Java數據結構與算法解析(八)——伸展樹
伸展樹簡介
伸展樹(Splay Tree)是特殊的二叉查找樹。
它的特殊是指,它除了本身是棵二叉查找樹之外,它還具備一個特點: 當某個節點被訪問時,伸展樹會通過旋轉使該節點成為樹根。這樣做的好處是,下次要訪問該節點時,能夠迅速的訪問到該節點。
特性
- 和普通的二叉查找樹相比,具有任何情況下、任何操作的平攤O(log2n)的復雜度,時間性能上更好
- 和一般的平衡二叉樹比如 紅黑樹、AVL樹相比,維護更少的節點額外信息,空間性能更優,同時編程復雜度更低
- 在很多情況下,對于查找操作,后面的查詢和之前的查詢有很大的相關性。這樣每次查詢操作將被查到的節點旋轉到樹的根節點位置,這樣下次查詢操作可以很快的完成
- 可以完成對區間的查詢、修改、刪除等操作,可以實現線段樹和樹狀數組的所有功能
旋轉
伸展樹實現O(log2n)量級的平攤復雜度依靠每次對伸展樹進行查詢、修改、刪除操作之后,都進行旋轉操作 Splay(x, root),該操作將節點x旋轉到樹的根部。
伸展樹的旋轉有六種類型,如果去掉鏡像的重復,則為三種:zig(zag)、zig-zig(zag-zag)、zig-zag(zag-zig)。
1 自底向上的方式進行旋轉
1.1 zig旋轉
如圖所示,x節點的父節點為y,x為y的左子節點,且y節點為根。則只需要對x節點進行一次右旋(zig操作),使之成為y的父節點,就可以使x成為伸展樹的根節點。
1.2 zig-zig旋轉
如上圖所示,x節點的父節點y,y的父節點z,三者在一字型鏈上。此時,先對y節點和z節點進行zig旋轉,然后再對x節點和y節點進行zig旋轉,最后變為右圖所示,x成為y和z的祖先節點。
1.3 zig-zag旋轉
如上圖所示,x節點的父節點y,y的父節點z,三者在之字型鏈上。此時,先對x節點和y節點進行zig旋轉,然后再對x節點和y節點進行zag旋轉,最后變為右圖所示,x成為y和z的祖先節點。
2 自頂向下的方式進行旋轉
這種方式不需要節點存儲其父節點的引用。當我們沿著樹向下搜索某個節點x時,將搜索路徑上的節點及其子樹移走。構建兩棵臨時的樹——左樹和右樹。沒有被移走的節點構成的樹稱為中樹。
- 當前節點x是中樹的根
- 左樹L保存小于x的節點
- 右樹R保存大于x的節點
開始時候,x是樹T的根,左樹L和右樹R都為空。三種旋轉操作:
2.1 zig旋轉
如圖所示,x節點的子節點y就是我們要找的節點,則只需要對y節點進行一次右旋(zig操作),使之成為x的父節點,就可以使y成為伸展樹的根節點。將y作為中樹的根,同時,x節點移動到右樹R中,顯然右樹上的節點都大于所要查找的節點。
2.2 zig-zig旋轉
如上圖所示,x節點的左子節點y,y的左子節點z,三者在一字型鏈上,且要查找的節點位于z節點為根的子樹中。此時,對x節點和y節點進行zig,然后對z和y進行zig,使z成為中樹的根,同時將y及其子樹掛載到右樹R上。
2.3 zig-zag旋轉
如上圖所示,x節點的左子節點y,y的右子節點z,三者在之字型鏈上,且需要查找的元素位于以z為根的子樹上。此時,先對x節點和y節點進行zig旋轉,將x及其右子樹掛載到右樹R上,此時y成為中樹的根節點;然后再對z節點和y節點進行zag旋轉,使得z成為中樹的根節點。
2.4 合并
最后,找到節點或者遇到空節點之后,需要對左、中、右樹進行合并。如圖所示,將左樹掛載到中樹的最左下方(滿足遍歷順序要求),將右樹掛載到中樹的最右下方(滿足遍歷順序要求)。
伸展樹的實現
1.節點
- public class SplayTree<T extends Comparable<T>> {
- private SplayTreeNode<T> mRoot; // 根結點
- public class SplayTreeNode<T extends Comparable<T>> {
- T key; // 關鍵字(鍵值)
- SplayTreeNode<T> left; // 左孩子
- SplayTreeNode<T> right; // 右孩子
- public SplayTreeNode() {
- this.left = null;
- this.right = null;
- }
- public SplayTreeNode(T key, SplayTreeNode<T> left, SplayTreeNode<T> right) {
- this.key = key;
- this.left = left;
- this.right = right;
- }
- }
- }
SplayTree是伸展樹,而SplayTreeNode是伸展樹節點。在此,我將SplayTreeNode定義為SplayTree的內部類。在伸展樹SplayTree中包含了伸展樹的根節點mRoot。SplayTreeNode包括的幾個組成元素:
- key – 是關鍵字,是用來對伸展樹的節點進行排序的。
- left – 是左孩子。
- right – 是右孩子。
2.旋轉
- /*
- * 旋轉key對應的節點為根節點,并返回根節點。
- *
- * 注意:
- * (a):伸展樹中存在"鍵值為key的節點"。
- * 將"鍵值為key的節點"旋轉為根節點。
- * (b):伸展樹中不存在"鍵值為key的節點",并且key < tree.key。
- * b-1 "鍵值為key的節點"的前驅節點存在的話,將"鍵值為key的節點"的前驅節點旋轉為根節點。
- * b-2 "鍵值為key的節點"的前驅節點存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都小,那么此時,將最小節點旋轉為根節點。
- * (c):伸展樹中不存在"鍵值為key的節點",并且key > tree.key。
- * c-1 "鍵值為key的節點"的后繼節點存在的話,將"鍵值為key的節點"的后繼節點旋轉為根節點。
- * c-2 "鍵值為key的節點"的后繼節點不存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都大,那么此時,將最大節點旋轉為根節點。
- */
- private SplayTreeNode<T> splay(SplayTreeNode<T> tree, T key) {
- if (tree == null)
- return tree;
- SplayTreeNode<T> N = new SplayTreeNode<T>();
- SplayTreeNode<T> l = N;
- SplayTreeNode<T> r = N;
- SplayTreeNode<T> c;
- for (; ; ) {
- int cmp = key.compareTo(tree.key);
- if (cmp < 0) {
- if (key.compareTo(tree.left.key) < 0) {
- c = tree.left; /* rotate right */
- tree.left = c.right;
- c.right = tree;
- tree = c;
- if (tree.left == null)
- break;
- }
- r.left = tree; /* link right */
- r = tree;
- tree = tree.left;
- } else if (cmp > 0) {
- if (tree.right == null)
- break;
- if (key.compareTo(tree.right.key) > 0) {
- c = tree.right; /* rotate left */
- tree.right = c.left;
- c.left = tree;
- tree = c;
- if (tree.right == null)
- break;
- }
- l.right = tree; /* link left */
- l = tree;
- tree = tree.right;
- } else {
- break;
- }
- }
- l.right = tree.left; /* assemble */
- r.left = tree.right;
- tree.left = N.right;
- tree.right = N.left;
- return tree;
- }
- public void splay(T key) {
- mRoot = splay(mRoot, key);
- }
上面的代碼的作用:將”鍵值為key的節點”旋轉為根節點,并返回根節點。它的處理情況共包括:
(a):伸展樹中存在”鍵值為key的節點”。
將”鍵值為key的節點”旋轉為根節點。
(b):伸展樹中不存在”鍵值為key的節點”,并且key < tree->key。
b-1) “鍵值為key的節點”的前驅節點存在的話,將”鍵值為key的節點”的前驅節點旋轉為根節點。
b-2) “鍵值為key的節點”的前驅節點存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都小,那么此時,將最小節點旋轉為根節點。
(c):伸展樹中不存在”鍵值為key的節點”,并且key > tree->key。
c-1) “鍵值為key的節點”的后繼節點存在的話,將”鍵值為key的節點”的后繼節點旋轉為根節點。
c-2) “鍵值為key的節點”的后繼節點不存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都大,那么此時,將最大節點旋轉為根節點。
下面列舉個例子分別對a進行說明。
在下面的伸展樹中查找10,,共包括”右旋” –> “右鏈接” –> “組合”這3步。
01, 右旋
對應代碼中的”rotate right”部分
02, 右鏈接
對應代碼中的”link right”部分
03.組合
對應代碼中的”assemble”部分
提示:如果在上面的伸展樹中查找”70”,則正好與”示例1”對稱,而對應的操作則分別是”rotate left”, “link left”和”assemble”。
其它的情況,例如”查找15是b-1的情況,查找5是b-2的情況”等等,這些都比較簡單,大家可以自己分析。
3.插入
- /**
- * 將結點插入到伸展樹中,并返回根節點
- * @param tree 伸展樹的根節點
- * @param z 插入的結點
- * @return
- */
- private SplayTreeNode<T> insert(SplayTreeNode<T> tree, SplayTreeNode<T> z) {
- int cmp;
- SplayTreeNode<T> y = null;
- SplayTreeNode<T> x = tree;
- // 查找z的插入位置
- while (x != null) {
- y = x;
- cmp = z.key.compareTo(x.key);
- if (cmp < 0)
- x = x.left;
- else if (cmp > 0)
- x = x.right;
- else {
- System.out.printf("不允許插入相同節點(%d)!\n", z.key);
- z = null;
- return tree;
- }
- }
- if (y == null)
- tree = z;
- else {
- cmp = z.key.compareTo(y.key);
- if (cmp < 0)
- y.left = z;
- else
- y.right = z;
- }
- return tree;
- }
- public void insert(T key) {
- SplayTreeNode<T> z = new SplayTreeNode<T>(key, null, null);
- // 如果新建結點失敗,則返回。
- if ((z = new SplayTreeNode<T>(key, null, null)) == null)
- return;
- // 插入節點
- mRoot = insert(mRoot, z);
- // 將節點(key)旋轉為根節點
- mRoot = splay(mRoot, key);
- }
insert(key)是提供給外部的接口,它的作用是新建節點(節點的鍵值為key),并將節點插入到伸展樹中;然后,將該節點旋轉為根節點。
insert(tree, z)是內部接口,它的作用是將節點z插入到tree中。insert(tree, z)在將z插入到tree中時,僅僅只將tree當作是一棵二叉查找樹,而且不允許插入相同節點。
4.刪除
- /**
- *
- * @param tree 伸展樹
- * @param key 刪除的結點
- * @return
- */
- private SplayTreeNode<T> remove(SplayTreeNode<T> tree, T key) {
- SplayTreeNode<T> x;
- if (tree == null)
- return null;
- // 查找鍵值為key的節點,找不到的話直接返回。
- if (search(tree, key) == null)
- return tree;
- // 將key對應的節點旋轉為根節點。
- tree = splay(tree, key);
- if (tree.left != null) {
- // 將"tree的前驅節點"旋轉為根節點
- x = splay(tree.left, key);
- // 移除tree節點
- x.right = tree.right;
- }
- else
- x = tree.right;
- tree = null;
- return x;
- }
- public void remove(T key) {
- mRoot = remove(mRoot, key);
- }
remove(key)是外部接口,remove(tree, key)是內部接口。
remove(tree, key)的作用是:刪除伸展樹中鍵值為key的節點。
它會先在伸展樹中查找鍵值為key的節點。若沒有找到的話,則直接返回。若找到的話,則將該節點旋轉為根節點,然后再刪除該節點。
伸展樹實現完整代碼
- public class SplayTree<T extends Comparable<T>> {
- private SplayTreeNode<T> mRoot; // 根結點
- public class SplayTreeNode<T extends Comparable<T>> {
- T key; // 關鍵字(鍵值)
- SplayTreeNode<T> left; // 左孩子
- SplayTreeNode<T> right; // 右孩子
- public SplayTreeNode() {
- this.left = null;
- this.right = null;
- }
- public SplayTreeNode(T key, SplayTreeNode<T> left, SplayTreeNode<T> right) {
- this.key = key;
- this.left = left;
- this.right = right;
- }
- }
- /*
- * 旋轉key對應的節點為根節點,并返回根節點。
- *
- * 注意:
- * (a):伸展樹中存在"鍵值為key的節點"。
- * 將"鍵值為key的節點"旋轉為根節點。
- * (b):伸展樹中不存在"鍵值為key的節點",并且key < tree.key。
- * b-1 "鍵值為key的節點"的前驅節點存在的話,將"鍵值為key的節點"的前驅節點旋轉為根節點。
- * b-2 "鍵值為key的節點"的前驅節點存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都小,那么此時,將最小節點旋轉為根節點。
- * (c):伸展樹中不存在"鍵值為key的節點",并且key > tree.key。
- * c-1 "鍵值為key的節點"的后繼節點存在的話,將"鍵值為key的節點"的后繼節點旋轉為根節點。
- * c-2 "鍵值為key的節點"的后繼節點不存在的話,則意味著,key比樹中任何鍵值都大,那么此時,將最大節點旋轉為根節點。
- */
- private SplayTreeNode<T> splay(SplayTreeNode<T> tree, T key) {
- if (tree == null)
- return tree;
- SplayTreeNode<T> N = new SplayTreeNode<T>();
- SplayTreeNode<T> l = N;
- SplayTreeNode<T> r = N;
- SplayTreeNode<T> c;
- for (; ; ) {
- int cmp = key.compareTo(tree.key);
- if (cmp < 0) {
- if (key.compareTo(tree.left.key) < 0) {
- c = tree.left; /* rotate right */
- tree.left = c.right;
- c.right = tree;
- tree = c;
- if (tree.left == null)
- break;
- }
- r.left = tree; /* link right */
- r = tree;
- tree = tree.left;
- } else if (cmp > 0) {
- if (tree.right == null)
- break;
- if (key.compareTo(tree.right.key) > 0) {
- c = tree.right; /* rotate left */
- tree.right = c.left;
- c.left = tree;
- tree = c;
- if (tree.right == null)
- break;
- }
- l.right = tree; /* link left */
- l = tree;
- tree = tree.right;
- } else {
- break;
- }
- }
- l.right = tree.left; /* assemble */
- r.left = tree.right;
- tree.left = N.right;
- tree.right = N.left;
- return tree;
- }
- public void splay(T key) {
- mRoot = splay(mRoot, key);
- }
- /**
- * 將結點插入到伸展樹中,并返回根節點
- * @param tree 伸展樹的根節點
- * @param z 插入的結點
- * @return
- */
- private SplayTreeNode<T> insert(SplayTreeNode<T> tree, SplayTreeNode<T> z) {
- int cmp;
- SplayTreeNode<T> y = null;
- SplayTreeNode<T> x = tree;
- // 查找z的插入位置
- while (x != null) {
- y = x;
- cmp = z.key.compareTo(x.key);
- if (cmp < 0)
- x = x.left;
- else if (cmp > 0)
- x = x.right;
- else {
- System.out.printf("不允許插入相同節點(%d)!\n", z.key);
- z = null;
- return tree;
- }
- }
- if (y == null)
- tree = z;
- else {
- cmp = z.key.compareTo(y.key);
- if (cmp < 0)
- y.left = z;
- else
- y.right = z;
- }
- return tree;
- }
- public void insert(T key) {
- SplayTreeNode<T> z = new SplayTreeNode<T>(key, null, null);
- // 如果新建結點失敗,則返回。
- if ((z = new SplayTreeNode<T>(key, null, null)) == null)
- return;
- // 插入節點
- mRoot = insert(mRoot, z);
- // 將節點(key)旋轉為根節點
- mRoot = splay(mRoot, key);
- }
- /*
- * 刪除結點(z),并返回被刪除的結點
- *
- * 參數說明:
- * bst 伸展樹
- * z 刪除的結點
- */
- /**
- *
- * @param tree 伸展樹
- * @param key 刪除的結點
- * @return
- */
- private SplayTreeNode<T> remove(SplayTreeNode<T> tree, T key) {
- SplayTreeNode<T> x;
- if (tree == null)
- return null;
- // 查找鍵值為key的節點,找不到的話直接返回。
- if (search(tree, key) == null)
- return tree;
- // 將key對應的節點旋轉為根節點。
- tree = splay(tree, key);
- if (tree.left != null) {
- // 將"tree的前驅節點"旋轉為根節點
- x = splay(tree.left, key);
- // 移除tree節點
- x.right = tree.right;
- }
- else
- x = tree.right;
- tree = null;
- return x;
- }
- public void remove(T key) {
- mRoot = remove(mRoot, key);
- }
- /*
- * (遞歸實現)查找"伸展樹x"中鍵值為key的節點
- */
- private SplayTreeNode<T> search(SplayTreeNode<T> x, T key) {
- if (x==null)
- return x;
- int cmp = key.compareTo(x.key);
- if (cmp < 0)
- return search(x.left, key);
- else if (cmp > 0)
- return search(x.right, key);
- else
- return x;
- }
- public SplayTreeNode<T> search(T key) {
- return search(mRoot, key);
- }
- /*
- * 查找最小結點:返回tree為根結點的伸展樹的最小結點。
- */
- private SplayTreeNode<T> minimum(SplayTreeNode<T> tree) {
- if (tree == null)
- return null;
- while(tree.left != null)
- tree = tree.left;
- return tree;
- }
- public T minimum() {
- SplayTreeNode<T> p = minimum(mRoot);
- if (p != null)
- return p.key;
- return null;
- }
- /*
- * 查找最大結點:返回tree為根結點的伸展樹的最大結點。
- */
- private SplayTreeNode<T> maximum(SplayTreeNode<T> tree) {
- if (tree == null)
- return null;
- while(tree.right != null)
- tree = tree.right;
- return tree;
- }
- public T maximum() {
- SplayTreeNode<T> p = maximum(mRoot);
- if (p != null)
- return p.key;
- return null;
- }