if(*shorter) { switch((*t)->bf) { case
LH: (*t)->bf
= EH; *shorter
= TRUE; break; case
EH: (*t)->bf
= RH; *shorter
= FALSE; break; case
RH: RightBalance(&(*t));
//右平衡处理 if((*t)->rchild->bf
== EH) //注意这里，画图思考一下
*shorter
= FALSE; else *shorter
= TRUE; break; } } } else
//右子树中继续查找 { if(!deleteAVL(&(*t)->rchild,
key, shorter)) { return
FALSE; } if(shorter) { switch((*t)->bf) { case
LH: LeftBalance(&(*t));
//左平衡处理
if((*t)->lchild->bf
== EH) //注意这里，画图思考一下
*shorter
= FALSE; else *shorter
= TRUE; break; case
EH: (*t)->bf
= LH; *shorter
= FALSE; break; case
RH: (*t)->bf
= EH; *shorter
= TRUE; break; } } } return
TRUE;}void
InOrderTraverse(BiTree t){ if(t) { InOrderTraverse(t->lchild); printf("%d
",
t->data); InOrderTraverse(t->rchild); }}int
main(void){
int
i; int
a[10]={3,2,1,4,5,6,7,10,9,8}; BiTree
T=NULL; Status
taller; for(i=0;i<10;i++) { InsertAVL(&T,a[i],&taller); } printf("中序遍历二叉平衡树:\n"); InOrderTraverse(T); printf("\n"); printf("删除结点元素5后中序遍历:\n"); int
shorter; deleteAVL(&T,
5, &shorter); InOrderTraverse(T); printf("\n"); return
0;}</strong> |
