二叉排序树与平衡二叉排序树基本操作的实现
数据结构中平衡二叉树的教学探讨与研究
数据结构中平衡二叉树的教学探讨与研究作者：朱洪浩来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2012年第5期朱洪浩（蚌埠学院计算机科学与技术系，安徽蚌埠 233000）摘要：平衡二叉树是对二叉排序树的一种改进，又被称为AVL树，平衡二叉树的结构较好，可以提高查找运算的速度.本文分析了权威教材和相关论文中平衡二叉树的调整方法，这些方法学生普遍反映理解和掌握较困难.据此，本文依据平衡因子和二叉排序树的特性，设计出一种基于平衡因子和二叉排序树的平衡二叉树的调整方法，该方法易于理解和掌握.关键词：二叉排序树；平衡因子；平衡二叉树中图分类号：TP311.12 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2012）03-0019-031 引言数据结构课程是计算机及相关专业的核心课程，是程序设计的重要理论技术基础[1].在动态查找表中，平衡二叉树被广泛的应用，平衡二叉树又称AVL树,它是由Adel，son-Vel，skii和Landis两位数学家于1962年提出并用他们的名字来命名的.平衡二叉树或者是一棵空树，或者是满足下列条件的二叉排序树：二叉排序树的所有结点的平衡因子为-1、0和1.所谓平衡因子BF（Balance Factor）可定义为某结点左子树的深度减去右子树的深度[2].若二叉树中任一个结点的平衡因子的绝对值大于1，则该二叉树就不是平衡二叉树.平衡二叉树在插入结点和删除结点时候，会使其变得不平衡.为此，需要对二叉排序树进行调整,使之重新变为平衡二叉树.相关教材和论文中关于平衡二叉树的调整方法较难理解，学生难以接受.笔者通过阅读大量的相关资料，并且总结教学经验，提出了一种易于理解和实用的二叉排序树转换成平衡二叉树方法.2 平衡二叉树调整方法的文献综述由于平衡二叉树的重要性，以及学生在学习平衡二叉树调整的过程中，普遍反映对用于平衡二叉树调整的四种方法较难理解，算法复杂.为此，许多学者对平衡二叉树的调整进行了大量的研究.严蔚敏、吴伟民[1]在《数据结构》（C语言版）一书中二叉排序树调整为平衡二叉树采用左旋转（LL）、右旋转（LR）、先左旋转后右旋转（LR）、先右旋转后左旋转（RL）四种旋转方法.李春葆[2]在《数据结构教程》（第2版）一书中也是采用了LL、LR、RR、RL四种旋转方法.朱宇、张红彬[3]在《平衡二叉树的选择调整算法》一文中，提出利用“中为根、小为左、大为右”的调整策略，但本质上仍然是利用旋转的思想.胡云[4]在《快速构建AVL树》一文中采用“将二叉排序树中的数据进行排序,将中点数据作为根,大于中点的数据构成右子树，小于中点的数据构成左子树，然后采用同样的方法分别对左子树和右子树进行调整.”但从作者举出的实例可以看出，该方法与传统方法得到的平衡二叉树并不一致.杜薇薇[5]等在《基于平衡因子的AVL树设计实现》一文中则从平衡因子出发,并用数学公式进行了验证了插入和删除操作.刘绍翰[6]等在《一种简化的AVL树的实现方法》一文提出了高度平衡树(HAVL)它是一种新的AVL树的数学描述.以上文献中虽然提出了较好的调整方法，但在平衡二叉树的调整基本上仍然是采用旋转的方法进行调整，并没有从根本上解决学生的困惑.笔者在教学中发现学生对二叉排序树的建立普遍能熟练掌握，并且平衡二叉树的前提必须是一棵二叉排序树，为此，本文提出了一种利用平衡因子和构建二叉排序树的方法来实现平衡二叉树的调整，从而解决了学生的困惑.3 平衡二叉树的调整方法根据平衡二叉树的定义可知，插入和删除结点造成平衡二叉树不平衡的原因是产生2或者-2的平衡因子，其实，调整的方法只需将以平衡因子为2或者-2为根结点的子二叉排序树重新找一个根结点建立新的子二叉排序树.从而使二叉排序树中的平衡因子都为-1、0或者1，即调整成为平衡二叉树.问题的关键是如何找根结点，即序列中的第一个结点，具体方法如下文所示规则.3.1 插入结点的调整插入结点时，可以利用规则一、规则二进行：规则一某结点的平衡因子为2时，把以该结点为根的树采用中序遍历的方法进行遍历，即得到一个递增的子序列，同时看该结点的左孩子的平衡因子.（1）若左孩子的平衡因子为-1时，则取该左孩子的右孩子结点，并将其移动到序列的最前面，得到一个新的序列，对该序列构造二叉排序树.（2）若左孩子的平衡因子为1时，则取该左孩子结点，并将其移动到序列的最前面，得到一个新序列，对该序列构造二叉排序树.规则二某结点的平衡因子为-2时，把以该结点为根的树采用中序遍历的方法进行遍历，即得到一个递增的子序列，同时看该结点的右孩子的平衡因子.（1）若右孩子的平衡因子为-1时，则取该右孩子结点，并将其移动到序列的最前面，得到一个新的序列，对该序列构造二叉排序树.（2）若右孩子的平衡因子为1时，则取该右孩子的左孩子结点，并将其移动到序列的最前面，得到一个新序列，对该序列构造二叉排序树.3.2 删除结点的调整删除结点时，要确定删除的结点是否是叶子结点，具体方法见规则三.规则三（1）若删除的是叶子结点，直接删除，并且自底向下查看树中的平衡因子，若发现存在平衡因子为2时，采用规则一进行调整，若平衡因子为-2时，则采用规则二进行调整.（2）若不是叶子结点，首先按照二叉排序树非叶子结点的删除方法即用该结点左子树的最大值（或者右子树的最小值）代替该结点，然后在从二叉排序树中删去它的最大值（或者最小值），同样，自底向下查看树中的平衡因子，若发现存在平衡因子为2时，采用规则一进行调整，若平衡因子为-2时，则采用规则二进行调整.4 算法描述4.1 插入结点的算法平衡二叉树的插入实现算法步骤：（1）插入结点L（L总是作为新的叶子结点插入的），插入的方法同一般的二叉排序树插入结点一样.（2）沿着插入结点L的路线返回，逐层回溯.必要时修改L的祖先的平衡因子，发现平衡因子为2或-2时，则利用规则一、规则二找到结点R.（3）把该二叉排序树进行中序遍历，得到一递增序列，并把结点R移动到该序列的最前面，然后对新形成的序列构造二叉排序树.同时检查树中其它结点，若发现平衡因子为2或-2的结点，进行调整.重复（2）（3）直到所有的结点都保持平衡为止.（4）回到（1），继续插入新的结点，直到所有的结点都插入完为止.实例1：输入关键字序列{16,3,7,11,9,26,18, 14,15}，构造一棵平衡二叉树[2].4.2 删除结点的算法平衡二叉树的删除实现算法步骤：（1）用二叉排序树的删除算法找到并删除结点L.（2）从被删除结点到根结点逐层向上回溯，必要时修改L的祖先结点的平衡因子，发现平衡因子为2或-2时，则利用规则一、规则二找到结点R.（3）把该二叉排序树进行中序遍历，得到一递增序列，并把结点R移动到该序列的最前面，然后对新形成的序列构造二叉排序树.（4）如果调整之后，子树的总高度比调整前降低了，仍然要继续回溯，直到所有结点平衡因子都为-1、0、1时，即都保持平衡为止.实例2：对实例1生成的AVL树，给出删除结点11,9,14的步骤[2].5 结束语平衡二叉树的调整是数据结构教学中的重点和难点，学生在学习的过程中对该部分内容难以理解和接受，为了打破这种局面，作者通过阅读大量的资料，总结了此方法，该方法“只需找到新的根结点，重新构造成二叉排序树”即可，通过教学实践发现，本文采用的方法容易被学生理解和掌握，在教学中得到了良好的效果，得到学生的认可.参考文献：〔1〕严蔚敏，吴伟民．数据结构(C语言版)[M]．北京：清华大学出版社，2007．〔2〕李春葆.数据结构教程（第2版）.北京：清华大学出版社，2007.〔3〕朱宇，张红彬．平衡二叉树的选择调整算法[J]．中国科学院研究生院学报，2006，23（4）:527-533．〔4〕胡云．快速构建AVL树[J]．安阳师范学院学报，2007（6）：61-63．〔5〕杜薇薇，张翼燕，瞿春柳．基于平衡因子的AVL树设计实现[J]．计算机技术与发展，2010，20（3）:24-27．〔6〕刘绍翰，高天行，黄志球．一种简化的AVL树的实现方法[J]．三峡大学学报(自然科学版)，2011，33（1）:85-87．。
数据结构平衡二叉树的操作演示
平衡二叉树操作的演示1.需求分析本程序是利用平衡二叉树，实现动态查找表的基本功能：创建表，查找、插入、删除。
具体功能：（1）初始，平衡二叉树为空树，操作界面给出创建、查找、插入、删除、合并、分裂六种操作供选择。
每种操作均提示输入关键字。
每次插入或删除一个结点后，更新平衡二叉树的显示。
（2）平衡二叉树的显示采用凹入表现形式。
（3）合并两棵平衡二叉树。
（4）把一棵二叉树分裂为两棵平衡二叉树，使得在一棵树中的所有关键字都小于或等于x，另一棵树中的任一关键字都大于x。
如下图：2．概要设计平衡二叉树是在构造二叉排序树的过程中，每当插入一个新结点时，首先检查是否因插入新结点而破坏了二叉排序树的平衡性，若是则找出其中的最小不平衡子树，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。
具体步骤：（1）每当插入一个新结点，从该结点开始向上计算各结点的平衡因子，即计算该结点的祖先结点的平衡因子，若该结点的祖先结点的平衡因子的绝对值不超过1，则平衡二叉树没有失去平衡，继续插入结点；（2）若插入结点的某祖先结点的平衡因子的绝对值大于1，则找出其中最小不平衡子树的根结点；（3）判断新插入的结点与最小不平衡子树的根结点个关系，确定是那种类型的调整；（4）如果是LL型或RR型，只需应用扁担原理旋转一次，在旋转过程中，如果出现冲突，应用旋转优先原则调整冲突；如果是LR型或RL型，则需应用扁担原理旋转两次，第一次最小不平衡子树的根结点先不动，调整插入结点所在子树，第二次再调整最小不平衡子树，在旋转过程中，如果出现冲突，应用旋转优先原则调整冲突；（5）计算调整后的平衡二叉树中各结点的平衡因子，检验是否因为旋转而破坏其他结点的平衡因子，以及调整后平衡二叉树中是否存在平衡因子大于1的结点。
流程图3.详细设计二叉树类型定义：typedef int Status;typedef int ElemType;typedef struct BSTNode{ElemType data;int bf;struct BSTNode *lchild ,*rchild;} BSTNode,* BSTree;Status SearchBST(BSTree T,ElemType e)//查找void R_Rotate(BSTree &p)//右旋void L_Rotate(BSTree &p)//左旋void LeftBalance(BSTree &T)//插入平衡调整void RightBalance(BSTree &T)//插入平衡调整Status InsertAVL(BSTree &T,ElemType e,int &taller)//插入void DELeftBalance(BSTree &T)//删除平衡调整void DERightBalance(BSTree &T)//删除平衡调整Status Delete(BSTree &T,int &shorter)//删除操作Status DeleteAVL(BSTree &T,ElemType e,int &shorter)//删除操作void merge(BSTree &T1,BSTree &T2)//合并操作void splitBSTree(BSTree T,ElemType e,BSTree &T1,BSTree &T2)//分裂操作void PrintBSTree(BSTree &T,int lev)//凹入表显示附录源代码：#include<stdio.h>#include<stdlib.h>//#define TRUE 1//#define FALSE 0//#define OK 1//#define ERROR 0#define LH +1#define EH 0#define RH -1//二叉类型树的类型定义typedef int Status;typedef int ElemType;typedef struct BSTNode{ElemType data;int bf;//结点的平衡因子struct BSTNode *lchild ,*rchild;//左、右孩子指针} BSTNode,* BSTree;/*查找算法*/Status SearchBST(BSTree T,ElemType e){if(!T){return 0; //查找失败}else if(e == T->data ){return 1; //查找成功}else if (e < T->data){return SearchBST(T->lchild,e);}else{return SearchBST(T->rchild,e);}}//右旋void R_Rotate(BSTree &p){BSTree lc; //处理之前的左子树根结点lc = p->lchild; //lc指向的*p的左子树根结点p->lchild = lc->rchild; //lc的右子树挂接为*P的左子树lc->rchild = p;p = lc; //p指向新的根结点}//左旋void L_Rotate(BSTree &p){BSTree rc;rc = p->rchild; //rc指向的*p的右子树根结点p->rchild = rc->lchild; //rc的左子树挂接为*p的右子树rc->lchild = p;p = rc; //p指向新的根结点}//对以指针T所指结点为根结点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(BSTree &T){BSTree lc,rd;lc=T->lchild;//lc指向*T的左子树根结点switch(lc->bf){ //检查*T的左子树的平衡度，并做相应的平衡处理case LH: //新结点插入在*T的左孩子的左子树，要做单右旋处理T->bf = lc->bf=EH;R_Rotate(T);break;case RH: //新结点插入在*T的左孩子的右子树上，做双旋处理rd=lc->rchild; //rd指向*T的左孩子的右子树根switch(rd->bf){ //修改*T及其左孩子的平衡因子case LH: T->bf=RH; lc->bf=EH;break;case EH: T->bf=lc->bf=EH;break;case RH: T->bf=EH; lc->bf=LH;break;}rd->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}}//右平衡旋转处理void RightBalance(BSTree &T){BSTree rc,ld;rc=T->rchild;switch(rc->bf){case RH:T->bf= rc->bf=EH;L_Rotate(T);break;case LH:ld=rc->lchild;switch(ld->bf){case LH: T->bf=RH; rc->bf=EH;break;case EH: T->bf=rc->bf=EH;break;case RH: T->bf = EH; rc->bf=LH;break;}ld->bf=EH;R_Rotate(T->rchild);L_Rotate(T);}}//插入结点Status InsertAVL(BSTree &T,ElemType e,int &taller){//taller反应T长高与否if(!T){//插入新结点，树长高，置taller为trueT= (BSTree) malloc (sizeof(BSTNode));T->data = e;T->lchild = T->rchild = NULL;T->bf = EH;taller = 1;}else{if(e == T->data){taller = 0;return 0;}if(e < T->data){if(!InsertAVL(T->lchild,e,taller))//未插入return 0;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，作相应的平衡处理case LH:LeftBalance(T);taller = 0;break;case EH:T->bf = LH;taller = 1;break;case RH:T->bf = EH;taller = 0;break;}}else{if (!InsertAVL(T->rchild,e,taller)){return 0;}if(taller)//插入到*T的右子树且右子树增高switch(T->bf){//检查*T的平衡度case LH:T->bf = EH;taller = 0;break;case EH:T->bf = RH;taller = 1;break;case RH:RightBalance(T);taller = 0;break;}}}return 1;}void DELeftBalance(BSTree &T){//删除平衡调整BSTree lc,rd;lc=T->lchild;switch(lc->bf){case LH:T->bf = EH;//lc->bf= EH;R_Rotate(T);break;case EH:T->bf = EH;lc->bf= EH;R_Rotate(T);break;case RH:rd=lc->rchild;switch(rd->bf){case LH: T->bf=RH; lc->bf=EH;break;case EH: T->bf=lc->bf=EH;break;case RH: T->bf=EH; lc->bf=LH;break;}rd->bf=EH;L_Rotate(T->lchild);R_Rotate(T);}}void DERightBalance(BSTree &T) //删除平衡调整{BSTree rc,ld;rc=T->rchild;switch(rc->bf){case RH:T->bf= EH;//rc->bf= EH;L_Rotate(T);break;case EH:T->bf= EH;//rc->bf= EH;L_Rotate(T);break;case LH:ld=rc->lchild;switch(ld->bf){case LH: T->bf=RH; rc->bf=EH;break;case EH: T->bf=rc->bf=EH;break;case RH: T->bf = EH; rc->bf=LH;break;}ld->bf=EH;R_Rotate(T->rchild);L_Rotate(T);}}void SDelete(BSTree &T,BSTree &q,BSTree &s,int &shorter){if(s->rchild){SDelete(T,s,s->rchild,shorter);if(shorter)switch(s->bf){case EH:s->bf = LH;shorter = 0;break;case RH:s->bf = EH;shorter = 1;break;case LH:DELeftBalance(s);shorter = 0;break;}return;}T->data = s->data;if(q != T)q->rchild = s->lchild;elseq->lchild = s->lchild;shorter = 1;}//删除结点Status Delete(BSTree &T,int &shorter){ BSTree q;if(!T->rchild){q = T;T = T->lchild;free(q);shorter = 1;}else if(!T->lchild){q = T;T= T->rchild;free(q);shorter = 1;}else{SDelete(T,T,T->lchild,shorter);if(shorter)switch(T->bf){case EH:T->bf = RH;shorter = 0;break;case LH:T->bf = EH;shorter = 1;break;case RH:DERightBalance(T);shorter = 0;break;}}return 1;}Status DeleteAVL(BSTree &T,ElemType e,int &shorter){ int sign = 0;if (!T){return sign;}else{if(e == T->data){sign = Delete(T,shorter);return sign;}else if(e < T->data){sign = DeleteAVL(T->lchild,e,shorter);if(shorter)switch(T->bf){case EH:T->bf = RH;shorter = 0;break;case LH:T->bf = EH;shorter = 1;break;case RH:DERightBalance(T);shorter = 0;break;}return sign;}else{sign = DeleteAVL(T->rchild,e,shorter);if(shorter)switch(T->bf){case EH:T->bf = LH;shorter = 0;break;case RH:T->bf = EH;break;case LH:DELeftBalance(T);shorter = 0;break;}return sign;}}}//合并void merge(BSTree &T1,BSTree &T2){int taller = 0;if(!T2)return;merge(T1,T2->lchild);InsertAVL(T1,T2->data,taller);merge(T1,T2->rchild);}//分裂void split(BSTree T,ElemType e,BSTree &T1,BSTree &T2){ int taller = 0;if(!T)return;split(T->lchild,e,T1,T2);if(T->data > e)InsertAVL(T2,T->data,taller);elseInsertAVL(T1,T->data,taller);split(T->rchild,e,T1,T2);}//分裂void splitBSTree(BSTree T,ElemType e,BSTree &T1,BSTree &T2){ BSTree t1 = NULL,t2 = NULL;split(T,e,t1,t2);T1 = t1;T2 = t2;return;}//构建void CreatBSTree(BSTree &T){int num,i,e,taller = 0;printf("输入结点个数:");scanf("%d",&num);printf("请顺序输入结点值\n");for(i = 0 ;i < num;i++){printf("第%d个结点的值",i+1);scanf("%d",&e);InsertAVL(T,e,taller) ;}printf("构建成功，输入任意字符返回\n");getchar();getchar();}//凹入表形式显示方法void PrintBSTree(BSTree &T,int lev){int i;if(T->rchild)PrintBSTree(T->rchild,lev+1);for(i = 0;i < lev;i++)printf(" ");printf("%d\n",T->data);if(T->lchild)PrintBSTree(T->lchild,lev+1);void Start(BSTree &T1,BSTree &T2){int cho,taller,e,k;taller = 0;k = 0;while(1){system("cls");printf(" 平衡二叉树操作的演示 \n\n");printf("********************************\n");printf(" 平衡二叉树显示区 \n");printf("T1树\n");if(!T1 )printf("\n 当前为空树\n");else{PrintBSTree(T1,1);}printf("T2树\n");if(!T2 )printf("\n 当前为空树\n");elsePrintBSTree(T2,1);printf("\n********************************************************************* *********\n");printf("T1操作：1.创建 2.插入 3.查找 4.删除 10.分裂\n");printf("T2操作：5.创建 6.插入 7.查找 8.删除 11.分裂\n");printf(" 9.合并 T1,T2 0.退出\n");printf("*********************************************************************** *******\n");printf("输入你要进行的操作：");scanf("%d",&cho);switch(cho){case 1:CreatBSTree(T1);break;case 2:printf("请输入要插入关键字的值");scanf("%d",&e);InsertAVL(T1,e,taller) ;break;case 3:printf("请输入要查找关键字的值");scanf("%d",&e);if(SearchBST(T1,e))printf("查找成功！\n");elseprintf("查找失败！\n");printf("按任意键返回87"); getchar();getchar();break;case 4:printf("请输入要删除关键字的值"); scanf("%d",&e);if(DeleteAVL(T1,e,k))printf("删除成功！\n");elseprintf("删除失败！\n");printf("按任意键返回");getchar();getchar();break;case 5:CreatBSTree(T2);break;case 6:printf("请输入要插入关键字的值"); scanf("%d",&e);InsertAVL(T2,e,taller) ;break;case 7:printf("请输入要查找关键字的值"); scanf("%d",&e);if(SearchBST(T2,e))printf("查找成功！\n");elseprintf("查找失败！\n");printf("按任意键返回");getchar();getchar();break;case 8:printf("请输入要删除关键字的值"); scanf("%d",&e);if(DeleteAVL(T2,e,k))printf("删除成功！\n");elseprintf("删除失败！\n");printf("按任意键返回");getchar();getchar();break;case 9:merge(T1,T2);T2 = NULL;printf("合并成功，按任意键返回"); getchar();getchar();break;case 10:printf("请输入要中间值字的值"); scanf("%d",&e);splitBSTree(T1,e,T1,T2) ;printf("分裂成功，按任意键返回"); getchar();getchar();break;case 11:printf("请输入要中间值字的值"); scanf("%d",&e);splitBSTree(T2,e,T1,T2) ;printf("分裂成功，按任意键返回"); getchar();getchar();break;case 0:system("cls");exit(0);}}}main(){BSTree T1 = NULL;BSTree T2 = NULL;Start(T1,T2);}。
平衡二叉树和二叉排序树（二叉搜索树）区别
平衡⼆叉树和⼆叉排序树（⼆叉搜索树）区别
平衡⼆叉树是⼀种⼆叉搜索树。
其可以保证在log2(n)的时间内找到节点，⽽普通的⼆叉搜索树在最坏情况下性能近似与链
表，所⽤时间为log(n)。
常⽤的平衡⼆叉树有AVL树和红⿊树其算法的难点在于插⼊删除节点后树的旋转
平衡⼆叉树 ----> O(log2(n))
普通⼆叉搜索树 ----> O(n)
在⼆叉搜索树的插⼊和删除运算中，采⽤平衡树的优点是：使树的结构较好，从⽽提⾼查找运算的速度。
缺点是：是插⼊和删除运算变得复杂化，从⽽降低了他们的运算速度。
对⼆叉搜索树删除节点⽽引起的不平衡性进⾏的操作⽐插⼊节点的情况要复杂，在此就不再论述了。
操作系统的设计也有⽤到哦
很多数据库的实现是基于更复杂的平衡⼆叉树
可以⾃⼰实现⼀个集合或者map,统计单词出现的次数
stl的map/set都在⽤
普通⼆叉搜索树最坏情况是只有左边⼀个分⽀，如1-2-3-4-5（5在最上⾯，1在左下⾓），但是平衡⼆叉树可以调整。
为1-2-3-4-5（3在最上⾯，1在左下⾓，5在右下⾓）。
平衡⼆叉树 ----> O(log2(n))
普通⼆叉搜索树 ----> O(n)
所以平衡⼆叉树的搜索性能⽐⼆叉搜索树（⼆叉排序树）好。
二叉排序树
②若*p结点只有左子树，或只有右子树，则可将*p的左子 树或右子树直接改为其双亲结点*f的左子树，即： f->1child=p->1child(或f->1child=p->rchild); free(p)； *f
F *p P P1
*f
F
*f
F *p P
*f
F
Pr
P1
Pr
③若*p既有左子树，又有右子树。则：
-1 0
47
-1
47
47
0
31 69
69
25
0
47
0
25
0
47
-1 0
31
0
69
0
40
69
40
69
0
25 76
40
76
(a)
AL、BL、BR 都是空树
(b) AL、BL、BR 都是非空树
LR型调整操作示意图
2
A
-1
0
C
AR C BL CL CR AR
0 0
B BL CL S
B
A
CR
(a) 插入结点*s后失去平衡
31
0 0 -1
31
0 1
28
0
25
0 0
47
0
25
-1
47
0
25
0
31
0
16 0
28
16
28
0
16 30
30
47
(c) LR(R)型调整
RL型调整操作示意图
A B C A BR CR B BR
AL
C
AL
CL CR
平衡二叉树10.3.2
11
28
96 98
25
(1) LL型调整 型调整 p A 1 2
调整方法: 调整方法: 单向右旋平衡,即将 的左孩子 单向右旋平衡,即将A的左孩子 B 向右上旋转代替 成为根结点, 向右上旋转代替A成为根结点 成为根结点, 结点向右下旋转成为B的右 将A结点向右下旋转成为 的右 结点向右下旋转成为 子树的根结点, 子树的根结点,而B的原右子树 的原右子树 则作为A结点的左子树 结点的左子树. 则作为 结点的左子树. h d e B
1 38 -1 24 88
0 -1 -2
0
11
28 1
96
0
-1 0
25
0
98
1,平衡二叉树插入结点的调整方法
若向平衡二叉树中插入一个新结点后破坏了平衡二叉树的平衡性, 若向平衡二叉树中插入一个新结点后破坏了平衡二叉树的平衡性, 首先从根结点到该新插入结点的路径之逆向根结点方向找第一个失去平 衡的结点, 衡的结点,然后以该失衡结点和它相邻的刚查找过的两个结点构成调整 子树(最小不平衡子树 即调整子树是指以离插入结点最近,且平衡因子 最小不平衡子树), 子树 最小不平衡子树 ,即调整子树是指以离插入结点最近 且平衡因子 绝对值大于1的结点为根结点的子树 使之成为新的平衡子树. 的结点为根结点的子树,使之成为新的平衡子树 绝对值大于 的结点为根结点的子树 使之成为新的平衡子树. 38 24 88 -2
(2)RR型调整 型调整 p A -1 -2
调整方法: 调整方法: 单向左旋平衡:即将 的右孩子 的右孩子B向 单向左旋平衡:即将A的右孩子 向 左上旋转代替A成为根结点 成为根结点, 左上旋转代替 成为根结点,将A结 结 点向左下旋转成为B的左子树的根 点向左下旋转成为 的左子树的根 结点, 的原左子树则作为A结点 结点,而B的原左子树则作为 结点 的原左子树则作为 的右子树. 的右子树. B
详解平衡二叉树
一、平衡二叉树的概念平衡二叉树(Balanced binary tree)是由阿德尔森-维尔斯和兰迪斯(Adelson-Velskii and Landis)于1962年首先提出的，所以又称为AVL树。
定义：平衡二叉树或为空树,或为如下性质的二叉排序树:（1）左右子树深度之差的绝对值不超过1;（2）左右子树仍然为平衡二叉树.平衡因子BF=左子树深度－右子树深度.平衡二叉树每个结点的平衡因子只能是1，0，-1。
若其绝对值超过1，则该二叉排序树就是不平衡的。
如图所示为平衡树和非平衡树示意图：二、平衡二叉树算法思想若向平衡二叉树中插入一个新结点后破坏了平衡二叉树的平衡性。
首先要找出插入新结点后失去平衡的最小子树根结点的指针。
然后再调整这个子树中有关结点之间的链接关系，使之成为新的平衡子树。
当失去平衡的最小子树被调整为平衡子树后，原有其他所有不平衡子树无需调整，整个二叉排序树就又成为一棵平衡二叉树。
失去平衡的最小子树是指以离插入结点最近，且平衡因子绝对值大于1的结点作为根的子树。
假设用A表示失去平衡的最小子树的根结点，则调整该子树的操作可归纳为下列四种情况。
1）LL型平衡旋转法由于在A的左孩子B的左子树上插入结点F，使A的平衡因子由1增至2而失去平衡。
故需进行一次顺时针旋转操作。
即将A的左孩子B向右上旋转代替A作为根结点，A向右下旋转成为B的右子树的根结点。
而原来B的右子树则变成A的左子树。
（2）RR型平衡旋转法由于在A的右孩子C 的右子树上插入结点F，使A的平衡因子由-1减至-2而失去平衡。
故需进行一次逆时针旋转操作。
即将A的右孩子C向左上旋转代替A作为根结点，A向左下旋转成为C的左子树的根结点。
而原来C的左子树则变成A的右子树。
（3）LR型平衡旋转法由于在A的左孩子B的右子数上插入结点F，使A的平衡因子由1增至2而失去平衡。
故需进行两次旋转操作（先逆时针，后顺时针）。
即先将A结点的左孩子B的右子树的根结点D向左上旋转提升到B结点的位置，然后再把该D结点向右上旋转提升到A结点的位置。
平衡二叉树
2 -1 0 0 0
-1
-2 0 0 1
0 0
1
(b) 不平衡二叉树 图9.6 平衡与不平衡二叉树及结点的平衡因子
平衡二叉树是二叉排序树的另一种形式. 平衡二叉树 我们希望由任何初始序列构成的二叉排序 树都是平衡二叉树 平衡二叉树.因为平衡二叉树 平衡二叉树上任 平衡二叉树 平衡二叉树 1 何结点的左右子树的深度之差都不超过1, 则可以证明它的深度和logN是同数量级的 (其中N是结点的个数).由此,它的平 均查找长度也和logN同数量级.
typedef structBSTNode { ElemType data; int bf; //结点的平衡因子 结点的平衡因子 struct BSTNode *lchild, *rchild; //左,右孩子指针 左 } BSTNode, * BSTree;
算法9.7如下: 算法 如下: 如下 void R_Rotate (BSTree &p) { //对以 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, 对以*p为根的二叉排序树作右旋处理,处理之后 指向新的树根结点, 对以 为根的二叉排序树作右旋处理 指向新的树根结点 //即旋转处理之前的左子树的根结点 即旋转处理之前的左子树的根结点 lc = p->lchild; //lc指向的 的左子树根结点 指向的*p的左子树根结点 - 指向的 p->lchild = lc->rchild; //lc的右子树挂接为 的左子树 的右子树挂接为*p的左子树 - - 的右子树挂接为 lc->rchild = p; - p = lc; //p指向新的根结点 指向新的根结点 } // R_Rotate
数据结构：第9章 查找2-二叉树和平衡二叉树
return(NULL); else
{if(t->data==x) return(t);
if(x<(t->data) return(search(t->lchild,x));
else return(search(t->lchild,x)); } }
——这种既查找又插入的过程称为动态查找。 二叉排序树既有类似于折半查找的特性，又采用了链表存储， 它是动态查找表的一种适宜表示。
注：若数据元素的输入顺序不同，则得到的二叉排序树形态 也不同！
讨论1：二叉排序树的插入和查找操作 例：输入待查找的关键字序列=（45，24，53，45，12，24，90）
二叉排序树的建立 对于已给定一待排序的数据序列,通常采用逐步插入结点的方 法来构造二叉排序树,即只要反复调用二叉排序树的插入算法 即可，算法描述为： BiTree *Creat (int n) //建立含有n个结点的二叉排序树 { BiTree *BST= NULL;
for ( int i=1; i<=n; i++) { scanf(“%d”,&x); //输入关键字序列
– 法2：令*s代替*p
将S的左子树成为S的双亲Q的右子树，用S取代p 。 若C无右子树，用C取代p。
例：请从下面的二叉排序树中删除结点P。
F P
法1:
F
P
C
PR
C
PR
CL Q
CL QL
Q SL
S PR
QL S
SL
法2:
F
PS
C
PR
CL Q
QL SL S SL
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编号：B04900083学号：8 Array课程设计教学院计算机学院课程名称数据结构与算法题目二叉排序树与平衡二叉排序树基本操作的实现专业计算机科学与技术班级二班姓名同组人员指导教师成俊2015 年12 月27 日课程设计任务书2015 ～2016 学年第 1 学期学生：专业班级：计科二指导教师：成俊工作部门：计算机学院一、课程设计题目:二叉排序树与平衡二叉排序树基本操作二、课程设计容用二叉链表作存储结构，编写程序实现二叉排序树上的基本操作：以回车('\n')为输入结束标志,输入数列L,生成二叉排序树T；对二叉排序树T作中序遍历；计算二叉排序树T的平均,输出结果；输入元素x,查找二叉排序树T,若存在含x的结点,则删除该结点,并作中序遍历；否则输出信息“无结点x”；判断二叉排序树T是否为平衡二叉树；再用数列L,生成平衡二叉排序树BT:当插入新元素之后,发现当前的二叉排序树BT不是平衡二叉排序树,则立即将它转换成新的平衡二叉排序树BT；计算平衡的二叉排序树BT的平均查找长度，输出结果。
三、进度安排1．分析问题，给出数学模型，选择数据结构.2．设计算法，给出算法描述3．给出源程序清单4. 编辑、编译、调试源程序5. 撰写课程设计报告四、基本要求编写AVL树判别程序，并判别一个二叉排序树是否为AVL树。
二叉排序树用其先序遍历结果表示，如：5，2，1，3，7，8。
实现AVL树的ADT，包括其上的基本操作：结点的加入和删除；另外包括将一般二叉排序树转变为AVL树的操作。
实现提示主要考虑树的旋转操作。
目录一、课程设计题目: 二叉排序树与平衡二叉排序树基本操作 (1)二、课程设计容 (1)三、进度安排 (1)四、基本要求 (1)一、概述 (3)1.课程设计的目的 (3)2.课程设计的要求 (3)二、总体方案设计 (4)三、详细设计 (6)1.课程设计总体思想 (6)2.模块划分 (7)3.流程图 (8)四、程序的调试与运行结果说明 (9)五、课程设计总结 (14)参考文献 (14)一、概述1.课程设计的目的1.充分理解和掌握二叉树、平衡二叉树的相关概念和知识。
2.掌握排序二叉树的生成、结点删除、插入等操作过程。
3.并实现从键盘上输入一系列数据（整型），建立一棵平衡二叉树。
4.任意插入或删除一个结点后判断是否为平衡二叉树。
5．将非平衡二叉树转换成平衡二叉树。
6.按中序遍历输出这棵平衡二叉树。
2.课程设计的要求用二叉链表作存储结构，编写程序实现二叉排序树上的基本操作：以回车('\n')为输入结束标志,输入数列L,生成二叉排序树T；对二叉排序树T作中序遍历；计算二叉排序树T的平均查找长度,输出结果；输入元素x,查找二叉排序树T,若存在含x的结点,则删除该结点,并作中序遍历；否则输出信息“无结点x”；判断二叉排序树T是否为平衡二叉树；再用数列L,生成平衡二叉排序树BT:当插入新元素之后,发现当前的二叉排序树BT不是平衡二叉排序树,则立即将它转换成新的平衡二叉排序树BT；计算平衡的二叉排序树BT的平均查找长度，输出结果。
编写A VL树判别程序，并判别一个二叉排序树是否为A VL树。
二叉排序树用其先序遍历结果表示，如：5，2，1，3，7，8。
实现A VL树的ADT，包括其上的基本操作：结点的加入和删除；另外包括将一般二叉排序树转变为A VL树的操作。
实现提示主要考虑树的旋转操作。
二、总体方案设计1）建立二叉排序树，编写二叉排序树T作中序遍历。
2）查找删除二叉排序树函数。
3）编写判断二叉排序树T是否为平衡二叉树函数，把非平衡二叉排序树转换成平衡二叉排序树。
4）编写计算二叉树BT的平均查找长度函数。
我负责的是第一部分，二叉排序树或者是一棵空树，或者是具有下列性质的二叉树：1.若它的左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；2.若它的右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；3.它的左、右子树也分别为二叉排序树。
以链表存储结构创建二叉排序树，以回车('\n')为输入结束标志,输入数列L,生成二叉排序树T；对二叉排序树T作中序遍历。
中序遍历二叉树算法的框架是：若二叉树为空，则空操作；否则(1)中序遍历左子树（L）；(2)访问根结点（V）；(3)中序遍历右子树（R）。
函数1：中序遍历二叉树中序遍历二叉树也采用递归函数的方式，先访问左子树2i,然后访问根结点i,最后访问右子树2i+1.先向左走到底再层层返回，直至所有的结点都被访问完毕。
（石林）函数2：平均查找长度计算二叉排序树的平均查询长度时，可采用类似中序遍历的递归方式，用s记录总查询长度，j记录每个结点的查询长度，s值初值为0，采用累加的方式最总得到总查询长度s，平均查询长度等于s/i（i为树中结点个数）。
（吴进）函数3：查找删除二叉排序树函数输入元素x,查找二叉排序树T,若存在含x的结点,则删该结点,并作中序遍历(执行函数1)；否则输出信息“无x”。
（常勋）函数4：判断二叉排序树T是否为平衡二叉树，若不是则用数列L，生成平衡排序二叉树BT；最后调用函数6 ，接着调用函数5.判断二叉排序树是否为平衡二叉树的函数也是采用递归函数的方式，分别判定以树中每个节点为根节点的子树是否为平衡二叉树。
只要有一个子树不为平衡二叉树，则该树便不是平衡二叉树。
函数5：在平衡二叉树BT上插入新元素，若发现当前的二叉排序树BT不是平衡二叉排序树，则立即将它转换成新的平衡二叉排序树BT。
三、详细设计1.课程设计总体思想1.生成二叉排序树：建立二叉排序树采用的是边查找边插入的方式。
查找函数采用递归的方式进行查找。
查找是按照二叉排序树的性质进行的，通过比较要插入元素的关键字与当前结点关键字的大小来决定我们是遍历当前结点的哪个子树。
如果小于当前结点关键字，则遍历它的左子树；大于当前结点关键字，则遍历它的右子树；等于当前关键字，则此元素不插入原树。
我们按照这样的规律，一直向下遍历，知道它的子树为空，则返回当前结点的上一个结点。
然后利用插入函数将该元素插入原树。
2.中序遍历：对二叉排序树进行中序遍历采用递归函数的方式。
在根节点不为空的情况下，先访问左子树，在访问根结点，最后访问右子树。
3.平均查找长度：计算二叉排序树的平均查找长度，仍采用类似中序遍历的递归方式，用s 记录总查找长度，j记录每个结点的查找长度，s置初值为0，采用累加的方式最终得到总查找长度s，平均查找长度就等于s/j（i为树中结点的总个数）。
4.删除结点：删除结点函数，采用边查找变删除的方式。
如果没有查找到，则不对树做任何的修改：如果查找到结点，则分四种情况分别进行讨论：（1）该结点左右子树均为空；（2）该结点仅左子树为空；（3）该结点仅右子树为空；（4）该结点左右子树都不为空；5．用数列L，生成平衡的二叉排序树BT；当插入新元素之后，发现当前的二叉排序树BT不是平衡二叉排序树，则立即将它转换成新的平衡的二叉排序树BT。
我所负责的模块函数定义如下void TraverseOrderDSTable(BSTree DT, void(*Visit)(ElemType)) //按中序遍历详细的程序代码如下：typedef struct BSTNode //二叉排序树类型{ ElemType data;struct BSTNode *lchild, *rchild;}BSTNode, *BSTree;Status InitDSTable(BSTree &DT){ //构造一个空的动态BST查找表DTDT = NULL;return 1;}void TraverseOrderDSTable(BSTree DT, void(*Visit)(ElemType)){ //按中序遍历对DT的每个结点调用函数Visit()一次且至多一次if(DT){ TraverseOrderDSTable (DT->lchild, Visit);Visit(DT->data);TraverseOrderDSTable (DT->rchild, Visit);}}2.模块划分Main:主函数模块，在主函数中调用其他函数：（1）Status InsertBST(BSTree &T, ElemType e) //创建二叉排序树（2）void TraverseOrderDSTable(BSTree DT, void(*Visit)(ElemType)) void TraverseOrderDSTable(AVLTree DT, void(*Visit)(ElemType)) //中序遍历二叉排序树和平衡二叉排序树（3）void asl() //计算平均长度（4）BSTree SearchBST(BSTree T, KeyType key)void SearchBST(BSTree &T, KeyType key, BSTree f, BSTree &p, Status &flag)void Delete(BSTree &p)Status DeleteBST(BSTree &T, KeyType key)//查找并删除结点（5）Status InsertAVL(AVLTree &T, ElemType e, Status &taller) //创建平衡二叉排序树void RightBalance(AVLTree &T)//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 void LeftBalance(AVLTree &T)//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AVLTree SearchAVL(AVLTree T, KeyType key)//衡二叉排序树中进行查找。
3.流程图四、程序的调试与运行结果说明主函数代码：void main(){int num, i, select, t, *depth, max, flag;KeyType j; Status k;ElemType *r, *tempr, tempbst, tempavl;BSTree bst, p;AVLTree avl, q;do{printf("请输入要输入的数据的总数，总数要大于0:");scanf("%d",&num); if(num <=0)printf("\n输入的总数要大于0，请重新输入：");}while(num <=0);gl_count = num;r = (ElemType*)malloc(gl_count*(sizeof(ElemType)));printf("请输入生成二叉树的整型数据，前后数据用空格隔开：\n"); for(i=0; i<gl_count; i++){scanf("%d", &r[i].key) ;r[i].order = i+1;}printf("\n用户输入的数据及序号如下：\n");for(i=0; i< gl_count; i++){print(r[i]);if((i+1)%6 == 0) printf("\n");}select = 0; flag = 0; InitDSTable(bst);for(i=0; i<gl_count; i++)InsertBST(bst, r[i]);printf("\n按中序遍历该二叉排序树的结果如下：\n");TraverseOrderDSTable(bst, print);cout<<endl<<endl<<"以下是对二叉排序树的基本操作:"<<endl <<"1.查找一个节点"<<endl<<"2.插入一个节点"<<endl<<"3.删除一个节点"<<endl<<"4.判别二元查找树是否为平衡二叉树"<<endl<<"5.二叉树转换为平衡二叉树"<<endl<<"6.退出系统"<<endl;do{if(flag == 6);printf("\n请输入二叉排序树基本操作的选项：");scanf("%d", &select);switch(select){case 1:printf("请输入待查找的数据：");scanf("%d", &j);p = SearchBST(bst, j);if(p){printf("\n二叉排序树中存在此值：");print(p->data);}else printf("\n二叉排序树中不存在此值。