AVL 树,是一种平衡的二叉搜索树。由于各种算法教材上对 AVL 的介绍十分冗长,造成了很多人对 AVL 树复杂、不实用的印象。但实际上,AVL 树的原理简单,实现也并不复杂。

性质

  1. 空二叉树是一个 AVL 树
  2. 如果 T 是一棵 AVL 树,那么其左右子树也是 AVL 树,并且 ,h 是其左右子树的高度
  3. 树高为

平衡因子:右子树高度 - 左子树高度

树高的证明

为高度为 的 AVL 树所包含的最少节点数,则有

根据常系数非齐次线性差分方程的解法, 是一个斐波那契数列。这里 的通项为:

斐波那契数列以指数的速度增长,对于树高 有:

因此 AVL 树的高度为 ,这里的 为结点数。

过程

插入结点

与 BST(二叉搜索树)中类似,先进行一次失败的查找来确定插入的位置,插入节点后根据平衡因子来决定是否需要调整。

删除结点

删除和 BST 类似,将结点与后继交换后再删除。

删除会导致树高以及平衡因子变化,这时需要沿着被删除结点到根的路径来调整这种变化。

平衡的维护

插入或删除节点后,可能会造成 AVL 树的性质 2 被破坏。因此,需要沿着从被插入/删除的节点到根的路径对树进行维护。如果对于某一个节点,性质 2 不再满足,由于我们只插入/删除了一个节点,对树高的影响不超过 1,因此该节点的平衡因子的绝对值至多为 2。由于对称性,我们在此只讨论左子树的高度比右子树大 2 的情况,即下图中 。此时,还需要根据 的大小关系分两种情况讨论。需要注意的是,由于我们是自底向上维护平衡的,因此对节点 D 的所有后代来说,性质 2 仍然是被满足的。

,则有

其中 是由于节点 B 满足性质 2,因此 的差不会超过 1。此时我们对节点 D 进行一次右旋操作(旋转操作与其它类型的平衡二叉搜索树相同),如下图所示。

显然节点 A、C、E 的高度不发生变化,并且有

因此旋转后的节点 B 和 D 也满足性质 2。

,则与刚才同理,有

此时我们先对节点 B 进行一次左旋操作,再对节点 D 进行一次右旋操作,如下图所示。

显然节点 A、E 的高度不发生变化,并且 B 的新右儿子和 D 的新左儿子分别为 C 原来的左右儿子,则有

因此旋转后的节点 B、C、D 也满足性质 2。

维护平衡操作:伪代码

与其他平衡二叉搜索树相同,AVL 树中节点的高度、子树大小等信息需要在旋转时进行维护。

其他操作

AVL 树的其他操作(Predecessor、Successor、Select、Rank 等)与普通的二叉搜索树相同。

参考代码

下面的代码是用 AVL 树实现的 Map,即有序不可重映射:

其他资料

AVL Tree Visualization 可以观察 AVL 树维护平衡的过程。

维基百科 — AVL 树