【C++】AVL树的插入操作实现以及验证是否正确（带平衡因子）

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前言

一棵AVL树或者是空树，或者是具有以下性质的二叉搜索树：
1.它的左右子树都是AVL树
2.左右子树高度之差(简称平衡因子)的绝对值不超过1(-1/0/1)

如果一棵二叉搜索树是高度平衡的，它就是AVL树。如果它有n个结点，其高度可保持在$O(lo{g}_{2}n)$，搜索时间复杂度O($lo{g}_{2}n$)。

一、AVL树结点的定义

template<class K,class V>
//我们这里用键值的数据类型来举例
struct AVLTreeNode {pair<K, V> _kv;AVLTreeNode<K, V>* _left;AVLTreeNode<K, V>* _right;AVLTreeNode<K, V>* _parent;//（父结点）int _bf;//（平衡因子大小）AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)//构造函数:_kv(kv),_left(nullptr),_right(nullptr),_parent(nullptr),_bf(0){}
};

二、AVL树的插入（Insert）

AVL树的插入过程可以分为两步：

1. 按照二叉搜索树的方式插入新节点
2. 调整节点的平衡因子

插入完整代码：

typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
bool Insert(const pair<K, V>& kv) {if (_root == nullptr) {//若为空树就先建立结点_root = new Node(kv);return  true;}Node* cur = _root;Node* parent = nullptr;while (cur) {//寻找要插入结点的父亲的位置if (cur->_kv.first < kv.first) {parent = cur;cur = cur->_right;}else if (cur->_kv.first > kv.first) {parent = cur;cur = cur->_left;}else {return false;}}cur = new Node(kv);//找到要插入结点父亲后，寻找插入其左边还是右边if (parent->_kv.first < kv.first) {parent->_right = cur;}else {parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent) {//更新平衡因子if (parent->_left == cur) {parent->_bf--;}else {parent->_bf ++ ;}// 更新后检测双亲的平衡因子if (parent->_bf == 0) {break;}else if (parent->_bf == 1 || parent->_bf == -1) {// 插入前双亲的平衡因子是0，插入后双亲的平衡因为为1 或者 -1 ，说明以双亲//为根的二叉树的高度增加了一层，因此需要继续向上调整cur = parent;parent = parent->_parent;}else if (parent->_bf == 2 || parent->_bf == -2) {// 双亲的平衡因子为正负2，违反了AVL树的平衡性，需要对以parent// 为根的树进行旋转处理if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1) {RotateL(parent);//左单旋}else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1) {RotateR(parent);//右单旋}else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1) {RotateRL(parent);//双旋}else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1) {RotateLR(parent);//双旋}break;}else {assert(false);}}return true;}

1.左单旋（RotateL）

 void RotateL(Node* parent) {Node* cur = parent->_right;Node* curleft = cur->_left;parent->_right = curleft;//  核心操作if (curleft) {//因为curleft可能为空curleft->_parent = parent;}Node* ppnode = parent->_parent;//提前记录下父结点的父亲cur->_left = parent;//     核心操作parent->_parent = cur;if (ppnode == nullptr) {//判断原先parent是否为根节点//因为根节点的父亲为空_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else {//说明parent不为根节点//parent可能为ppnode的左或者右子树，改变ppnode的指向if (ppnode->_left == parent) {ppnode->_left = cur;}else {ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}parent->_bf = cur->_bf = 0;// 根据调整后的结构更新部分节点的平衡因子} 

2.右单旋（RotateR）

 void RotateR(Node* parent) {Node* cur = parent->_left;Node* curright = cur->_right;parent->_left = curright;if (curright) {//因为curleft可能为空curright->_parent = parent;}cur->_right = parent;Node* ppnode = parent->_parent;parent->_parent = cur;if (ppnode == nullptr) {//判断原先parent是否为根节点//因为根节点的父亲为空_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else {//说明parent不为根节点//parent可能为ppnode的左或者右子树，改变ppnode的指向if (ppnode->_left == parent) {ppnode->_left = cur;}else {ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}parent->_bf = cur->_bf = 0;// 根据调整后的结构更新部分节点的平衡因子} 

3.先右单旋再左单旋（RotateRL）

以cur为旋转点进行右旋，以parent为旋转点进行左旋，之后进行平衡因子的修改

 void RotateRL(Node* parent) {Node* cur = parent->_right;Node* curleft = cur->_left;int bf = curleft->_bf;// 旋转之前，保存curleft的平衡因子，旋转完成之后，需要根据该平衡因子来调整其他节//点的平衡因子RotateR(cur);RotateL(parent);if (bf == 0) {cur->_bf = 0;curleft->_bf = 0;parent->_bf = 0;}else if (bf == 1) {cur->_bf = 0;curleft->_bf = 0;parent->_bf = -1;}else if (bf == -1){cur->_bf = 1;curleft->_bf = 0;parent->_bf = 0;}else{assert(false);}} 

1.保存的bf为0

2.保存的bf为1

3.保存的bf为-1

4.先左单旋再右单旋（RotateLR）

以cur为旋转点进行左旋，以parent为旋转点进行右旋，之后进行平衡因子的修改

 void RotateLR(Node* parent) {Node* cur = parent->_left;Node* curright = cur->_right;int bf = curright->_bf;// 旋转之前，保存curright的平衡因子，旋转完成之后，需要根据该平衡因子来调整其他节//点的平衡因子RotateL(cur);RotateR(parent);if (bf == 0) {cur->_bf = 0;parent->_bf = 0;curright->_bf = 0;}else if (bf == -1){parent->_bf = 1;cur->_bf = 0;curright->_bf = 0;}else if (bf == 1){parent->_bf = 0;cur->_bf = -1;curright->_bf = 0;}else {assert(false);}} 

三、AVL树的验证

验证其为平衡树关键点：
1.每个节点子树高度差的绝对值不超过1(注意节点中如果没有平衡因子)
2.节点的平衡因子是否计算正确

int  Height(Node* root) {if (root == nullptr) {return 0;}int left =  Height(root->_left);int right =  Height(root->_right);return left > right ? left + 1 : right + 1;}bool IsBalance() {return IsBalance(_root);}bool IsBalance(Node* root) {if (root == nullptr) {return true;}int left = Height(root->_left);int right = Height(root->_right);if (right - left != root->_bf) {//节点的平衡因子是否计算正确cout << "平衡因子异常" << root->_kv.first << "=>" << root->_bf << endl;return false;}//每个节点子树高度差的绝对值不超过1//之后在验证左右子树return abs(right-left)<2&&IsBalance(root->_left) && IsBalance(root->_right);}