AVL树原理及实现（C语言实现以及Java语言实现）
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1. AVL定义
AVL树是一种改进版的搜索二叉树。对于一般的搜索二叉树而言，如果数据恰好是按照从小到大的顺序或者从大到小的顺序插入的，那么搜索二叉树就对退化成链表，这个时候查找，插入和删除的时间都会上升到O(n)，而这对于海量数据而言，是我们无法忍受的。即使是一颗由完全随机的数据构造成的搜索二叉树，从统计角度去分析，在进行若甘次的插入和删除操作，这个搜索二叉树的高度也不能令人满意。这个时候大家就希望能有一种二叉树解决上述问题。这个时候就出现平衡搜索二叉树，它的基本原理就是在插入和删除的时候，根据情况进行调整，以降低二叉树的高度。平衡搜索二叉树典型代表就是AVL树和红黑树。
AVL树：任何一个节点的左子支高度与右子支高度之差的绝对值不超过1。需要我们注意的是，AVL树定义不是说从根节点到叶子节点的最短距离比最长短距离大1。
上图就是一颗AVL树，从根节点到叶子节点的最短距离是5，最长距离是9。
2. 旋转的定义
因为每种书中对旋转的定义不一致，所以我们有必要在这里特此说明一下
以某一个节点为轴，它的左子枝顺时针旋转，作为新子树的根，我们称之为顺时针旋转（clockwise）或者右旋转。
同理，以某一个节点为轴，它的右子枝逆针旋转，作为新子树的根，我们称之为逆时针旋转（anticlockwise）或者左旋转。
3. AVL插入操作
AVL树的插入操作首先会按照普通搜索二叉树的插入操作进行，当插入一个数据后，我们会沿着插入数据时所经过的的节点回溯，回溯的过程中会判回溯路径中的每个节点的左子支高度与右子支高度之差的绝对值是否超过1，如果超过1我们就进行调整，调整的目的是使得该节点满足AVL树的定义。调整的情况可以分为以下四旋转操作，旋转操作可以降低树的高度，同时不改变搜索二叉树的性质（即任何一个节点左子支中的全部节点小于该节点，右子支的全部节点大于该节点）。
3.1 情况1
节点X左子支比右子支高度大2，且插入的节点位于X的左孩子节点XL的左子支上
3.2 情况2
节点X右子支比左子支高度大2，且插入的节点位于节点X右孩子节点XR的右子支上
3.3 情况3
节点X左子支比右子支高度大2，且插入的节点位于节点X左孩子节点XL的右子支上
3.4 情况4
节点X左子支比右子支高度大2，且插入的节点位于节点X左孩子节点XL的右子支上
4. AVL删除操作
AVL树的删除操作和插入操作一样，首先会按照普通搜索二叉树的删除操作进行，当删除一个数据后，和插入操作一样，我们通常采取的策略是沿着删除数据时所经过的的节点回溯，回溯的过程中会判断该节点的左子支高度与右子支高度之差的绝对值是否超过1（或者说大2），如果超过1，我们就进行调整，调整的目的是使得该节点满足AVL树的定义。调整的情况可以分为四种，和插入过程完全一样，这里不在赘述。
package datastruct;
import java.util.Comparator;
public class AVLtree <E>{
private static class Node<E>{
int h;
E element;
Node<E> left;
Node<E> right;
//由于java中不像C语言那样有二级指针的概念，所以添加一个父类的引用，方便程序编写
Node<E> parent;
public Node(E element, int h, Node<E> left, Node<E> right, Node<E> parent){
this.element = element;
this.h = h;
this.left = left;
this.right = right;
this.parent = parent;
}
}
private Node<E> root;//指向伪根节点的引用
private int size = 0;//节点个数
Comparator<? super E> cmp;//节点大小的比较器
//如果调用了不带参数的构造函数，则使用该内部类作为比较器，
//但此时泛型E需要继承Comparable接口,否则运行时会抛出异常
private static class Cmp<T> implements Comparator<T>{
@SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
@Override
public int compare(T e1, T e2) {
return ((Comparable)e1).compareTo(e2);
}
}
//带比较器的构造函数
public AVLtree(Comparator<? super E> cmp){
if(cmp == null){
throw new IllegalArgumentException();
}
this.cmp = cmp;
//创建一个伪根节点，该节点的右子支才是真正的AVL树的根
//使用伪根节点节点的目的是，对插入和删除操作递归的形式能够统一
root = new Node<E>(null, -1, null, null, null);
}
//不带比较器的构造函数
public AVLtree(){
this.cmp = new Cmp<E>();
root = new Node<E>(null, -1, null, null, null);
}
//如果树中节点有变动，从底向上逐级调用该函数，可以更新节点的高度
private int getHight(Node<E> x){
if(x == null){
return 0;
}else{
return x.h;
}
}
//求某个节点作为根时，该子树的最小值
private E treeMin(Node<E> x){
while(x.left != null){
x = x.left;
}
return x.element;
}
public int size(){
return size;
}
//先根遍历，调试时使用
public void preorderTraverse(){
if(root != null){
preorderTraverse0(root.right);
}
}
private void preorderTraverse0(Node<E> x){
if(x != null){
System.out.print(x.element+" ");
if(x.left != null){
System.out.print(x.left.element+" ");
}else{
System.out.print("null ");
}
if(x.right != null){
System.out.print(x.right.element+" ");
}else{
System.out.print("null ");
}
System.out.println();
preorderTraverse0(x.left);
preorderTraverse0(x.right);
}
}
//逆时针旋转（左旋），参数表示轴节点
private void antiClockwiseRotate(Node<E> X){
Node<E> P = X.parent;
Node<E> XR = X.right;
if(P.left == X){
P.left = XR;
}else{
P.right = XR;
}
XR.parent = P;
X.right = XR.left;
if(XR.left != null){
XR.left.parent = X;
}
XR.left = X;
X.parent = XR;
//旋转后要更新这两个节点的高度
X.h = Math.max(getHight(X.left), getHight(X.right)) + 1;
XR.h = Math.max(getHight(XR.left), getHight(XR.right)) + 1;
}
//顺时针旋转（右旋）,参数表示轴节点
private void clockwistRotate(Node<E> X){
Node<E> P = X.parent;
Node<E> XL = X.left;
if(P.left == X){
P.left = XL;
}else{
P.right = XL;
}
XL.parent = P;
X.left = XL.right;
if(XL.right != null){
XL.right.parent = X;
}
XL.right = X;
X.parent = XL;
//旋转后要更新这两个节点的高度
X.h = Math.max(getHight(X.left), getHight(X.right)) + 1;
XL.h = Math.max(getHight(XL.left), getHight(XL.right)) + 1;
}
//
public void insert(E e){
insert0(root.right, e);
}
private void insert0(Node<E> x, E e){
if(x == null){
root.right = new Node<E>(e, 1, null, null, root);//根节点
size++;
return;
}
if(cmp.compare(e, x.element) > 0){
if(x.right != null){
insert0(x.right, e);
int lh = getHight(x.left);
int rh = getHight(x.right);
if(rh - lh == 2){
if(cmp.compare(e, x.right.element) > 0){
antiClockwiseRotate(x);
}else{
clockwistRotate(x.right);
antiClockwiseRotate(x);
}
}
}else{
size++;
x.right = new Node<E>(e, 1, null, null, x);
}
}else
if(cmp.compare(e, x.element) < 0){
if(x.left != null){
insert0(x.left, e);
int lh = getHight(x.left);
int rh = getHight(x.right);
if(lh - rh == 2){
if(cmp.compare(e, x.left.element) < 0){
clockwistRotate(x);
}else{
antiClockwiseRotate(x.left);
clockwistRotate(x);
}
}
}else{
size++;
x.left = new Node<E>(e, 1, null, null, x);
}
}else{
//元素已存在，我们用新的元素更新旧，
//compare返回值等于0,并不表示两个对象完全相等
x.element = e;
}
x.h = Math.max(getHight(x.left), getHight(x.right)) + 1;
}
public boolean delete(E e){
return delete0(root.right, e);
}
//返回值表示是否删除成功
private boolean delete0(Node<E> x, E e){
if(x == null){//没有找到待删除的元素
return false;
}
if(cmp.compare(e, x.element) > 0){
boolean reval = delete0(x.right, e);
if(reval == false){
return false;
}
int lh = getHight(x.left);
int rh = getHight(x.right);
if(lh - rh == 2){
if(getHight(x.left.left) > getHight(x.left.right)){
clockwistRotate(x);
}else{
antiClockwiseRotate(x.left);
clockwistRotate(x);
}
}
}else
if(cmp.compare(e, x.element) < 0){
boolean reval = delete0(x.left, e);
if(reval == false){
return false;
}
int lh = getHight(x.left);
int rh = getHight(x.right);
if(rh - lh == 2){
if(getHight(x.right.right) > getHight(x.right.left)){
antiClockwiseRotate(x);
}else{
clockwistRotate(x.right);
antiClockwiseRotate(x);
}
}
}else{//找到待删除的元素
Node<E> P = x.parent;
if(x.left == null){//左子支为空，可直接删除，在这一层一定不需要旋转
size--;
if(P.left == x){
P.left = x.right;
if(P.left != null){
P.left.parent = P;
}
}else{
P.right = x.right;
if(P.right != null){
P.right.parent = P;
}
}
}else
if(x.right == null){//右子支为空，可直接删除，在这一层一定不需要旋转
size--;
if(P.left == x){
P.left = x.left;
if(P.left != null){
P.left.parent = P;
}
}else{
P.right = x.left;
if(P.right != null){
P.right.parent = P;
}
}
}else{//找到待删除的节点,用后继节点代替，然后删除后继节点
E nextVal = treeMin(x.right);
x.element = nextVal;
delete0(x.right, nextVal);
int lh = getHight(x.left);
int rh = getHight(x.right);
if(lh - rh == 2){
if(getHight(x.left.left) > getHight(x.left.right)){
clockwistRotate(x);
}else{
antiClockwiseRotate(x.left);
clockwistRotate(x);
}
}
}
}
x.h = Math.max(getHight(x.left), getHight(x.right)) + 1;
return true;
}
public static void main(String[] args){
AVLtree<Integer> avl = new AVLtree<Integer>();
/*可自行添加插入，删除操作进行测试*/
avl.insert(3);
avl.insert(5);
avl.insert(6);
avl.insert(7);
avl.insert(8);
avl.insert(9);
avl.preorderTraverse();
System.out.println();
System.out.println(avl.size());
avl.delete(7);
avl.delete(8);
avl.preorderTraverse();
System.out.println();
System.out.println(avl.size());
}
}/**
* Java 语言: AVL树
*
* @author skywang
* @date 2013/11/07
*/
public class AVLTreeTest {
private static int arr[]= {3,2,1,4,5,6,7,16,15,14,13,12,11,10,8,9};
public static void main(String[] args) {
int i;
AVLTree<Integer> tree = new AVLTree<Integer>();
System.out.printf("== 依次添加: ");
for(i=0; i<arr.length; i++) {
System.out.printf("%d ", arr[i]);
tree.insert(arr[i]);
}
System.out.printf("\n== 前序遍历: ");
tree.preOrder();
System.out.printf("\n== 中序遍历: ");
tree.inOrder();
System.out.printf("\n== 后序遍历: ");
tree.postOrder();
System.out.printf("\n");
System.out.printf("== 高度: %d\n", tree.height());
System.out.printf("== 最小值: %d\n", tree.minimum());
System.out.printf("== 最大值: %d\n", tree.maximum());
System.out.printf("== 树的详细信息: \n");
tree.print();
i = 8;
System.out.printf("\n== 删除根节点: %d", i);
tree.remove(i);
System.out.printf("\n== 高度: %d", tree.height());
System.out.printf("\n== 中序遍历: ");
tree.inOrder();
System.out.printf("\n== 树的详细信息: \n");
tree.print();
// 销毁二叉树
tree.destroy();
}
}