add avl tree and heap part cpp code (#320)

* 将avl_tree翻译成c++代码（文档明天补）

* markdown翻译了

* avl_tree.cpp翻译了

* 堆的cpp翻译

* modify the code format

* Update heap.md

---------

Co-authored-by: Yudong Jin <krahets@163.com>

codes/cpp/chapter_heap/heap.cpp

@@ -63,4 +63,4 @@ int main()
     cout << "输入列表并建立小顶堆后" << endl;
     PrintUtil::printHeap(minHeap);
     return 0;
-}
+}

codes/cpp/chapter_heap/my_heap.cpp

@@ -0,0 +1,170 @@
+#include "../include/include.hpp"
+
+/* 最大堆类 */
+class MaxHeap {
+private:
+    // 使用 vector 而非数组，这样无需考虑扩容问题
+    vector<int> maxHeap;
+
+    /* 获取左子结点索引 */
+    int left(int i) {
+        return 2 * i + 1;
+    }
+
+    /* 获取右子结点索引 */
+    int right(int i) {
+        return 2 * i + 2;
+    }
+
+    /* 获取父结点索引 */
+    int parent(int i) {
+        return (i - 1) / 2;  // 向下整除
+    }
+
+    /* 交换元素 */
+    void swap(int i, int j) {
+        int a = maxHeap[i],
+            b = maxHeap[j],
+            tmp = a;
+        maxHeap[i] = b;
+        maxHeap[j] = tmp;
+    }
+
+    /* 从结点 i 开始，从底至顶堆化 */
+    void siftUp(int i) {
+        while (true) {
+            // 获取结点 i 的父结点
+            int p = parent(i);
+            // 当“越过根结点”或“结点无需修复”时，结束堆化
+            if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[i])
+                break;
+            // 交换两结点
+            swap(i, p);
+            // 循环向上堆化
+            i = p;
+        }
+    }
+
+    /* 从结点 i 开始，从顶至底堆化 */
+    void siftDown(int i) {
+        while (true) {
+            // 判断结点 i, l, r 中值最大的结点，记为 ma
+            int l = left(i), r = right(i), ma = i;
+            if (l < size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma])
+                ma = l;
+            if (r < size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma])
+                ma = r;
+            // 若结点 i 最大或索引 l, r 越界，则无需继续堆化，跳出
+            if (ma == i) break;
+            // 交换两结点
+            swap(i, ma);
+            // 循环向下堆化
+            i = ma;
+        }
+    }
+
+public:
+    /* 构造函数，建立空堆 */
+    MaxHeap() = default;
+
+    /* 构造函数，根据输入列表建堆 */
+    MaxHeap(vector<int> nums) {
+        // 将列表元素原封不动添加进堆
+        maxHeap = nums;
+        // 堆化除叶结点以外的其他所有结点
+        for (int i = parent(size() - 1); i >= 0; i--) {
+            siftDown(i);
+        }
+    }
+
+    /* 获取堆大小 */
+    int size() {
+        return maxHeap.size();
+    }
+
+    /* 判断堆是否为空 */
+    bool isEmpty() {
+        return size() == 0;
+    }
+
+    /* 访问堆顶元素 */
+    int peek() {
+        return maxHeap.front();
+    }
+
+    /* 元素入堆 */
+    void push(int val) {
+        // 添加结点
+        maxHeap.push_back(val);
+        // 从底至顶堆化
+        siftUp(size() - 1);
+    }
+
+    /* 元素出堆 */
+    int poll() {
+        // 判空处理
+        if (isEmpty())
+            throw out_of_range("堆已空\n");
+        // 交换根结点与最右叶结点（即交换首元素与尾元素）
+        swap(0, size() - 1);
+        // 删除结点
+        int val = maxHeap.back();
+        maxHeap.pop_back();
+        // 从顶至底堆化
+        siftDown(0);
+        // 返回堆顶元素
+        return val;
+    }
+
+    /* 打印堆（二叉树） */
+    void print() {
+        cout << "堆的数组表示：" << endl;
+        PrintUtil::printVector(this->maxHeap);
+        cout << "堆的树状表示：" << endl;
+        TreeNode *tree = vecToTree(this->maxHeap);
+        PrintUtil::printTree(tree);
+        freeMemoryTree(tree);
+    }
+};
+
+void testPush(MaxHeap &maxHeap, int val) {
+    maxHeap.push(val);  // 元素入堆
+    cout << "\n添加元素 " << val << " 后" << endl;
+    maxHeap.print();
+}
+
+void testPoll(MaxHeap &maxHeap) {
+    int val = maxHeap.poll();  // 堆顶元素出堆
+    cout << "出堆元素为 " << val << endl;
+    maxHeap.print();
+}
+
+int main() {
+    /* 初始化大顶堆 */
+    MaxHeap maxHeap({9, 8, 6, 6, 7, 5, 2, 1, 4, 3, 6, 2});
+    cout << "\n输入列表并建堆后" << endl;
+    maxHeap.print();
+
+    /* 获取堆顶元素 */
+    int peek = maxHeap.peek();
+    cout << "\n堆顶元素为 " << peek << endl;
+
+    /* 元素入堆 */
+    int val = 7;
+    maxHeap.push(val);
+    cout << "\n元素 " << val << " 入堆后" << endl;
+    maxHeap.print();
+
+    /* 堆顶元素出堆 */
+    peek = maxHeap.poll();
+    cout << "\n堆顶元素 " << peek << " 出堆后" << endl;
+    maxHeap.print();
+
+    /* 获取堆大小 */
+    int size = maxHeap.size();
+    cout << "\n堆元素数量为 " << size << endl;
+
+    /* 判断堆是否为空 */
+    bool isEmpty = maxHeap.isEmpty();
+    cout << "\n堆是否为空 " << isEmpty << endl;
+}

codes/cpp/chapter_tree/avl_tree.cpp

@@ -0,0 +1,235 @@
+/**
+ * File: avl_tree.cpp
+ * Created Time: 2023-2-3
+ * Author: what-is-me (whatisme@outlook.jp)
+ */
+
+#include "../include/include.hpp"
+
+/* AVL 树 */
+class AVLTree {
+public:
+    TreeNode* root;  // 根节点
+private:
+    /* 更新结点高度 */
+    void updateHeight(TreeNode* node) {
+        // 结点高度等于最高子树高度 + 1
+        node->height = max(height(node->left), height(node->right)) + 1;
+    }
+
+    /* 右旋操作 */
+    TreeNode* rightRotate(TreeNode* node) {
+        TreeNode* child = node->left;
+        TreeNode* grandChild = child->right;
+        // 以 child 为原点，将 node 向右旋转
+        child->right = node;
+        node->left = grandChild;
+        // 更新结点高度
+        updateHeight(node);
+        updateHeight(child);
+        // 返回旋转后子树的根节点
+        return child;
+    }
+
+    /* 左旋操作 */
+    TreeNode* leftRotate(TreeNode* node) {
+        TreeNode* child = node->right;
+        TreeNode* grandChild = child->left;
+        // 以 child 为原点，将 node 向左旋转
+        child->left = node;
+        node->right = grandChild;
+        // 更新结点高度
+        updateHeight(node);
+        updateHeight(child);
+        // 返回旋转后子树的根节点
+        return child;
+    }
+
+    /* 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
+    TreeNode* rotate(TreeNode* node) {
+        // 获取结点 node 的平衡因子
+        int _balanceFactor = balanceFactor(node);
+        // 左偏树
+        if (_balanceFactor > 1) {
+            if (balanceFactor(node->left) >= 0) {
+                // 右旋
+                return rightRotate(node);
+            } else {
+                // 先左旋后右旋
+                node->left = leftRotate(node->left);
+                return rightRotate(node);
+            }
+        }
+        // 右偏树
+        if (_balanceFactor < -1) {
+            if (balanceFactor(node->right) <= 0) {
+                // 左旋
+                return leftRotate(node);
+            } else {
+                // 先右旋后左旋
+                node->right = rightRotate(node->right);
+                return leftRotate(node);
+            }
+        }
+        // 平衡树，无需旋转，直接返回
+        return node;
+    }
+
+    /* 递归插入结点（辅助函数） */
+    TreeNode* insertHelper(TreeNode* node, int val) {
+        if (node == nullptr) return new TreeNode(val);
+        /* 1. 查找插入位置，并插入结点 */
+        if (val < node->val)
+            node->left = insertHelper(node->left, val);
+        else if (val > node->val)
+            node->right = insertHelper(node->right, val);
+        else
+            return node;     // 重复结点不插入，直接返回
+        updateHeight(node);  // 更新结点高度
+        /* 2. 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
+        node = rotate(node);
+        // 返回子树的根节点
+        return node;
+    }
+
+    /* 获取中序遍历中的下一个结点（仅适用于 root 有左子结点的情况） */
+    TreeNode* getInOrderNext(TreeNode* node) {
+        if (node == nullptr) return node;
+        // 循环访问左子结点，直到叶结点时为最小结点，跳出
+        while (node->left != nullptr) {
+            node = node->left;
+        }
+        return node;
+    }
+
+    /* 递归删除结点（辅助函数） */
+    TreeNode* removeHelper(TreeNode* node, int val) {
+        if (node == nullptr) return nullptr;
+        /* 1. 查找结点，并删除之 */
+        if (val < node->val)
+            node->left = removeHelper(node->left, val);
+        else if (val > node->val)
+            node->right = removeHelper(node->right, val);
+        else {
+            if (node->left == nullptr || node->right == nullptr) {
+                TreeNode* child = node->left != nullptr ? node->left : node->right;
+                // 子结点数量 = 0 ，直接删除 node 并返回
+                if (child == nullptr) {
+                    delete node;
+                    return nullptr;
+                }
+                // 子结点数量 = 1 ，直接删除 node
+                else {
+                    delete node;
+                    node = child;
+                }
+            } else {
+                // 子结点数量 = 2 ，则将中序遍历的下个结点删除，并用该结点替换当前结点
+                TreeNode* temp = getInOrderNext(node->right);
+                node->right = removeHelper(node->right, temp->val);
+                node->val = temp->val;
+            }
+        }
+        updateHeight(node);  // 更新结点高度
+        /* 2. 执行旋转操作，使该子树重新恢复平衡 */
+        node = rotate(node);
+        // 返回子树的根节点
+        return node;
+    }
+
+public:
+    /* 获取结点高度 */
+    int height(TreeNode* node) {
+        // 空结点高度为 -1 ，叶结点高度为 0
+        return node == nullptr ? -1 : node->height;
+    }
+
+    /* 获取平衡因子 */
+    int balanceFactor(TreeNode* node) {
+        // 空结点平衡因子为 0
+        if (node == nullptr) return 0;
+        // 结点平衡因子 = 左子树高度 - 右子树高度
+        return height(node->left) - height(node->right);
+    }
+
+    /* 插入结点 */
+    TreeNode* insert(int val) {
+        root = insertHelper(root, val);
+        return root;
+    }
+
+    /* 删除结点 */
+    TreeNode* remove(int val) {
+        root = removeHelper(root, val);
+        return root;
+    }
+
+    /* 查找结点 */
+    TreeNode* search(int val) {
+        TreeNode* cur = root;
+        // 循环查找，越过叶结点后跳出
+        while (cur != nullptr) {
+            // 目标结点在 cur 的右子树中
+            if (cur->val < val)
+                cur = cur->right;
+            // 目标结点在 cur 的左子树中
+            else if (cur->val > val)
+                cur = cur->left;
+            // 找到目标结点，跳出循环
+            else
+                break;
+        }
+        // 返回目标结点
+        return cur;
+    }
+
+    /*构造函数*/
+    AVLTree() : root(nullptr) {}
+
+    /*析构函数*/
+    ~AVLTree() {
+        freeMemoryTree(root);
+    }
+};
+
+void testInsert(AVLTree& tree, int val) {
+    tree.insert(val);
+    cout << "\n插入结点 " << val << " 后，AVL 树为" << endl;
+    PrintUtil::printTree(tree.root);
+}
+
+void testRemove(AVLTree& tree, int val) {
+    tree.remove(val);
+    cout << "\n删除结点 " << val << " 后，AVL 树为" << endl;
+    PrintUtil::printTree(tree.root);
+}
+int main() {
+    /* 初始化空 AVL 树 */
+    AVLTree avlTree;
+
+    /* 插入结点 */
+    // 请关注插入结点后，AVL 树是如何保持平衡的
+    testInsert(avlTree, 1);
+    testInsert(avlTree, 2);
+    testInsert(avlTree, 3);
+    testInsert(avlTree, 4);
+    testInsert(avlTree, 5);
+    testInsert(avlTree, 8);
+    testInsert(avlTree, 7);
+    testInsert(avlTree, 9);
+    testInsert(avlTree, 10);
+    testInsert(avlTree, 6);
+
+    /* 插入重复结点 */
+    testInsert(avlTree, 7);
+
+    /* 删除结点 */
+    // 请关注删除结点后，AVL 树是如何保持平衡的
+    testRemove(avlTree, 8);  // 删除度为 0 的结点
+    testRemove(avlTree, 5);  // 删除度为 1 的结点
+    testRemove(avlTree, 4);  // 删除度为 2 的结点
+
+    /* 查询结点 */
+    TreeNode* node = avlTree.search(7);
+    cout << "\n查找到的结点对象为 " << node << "，结点值 = " << node->val << endl;
+}