AVL树(Adelson-Velsky and Landis Tree)是计算机科学中最早被发明的自平衡二叉查找树。在AVL树中,任一节点对应的两棵子树的最大高度差为1,因此它也被称为高度平衡树。

查找、插入和删除在平均和最坏情况下的时间复杂度都是O(log n)。增加和删除元素的操作则可能需要借由一次或多次树旋转,以实现树的重新平衡。AVL树得名于它的发明者G. M. Adelson-Velsky和Evgenii Landis,他们在1962年的论文《An algorithm for the organization of information》中公开了这一数据结构。

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/**
* @file AVLTree.c
* @author your name (you@domain.com)
* @brief 实现AVL树
* @version 0.1
* @date 2022-04-11
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "errno.h"
#include "string.h"
#include "math.h"
#include <sys/time.h>

#ifndef _Search_Tree_H
#define _Search_Tree_H
struct TreeNode;
typedef struct TreeNode TreeNode;
typedef struct TreeNode* SearchTRee;
typedef struct TreeNode* Position;
#endif


typedef enum ERorateDir{
ROTATE_L = 1,
ROTATE_R,
}ERorateDir;


struct TreeNode {
int elem;
int count; /**< 一个节点相同元素计数 */
int height; ///< 树的高度
struct TreeNode* left;
struct TreeNode* right;
};


void releaseSTree(TreeNode* t){
if (!t){
TreeNode* left = (t)->left;
TreeNode* right = (t)->right;
free(t);
releaseSTree(left);
releaseSTree(right);
}
}


/* 计算树的高度 */
int height(Position root)
{
if (!root)
{
printf("Line:%d, error:node does not exist\n", __LINE__);
return -1;
}
if (root->left && root->right)
{
return fmax(root->left->height, root->right->height) + 1;
}
else if (root->left && !root->right)
{
return root->left->height + 1;
}
else if (!root->left && root->right)
{
return root->right->height + 1;
}
else
{
return 0;
}
}


/* 计算左右子树的高度差 */
int height_lr_diff(Position root)
{
if (root->right && root->left)
{
return root->left->height > root->left->height? \
root->left->height - root->right->height: \
root->right->height - root->left->height;
}
else if (root->left && !root->right)
{
return root->left->height + 1;
}
else if (!root->left && root->right)
{
return root->right->height + 1;
}
else
{
return 0;
}
}

/* 单旋转 */
Position singleRotate(Position k, ERorateDir dir){
Position k1;
if (dir == ROTATE_L){
k1 = k->left;
k->left = k1->right;
k1->right = k;
}else if (dir == ROTATE_R){
k1 = k->right;
k->right = k1->left;
k1->left = k;
}
k->height = height(k);
k1->height = height(k1);
return k1;
}

/* L_R型双旋转 */
Position doubleRotateWithLeft(Position k){
k->left = singleRotate(k->left, ROTATE_R);
return singleRotate(k, ROTATE_L);
}

/* R-L型双旋转 */
Position doubleRotateWithRight(Position k){
k->right = singleRotate(k->right, ROTATE_L);
return singleRotate(k, ROTATE_R);
}

/**
* @brief 插入操作,插入后做平衡调整
*
* @param tree
* @param x
* @return TreeNode*,新树的root节点
*/
TreeNode* insert(TreeNode* tree, int x){
if (!tree){
tree = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode));
if (!tree){
printf("error:out of memory\n");
return NULL;
}
tree->elem = x;
tree->count = 1;
tree->height = 0;
tree->left = NULL;
tree->right = NULL;
}else {
int diff_height;
if (x < tree->elem){
tree->left = insert(tree->left, x);
diff_height = height_lr_diff(tree);
/* 插入之后判断是否需要调整平衡 */
if (diff_height == 2){
/* L-L型 */
if (x < tree->left->elem){
tree = singleRotate(tree, ROTATE_L);
/* L-R型 */
}else if (x > tree->left->elem){
tree = doubleRotateWithLeft(tree);
}
}
}else if (x > tree->elem){
tree->right = insert(tree->right, x);
diff_height = height_lr_diff(tree);
/* 插入之后判断是否需要调整平衡 */
if (diff_height == 2){
/* R-R型 */
if (x > tree->right->elem){
tree = singleRotate(tree, ROTATE_R);
/* R-L型 */
}else if (x < tree->right->elem){
tree = doubleRotateWithRight(tree);
}
}
}else{
++ tree->count;
return tree;
}
}
tree->height = height(tree);
return tree;
}

TreeNode* find(TreeNode* tree, int x){
if (!tree){
return NULL;
}
if (x == tree->elem){
return tree;
}else if (x < tree->elem){
return find(tree->left, x);
}else {
return find(tree->right, x);
}
}

TreeNode* findMin(TreeNode* tree){
if (!tree){
return NULL;
}
if (!tree->left){
return tree;
}else {
return findMin(tree->left);
}
}

TreeNode* findMax(TreeNode* tree){
if (!tree){
return NULL;
}
if (!tree->right){
return tree;
}else {
return findMax(tree->right);
}
}

/**
* @brief AVL树的删除,删除后需要做调整平衡
*
* @param tree
* @param x
* @return TreeNode* ,新树的root节点
*/
TreeNode*
delete(root, x)
TreeNode* root;int x;
{
if (!root)
{
printf("Line:%d, error: node does not exist\n", __LINE__);
return NULL;
}
int height_diff;
if (x < root->elem)
{
root->left = delete(root->left, x);
height_diff = height_lr_diff(root);
/* 1.如果被删除的元素不是叶子节点,需要去高的子树中去找替代的叶子节点,
然后删除叶子节点。
2.如果本来要删除的就是叶子节点,那跟上面的后半部分动作一致。
所以只有叶子节点被删除之后才会需要调整 */
if (height_diff == 2)
{
/* x是删除的元素,删除后O是最小不平衡子树的root
O
/ \
x o
/
o
*/
/* 这种情况必须用双旋转,单旋转不能改变深度 */
if (!root->right->right)
{
root = doubleRotateWithRight(root);
}
/*
O O
/ \ / \
x o 或者 x o
\ / \
o o o
*/
/* 单旋转 */
else
{
root = singleRotate(root, ROTATE_R);
}
}
}
else if (x > root->elem)
{
root->right = delete(root->right, x);
height_diff = height_lr_diff(root);
if (height_diff == 2)
{
/* x是删除的元素,删除后O是最小不平衡子树的root
O
/ \
o x
\
o
*/
/* 这种情况必须用双旋转,单旋转不能改变深度 */
if (!root->left->left)
{
root = doubleRotateWithLeft(root);
}
/* O O
/ \ / \
o x 或者 o x
/ \ /
o o o
*/
else
{
root = singleRotate(root, ROTATE_L);
}
}
}
else
{
/* 左右子树都存在 */
if (root->left && root->right)
{
if (root->count > 1)
{
--root->count;
}
else
{
// 从高的子树中找到元素替换将要删除的节点位置,保证左右子树是平衡的
if (root->left->height > root->right->height)
{
/* 在左子树中找到最大的值,也就是右子树是空的节点,将它移到将要删除的节点位置 */
TreeNode* tmp = findMax(root->left);
root->elem = tmp->elem;
root->count -= tmp->count;
/* 删除移动了元素的节点 */
root->left = delete(root->left, tmp->elem);
}
else
{
/* 在右子树中找到最小的值,也就是左子树是空的节点,将它移到将要删除的节点位置 */
TreeNode* tmp = findMin(root->right);
root->elem = tmp->elem;
root->count -= tmp->count;
/* 删除移动了元素的节点 */
root->right = delete(root->right, tmp->elem);
}
}

}
/* 只存在一个子树,或者不存在子树 */
else
{
TreeNode* tmpNode = root;
if (!root->left)
{
/* 如果两个子树都是空,将right给root也没问题,因为right就是NULL */
root = root->right;
}
else if (!root->right)
{
root = root->left;
}
free(tmpNode);
}
}
if (root)
{
root->height = height(root);
}
return root;
}


/**
* @brief 前序遍历
*
* @param root
* @param level
*/
void pre_order_traverse(SearchTRee root, int level)
{
if (root)
{
printf("%d-%d ", level, root->elem);
pre_order_traverse(root->left, level + 1);
pre_order_traverse(root->right, level + 1);
}
}


int main(void)
{
int arr[] = {32,50,2,84,69,98,73,62,20,9};
SearchTRee root = NULL;
int i;
for (i = 0; i < sizeof(arr)/sizeof(int); ++i)
{
root = insert(root, arr[i]);
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");
}
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");

root = delete(root, 50);
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");

root = delete(root, 32);
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");

root = delete(root, 62);
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");

releaseSTree(root);
return 0;
}