伸展树(英语:Splay Tree)是一种能够自我平衡的二叉查找树,它能在均摊O(log n)的时间内完成基于伸展(Splay)操作的插入、查找、修改和删除操作。它是由丹尼尔·斯立特(Daniel Sleator)和罗伯特·塔扬在1985年发明的。

在伸展树上的一般操作都基于伸展操作:假设想要对一个二叉查找树执行一系列的查找操作,为了使整个查找时间更小,被查频率高的那些条目就应当经常处于靠近树根的位置。于是想到设计一个简单方法,在每次查找之后对树进行调整,把被查找的条目搬移到离树根近一些的地方。伸展树应运而生。伸展树是一种自调整形式的二叉查找树,它会沿着从某个节点到树根之间的路径,通过一系列的旋转把这个节点搬移到树根去。
它的优势在于不需要记录用于平衡树的冗余信息。
-— Wikipedia

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/**
* @file splay_tree_traverse_BFS_DFS.c
* @author your name (you@domain.com)
* @brief 实现伸展树,实现队列和栈用于广度优先遍历和深度优先遍历
* @version 0.1
* @date 2022-04-21
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>

typedef struct BinTreeNode
{
int val;
int count; /**< 相同元素计数 */
struct BinTreeNode* left;
struct BinTreeNode* right;
} BinTreeNode;


/*********************************************************
* 使用链表实现stack用于深度优先搜索
********************************************************/
typedef struct ListNode
{
BinTreeNode* bin_tree_node;
struct ListNode *next;
} ListNode;

typedef struct ListNode* Stack;

int is_empty(Stack stack)
{
return stack == NULL;
}


int push_stack(Stack* stack, BinTreeNode* tree_node)
{
ListNode* node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
node->next = NULL;
node->bin_tree_node = tree_node;
if (!node)
{
printf("out of memory\n");
return -1;
}
if (!*stack)
{
*stack = node;
return 0;
}
node->next = *stack;
*stack = node;
return 0;
}

BinTreeNode* pop_stack(Stack* stack)
{
if (*stack)
{
ListNode* backup = *stack;
BinTreeNode* ret = (*stack)->bin_tree_node;
*stack = (*stack)->next;
free(backup);
return ret;
}
else
{
return NULL;
}
}

void make_stack_empty(Stack* stack)
{
while (stack)
{
ListNode* backup;
backup = *stack;
*stack = (*stack)->next;
free(backup);
}
}

BinTreeNode* get_top_elem(Stack stack)
{
if (stack)
{
return stack->bin_tree_node;
}
}


/****************************
* 实现队列用于广度优先算法
***************************/
typedef struct Queue
{
ListNode* front;
ListNode* rear;
} Queue;


void enqueue(Queue* queue, BinTreeNode* tree_node)
{
if (!queue)
{
printf("error queue is NULL\n");
return;
}
ListNode* node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
node->bin_tree_node = tree_node;
node->next = NULL;
if (!queue->rear)
{
queue->rear = node;
queue->front = queue->rear;
}
else
{
queue->rear->next = node;
queue->rear = node;
}
}

BinTreeNode* dequeue(Queue* queue)
{
if (!queue)
{
printf("error: queue does not exist\n");
return NULL;
}
if (!queue->front)
{
printf("error: queue is empty\n");
return NULL;
}
else
{
ListNode* list_node = queue->front;
BinTreeNode* tree_node = list_node->bin_tree_node;
if (queue->front == queue->rear)
{
queue->front = queue->rear = NULL;
}
else
{
queue->front = queue->front->next;
}
free(list_node);
return tree_node;
}
}


/*******************************************
* 实现伸展树
*******************************************/
typedef struct BinTreeNode* SplayTree;
typedef struct BinTreeNode* Position;


/**
* @brief 插入操作就跟二叉搜索树插入一样,不做平衡操作
*
* @param splay_tree
* @param x
* @return SplayTree
*/
void insert(SplayTree* root, int x)
{
BinTreeNode* node = (BinTreeNode*)malloc(sizeof(BinTreeNode));
if (!node)
{
return;
}
node->val = x;
node->count = 1;
node->left = NULL;
node->right = NULL;
if (!*root)
{
*root = node;
return;
}
SplayTree pos = *root;
while (1)
{
if (x < pos->val)
{
if (pos->left)
{
pos = pos->left;
}
else
{
pos->left = node;
break;
}
}
else if (x > pos->val)
{
if (pos->right)
{
pos = pos->right;
}
else
{
pos->right = node;
break;
}

}
else
{
if (pos->val == x)
{
++pos->count;
break;
}
}
}
}


/**
* @brief 二叉查找树的查找操作
*
* @param root
* @param x
* @return Position
*/
Position find_search_tree(SplayTree root, int x)
{
if (!root)
{
printf("error:not found\n");
return NULL;
}
if (x < root->val)
{
return find_search_tree(root->left, x);
}
else if (x > root->val)
{
return find_search_tree(root->right, x);
}
else
{
return root;
}
}


Position find_max(SplayTree root)
{
if (!root)
{
return root;
}
if (root->right)
{
return root;
}
else
{
return find_max(root->right);
}
}


Position find_min(SplayTree root)
{
if (!root)
{
return root;
}
if (!root->left)
{
return root;
}
else
{
return find_min(root->left);
}
}

/**
* @brief 删除元素,删除操作跟二叉查找树的删除一致
* 为了保持删除元素后的树依然是查找树,需要将删除节点的左子树的最大值
* 或者右子树中的最小值移动到删除的地方,移动有两种方案:
* 1. 仅移动链表节点中的值
* 2. 移动链表的节点
* 这里使用第1种方案, 第2种有点麻烦
* @param root
* @param x
* @return Position
*/
Position delete(SplayTree root, int x)
{
if (!root)
{
printf("error:not found\n");
return root;
}
if (x < root->val)
{
root->left = delete(root->left, x);
}
else if (x > root->val)
{
root->right = delete(root->right, x);
}
else
{
if (root->left && root->right)
{
if (root->count >= 2)
{
--root->count;
}
else
{
Position tmp = find_min(root->right);
root->val = tmp->val;
root->count = tmp->count;
root->right = delete(root->right, tmp->val);
}
}
else
{
Position tmp = root;
if (!root->left)
{
root = root->right;
}
else if (!root->right)
{
root = root->left;
}
free(tmp);
}
}
return root;
}

/**
* @brief 清空树,释放内存
*
* @param root
* @return Position
*/
Position delete_all(SplayTree root)
{
if (root)
{
if (root->left)
{
root->left = delete_all(root->left);
}
if (root->right)
{
root->right = delete_all(root->right);
}
if (!root->left && !root->right)
{
free(root);
return NULL;
}
}
}


Position splay_left_left(Position g, Position p, Position cur)
{
g->left = p->right;
p->left = cur->right;
p->right = g;
cur->right = p;
return cur;
}


Position splay_left_right(Position g, Position p, Position cur)
{
/* cur跟p互换 */
p->right = cur->left;
cur->left = p;
g->left = cur;
/* cur跟g互换 */
g->left = cur->right;
cur->right = g;
return cur;
}


Position splay_right_left(Position g, Position p, Position cur)
{
/* cur跟p互换 */
p->left = cur->right;
cur->right = p;
g->right = cur;
/* cur跟g互换 */
g->left = cur->left;
cur->left = g;
return cur;
}


Position splay_right_right(Position g, Position p, Position cur)
{
g->right = p->left;
p->right = cur->left;
p->left = g;
cur->left = p;
return cur;
}

Position rotate_left(Position p, Position cur)
{
p->left = cur->right;
cur->right = p;
return cur;
}

Position rotate_right(Position p, Position cur)
{
p->right = cur->left;
cur->left = p;
return cur;
}

/**
* @brief 伸展树的查找操作要求将找到的元素伸展到根节点
*
* @param cur_pos
* @param x
* @return Position
*/
Position find(SplayTree cur_pos, int x)
{
if (!cur_pos)
{
return NULL;
}
Stack stack = NULL;
while (1)
{
if (x < cur_pos->val)
{
if (cur_pos->left)
{
push_stack(&stack, cur_pos);
cur_pos = cur_pos->left;
}
else
{
printf("error:not found\n");
return NULL;
}
}
else if (x > cur_pos->val)
{
if (cur_pos->right)
{
push_stack(&stack, cur_pos);
cur_pos = cur_pos->right;
}
else
{
printf("error:not found\n");
return NULL;
}
}
else
{
printf("find it\n");
Position p, q, r;
p = pop_stack(&stack);
q = pop_stack(&stack);
r = pop_stack(&stack);
/* 找到元素后通过伸展将元素放到根节点*/
while (1)
{
/* 栈里没有元素,那么cur_pos就是根节点 */
if (!p && !q && !r)
{
break;
}
/* 说明当前cur_pos变量保存的节点的父节点是根节点,旋转一次就行 */
if (p && !q && !r)
{
if (p->left == cur_pos)
{
cur_pos = rotate_right(p, cur_pos);
}
else
{
cur_pos = rotate_left(p, cur_pos);
}
break;
}
/* zig-zig模式 */
if (q->left == p && p->left == cur_pos)
{
cur_pos = splay_left_left(q, p ,cur_pos);
}
else if (q->right == p && p->right == cur_pos)
{
cur_pos = splay_right_right(q, p ,cur_pos);
}
/* zig-zag模式 */
else if (q->left == p && p->right == cur_pos)
{
cur_pos = splay_left_right(q, p ,cur_pos);
}
else if (q->right == p && p->left == cur_pos)
{
cur_pos = splay_right_left(q, p, cur_pos);
}

if (!r)
{
break;
}
if (r->left == q)
{
r->left = cur_pos;
}
else
{
r->right = cur_pos;
}
p = r;
q = pop_stack(&stack);
r = pop_stack(&stack);
}
return cur_pos;
}
}

}

/**
* @brief 随机生成一棵二叉查找树
*
* @param size
* @return SplayTree
*/
SplayTree make_random_bin_tree(int size)
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
srand((unsigned int)(tv.tv_usec));
SplayTree tree = NULL;
printf("[random:]");
while (size--)
{
int x = rand() % 100;
printf("%d ", x);
insert(&tree, x);
}
printf("\n");
return tree;
}

/**
* @brief 深度优先遍历(后序遍历)
*
* @param root
*/
void traverse_DFS(SplayTree root)
{
Stack stack = NULL;
int ret = push_stack(&stack, root);
if (ret < 0)
{
printf("push_stack error\n");
return;
}
while (!is_empty(stack))
{
BinTreeNode* ret = pop_stack(&stack);
if (!ret)
{
printf("error:ret is NULL\n");
}
printf("%d ", ret->val);
if (ret->right)
{
push_stack(&stack, ret->right);
}
if (ret->left)
{
push_stack(&stack, ret->left);
}
}

}


int is_empty_queue(Queue* queue)
{
return queue->front == queue->rear && queue->front == NULL;
}


/**
* @brief 广度优先遍历(层序遍历)
*
* @param root
*/
void traverse_BFS(SplayTree root)
{
Queue queue = {0};
enqueue(&queue, root);
int level = 0;
while (!is_empty_queue(&queue))
{
BinTreeNode* node = dequeue(&queue);
printf("%d ", node->val);
if (node->left)
{
enqueue(&queue, node->left);
}
if (node->right)
{
enqueue(&queue, node->right);
}
}
}

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

/**
* @brief 中序遍历
*
* @param root
* @param level
*/
void in_order_traverse(SplayTree root, int level)
{
if (root)
{
in_order_traverse(root->left, level + 1);
printf("%d-%d ", level, root->val);
in_order_traverse(root->right, level + 1);
}

}


/**
* @brief 后序遍历
*
* @param root
* @param level
*/
void post_order_traverse(SplayTree root, int level)
{
if (root)
{
post_order_traverse(root->left, level + 1);
post_order_traverse(root->right, level + 1);
printf("%d-%d-%p ", level, root->val, root);
}
}


int main(void)
{
//SplayTree root = make_random_bin_tree(10);
int arr[] = {32,50,2,84,69,98,73,62,20,9};
int i = 0;
SplayTree root = NULL;
for (i = 0; i < sizeof(arr)/sizeof(int); ++i)
{
insert(&root, arr[i]);
}
root = find(root, 73);
printf("--%p--\n", find_search_tree(root, 62));
delete(root, 50);
printf("---------------------\n");
pre_order_traverse(root, 0);
printf("\n");
in_order_traverse(root, 0);
printf("\n");
post_order_traverse(root, 0);
printf("\n");
traverse_DFS(root);
printf("\n");
traverse_BFS(root);
delete_all(root);
return 0;
}