JavaScript数据结构与算法（十）自平衡树

msup 发布于2019-08-26 10:58 / 1414人阅读

摘要：为了解决这类问题，我们进行自平衡树的学习。自平衡树常见有两种树和红黑树。自平衡树准备知识节点的高度和平衡因子节点高度从节点到任意子节点的彼岸的最大值。

前面介绍了二叉树和二叉树搜索树的创建和使用，接下来我们继续学习关于树的更多知识。
BST存在一个问题，就是当我们多次添加节点数，有可能造成一种情况，树的一条边可能会非常深，有非常多的层，而另一条分支却只有几层。当我们需要进行添加、移除和搜索某一节点时，可能会引起一些性能问题。为了解决这类问题，我们进行自平衡树的学习。自平衡树常见有两种：AVL树和红黑树。

自平衡树 准备知识 节点的高度和平衡因子

节点高度：从节点到任意子节点的彼岸的最大值。这个相对来说容易理解。那么获得节点高度的代码实现如下：

getNodeHeight(node) {
    if (node == null) {
      return -1;
    }
    return Math.max(this.getNodeHeight(node.left), this.getNodeHeight(node.right)) + 1;
  }

平衡因子：每个节点左子树高度和右子树高度的差值。该值为0 、 -1、 1 时则为正常值，说明该二叉树已经平衡。若果该值不是这三个值之一，则需要平衡该树。遵循计算一个节点的平衡因子并返回其值的代码如下：

const BalanceFactor = {
  UNBALANCED_RIGHT: 1,
  SLIGHTLY_UNBALANCED_RIGHT: 2,
  BALANCED: 3,
  SLIGHTLY_UNBALANCED_LEFT: 4,
  UNBALANCED_LEFT: 5
};
getBalanceFactor(node) {
    const heightDifference = this.getNodeHeight(node.left) - this.getNodeHeight(node.right);
    switch (heightDifference) {
      case -2:
        return BalanceFactor.UNBALANCED_RIGHT;
      case -1:
        return BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_RIGHT;
      case 1:
        return BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_LEFT;
      case 2:
        return BalanceFactor.UNBALANCED_LEFT;
      default:
        return BalanceFactor.BALANCED;
    }
  }

AVL树

AVL树是一种自平衡树，添加或移除节点时，AVL会尝试保持自平衡，也就是会可能尝试转换为完全树。接下来介绍平衡树进行自平衡的操作，AVL旋转

AVL旋转

在对AVL进行添加或者移除节点后，我们需要计算节点的高度并验证是否需要进行平衡。旋转操作分为单旋转和双旋转两种。

左-左LL（向右的单旋转）

/**
   * Left left case: rotate right
   *
   *       b                           a
   *      /                          / 
   *     a   e -> rotationLL(b) ->   c   b
   *    /                              / 
   *   c   d                           d   e
   *
   * @param node Node
   */
rotationLL(node){
    const tmp = node.right;
    node.left = tmp.right;
    tmp.right = node;
    return tmp;
}

右-右RR（向左的单旋转）

/**
   * Right right case: rotate left
   *
   *     a                              b
   *    /                             / 
   *   c   b   -> rotationRR(a) ->    a   e
   *      /                         / 
   *     d   e                      c   d
   *
   * @param node Node
   */
  rotationLL(node) {
    const tmp = node.left;
    node.left = tmp.right;
    tmp.right = node;
    return tmp;
  }

左-右（LR）：向右的双旋转

/**
   * Left right case: rotate left then right
   * @param node Node
   */
  rotationLR(node) {
    node.left = this.rotationRR(node.left);
    return this.rotationLL(node);
  }

右-左（RL）：向左的双旋转

/**
   * Right left case: rotate right then left
   * @param node Node
   */
  rotationRL(node) {
    node.right = this.rotationLL(node.right);
    return this.rotationRR(node);
  }

完成平衡操作（旋转）的学习后，我们接下来完善一下AVL树添加或者移除节点的操作

添加节点

insert(key) {
    this.root = this.insertNode(this.root, key);
  }

  insertNode(node, key) {
    if (node == null) {
      return new Node(key);
    } if (this.compareFn(key, node.key) === Compare.LESS_THAN) {
      node.left = this.insertNode(node.left, key);
    } else if (this.compareFn(key, node.key) === Compare.BIGGER_THAN) {
      node.right = this.insertNode(node.right, key);
    } else {
      return node; // duplicated key
    }
    // verify if tree is balanced
    const balanceFactor = this.getBalanceFactor(node);
    if (balanceFactor === BalanceFactor.UNBALANCED_LEFT) {
      if (this.compareFn(key, node.left.key) === Compare.LESS_THAN) {
        // Left left case
        node = this.rotationLL(node);
      } else {
        // Left right case
        return this.rotationLR(node);
      }
    }
    if (balanceFactor === BalanceFactor.UNBALANCED_RIGHT) {
      if (this.compareFn(key, node.right.key) === Compare.BIGGER_THAN) {
        // Right right case
        node = this.rotationRR(node);
      } else {
        // Right left case
        return this.rotationRL(node);
      }
    }
    return node;
  }

移除节点

 removeNode(node, key) {
    node = super.removeNode(node, key); // {1}
    if (node == null) {
      return node;
    }
    // verify if tree is balanced
    const balanceFactor = this.getBalanceFactor(node);
    if (balanceFactor === BalanceFactor.UNBALANCED_LEFT) {
      // Left left case
      if (
        this.getBalanceFactor(node.left) === BalanceFactor.BALANCED
        || this.getBalanceFactor(node.left) === BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_LEFT
      ) {
        return this.rotationLL(node);
      }
      // Left right case
      if (this.getBalanceFactor(node.left) === BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_RIGHT) {
        return this.rotationLR(node.left);
      }
    }
    if (balanceFactor === BalanceFactor.UNBALANCED_RIGHT) {
      // Right right case
      if (
        this.getBalanceFactor(node.right) === BalanceFactor.BALANCED
        || this.getBalanceFactor(node.right) === BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_RIGHT
      ) {
        return this.rotationRR(node);
      }
      // Right left case
      if (this.getBalanceFactor(node.right) === BalanceFactor.SLIGHTLY_UNBALANCED_LEFT) {
        return this.rotationRL(node.right);
      }
    }
    return node;
  }
}

以上就是关于AVL树基础知识的学习，接下来我们介绍另一种平衡树——红黑树。
和AVL树一样，红黑树也是一个自平衡二叉树。红黑树本质上也是AVL树，但可以包含多次插入和删除。在红黑树中，每个节点都遵循以下规则：

顾名思义，每个节点不是红的就是黑的；

树的根节点就是黑的；

所有叶节点都是黑的；

如果一个节点是红的，那么他的两个子节点都是黑的

不能有两个相邻的红节点，一个红节点不能有红的父节点或子节点；

从给定的节点到他的后代节点（NULL叶节点）的所有路径包含相同数量的黑色节点。

红黑树 创建红黑树的骨架

const BalanceFactor = {
  UNBALANCED_RIGHT: 1,
  SLIGHTLY_UNBALANCED_RIGHT: 2,
  BALANCED: 3,
  SLIGHTLY_UNBALANCED_LEFT: 4,
  UNBALANCED_LEFT: 5
};
//定义颜色类
const Colors = {
  RED:"red",
  BLACK:"black"
};
//创建红黑树的节点类型
class RedBlackNode extends Node{
  constructor(key){
    super(key);
    this.key = key;
    this.color = Colors.RED;
    this.parent = null;
  }
  isRed(){
    return this.color === Colors.RED;
  }
};
class RedBlackTree extends BinarySearchTree{
  constructor(compareFn = defaultCompare){
    super(compareFn);
    this.compareFn = compareFn;
    this.root = null;
  };
}

旋转操作

向右单旋转

 //rotationLL
  static rotationLL(node){
    const tmp = node.left;
    node.left = tmp.right;
    if(tmp.right && tmp.right.key){
      tmp.right.parent = node;
    }
    tmp.right.parent = node.parent;
    if (!node.parent){
      this.root = tmp;
    }else{
      if(node === node.parent.left){
        node.parent.left = tmp;
      }else{
        node.parent.right = tmp;
      }
      tmp.right = node;
      node.parent = tmp;
    }
  };

向左单旋转

//rotationRR
  static rotationRR(node){
    const tmp = node.right;
    node.right = tmp.left;
    if (tmp.left && tmp.left.key){
      tmp.left.parent = node;
    }
    tmp.parent = node.parent;
    if (!node.parent){
      this.root = tmp;
    }else{
      if(node === node.parent.left){
        node.parent.left = tmp;
      }else{
        node.parent.right = tmp;
      }
    }
    tmp.left = node;
    node.parent = tmp;
  }

验证节点颜色属性

 //插入节点后验证红黑树的属性
  static fixTreeProperties(node){
    while (node && node.parent && node.parent.color.isRed() && node.color !== Colors.BLACK){
      let parent = node.parent;
      const grandParent = parent.parent;
      //case A:父节点是左侧子节点
      if (grandParent && grandParent.left === parent){
        const uncle = grandParent.right;
        //case 1A：叔节点也是红色——只需要重新填色
        if (uncle && uncle.color === Colors.RED){
          grandParent.color = Colors.RED;
          parent.color  = Colors.BLACK;
          uncle.color = Colors.BLACK;
          node = grandParent;
        }else{
          // case 2A:节点是右侧子节点——右旋转
          if (node === parent.left){
            RedBlackTree.rotationRR(parent);
            node = parent;
            parent = node.parent;
          }
          //case 3A:子节点是左侧子节点——左旋转
          else if(node === parent.right){
            RedBlackTree.rotationRR(grandParent);
            parent.color = Colors.BLACK;
            grandParent.color = Colors.RED;
            node = parent;
          }
        }
      }
      //case B:父节点是右侧子节点
      else{
        const uncle = grandParent.left;
        //case1B:叔节点是红色——只需要重新填色
        if(uncle && uncle.color === Colors.RED){
          grandParent.color = Colors.RED;
          parent.color = Colors.BLACK;
          uncle.color = Colors.BLACK;
          node = grandParent;
        }
        //case2B:节点是左侧子节点—右旋转
        if (node === parent.left){
          RedBlackTree.rotationLL(parent);
          node = parent;
          parent = node.parent;
        }
        //case3B:节点是右侧子节点——左旋转
        else if(node === parent.right){
          RedBlackTree.rotationRR(grandParent);
          parent.color = Colors.BLACK;
          grandParent.color = Colors.RED;
          node = parent;
        }
      }
      this.root.color = Colors.BLACK;
    }
  }

添加新节点

 //向红黑树插入新节点
  insertNode(node,key){
    if(this.compareFn(key,node.key) === Compare.LESS_THAN){
      if(node.left === null){
        node.left = new RedBlackNode(key);
        node.left.parent = node;
        return node.left;
      }
      else{
        return this.insertNode(node.left,key);
      }
    }
    else if(node.right === null){
      node.right = new RedBlackNode(key);
      node.right.parent = node;
      return node.right;
    }
  };
  insert(key) {
    if (this.root === null){
      this.root = new RedBlackNode(key);
      this.root.color = Colors.BLACK;
    }else{
      const newNode = this.insertNode(this.root, key);
      RedBlackTree.fixTreeProperties(newNode);
    }
  };

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