C programming: Debugging an erroneous AVL tree ‘insert’ operation

I am attempting to create an AVL tree data structure which can handle duplicate element keys. I have based my insertion algorithm on the following: https://www.sanfoundry.com/c-program-implement-avl-tree/#google_vignette.

However, my avl_tree_insert implementation cannot seem to handle certain duplicate keys, and I do not know why; basically, I have determined that the insertion works unless all the following conditions are met:

  1. The key being inserted already exists within the tree (I think this is correct?)
  2. The root node has null left and right child fields.
  3. The root node is unbalanced (meaning a right rotation on the root node is required).
  4. The key being inserted is greater than or equal to the key to the left of the root (meaning a left rotation on the left node is required).

When the code checks for 4, a left rotation on the left node is invoked, which crashes because of a null pointer dereference (because ( *root ).left and ( *root ).right are null, see 2).

What confuses me is how to figure out how this tree state actually comes about, as well as how to fix it; for example, invoking avl_tree_insert with random keys usually works hundreds or thousands of times, for many different randomized states of the tree, but then suddenly the tree reaches a state like the one described above, and everything fails abruptly; this is what I do not know how to debug.

Below is some test driver code which will cause a crash using avl_tree_insert operations. I attempted to include all relevant parts of the tree data structure and insertion algorithm below, while omitting anything extraneous, and also included some debug print statements.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

// Adjust for your hardware.
typedef unsigned long long int  u64;
typedef signed long long int    i64;
typedef signed short int        i16;

/** @brief Type and instance definitions for generic boolean type. */
typedef _Bool bool;
#define true    ( ( bool ) 1 )
#define false   ( ( bool ) 0 )

// Print line binding.
// Requires compiler support for __VA_ARGS__.
#define println(formatting,...) 
    printf ( formatting"n" , ##__VA_ARGS__ )

// Evaluates to the maximum of two values.
// Requires compiler support for __typeof__.
#define MAX(a,b)                      
    ({                                
        __typeof__ ( (a) ) a__ = (a); 
        __typeof__ ( (b) ) b__ = (b); 
       ( a__ > b__ ) ? a__ : b__;     
    })

/** @brief Type definition for an AVL tree node. */
typedef struct node_t
{
    i64             key;
    u64             depth;

    struct node_t*  left;
    struct node_t*  right;

    void*           content;
}
node_t;

/** @brief Type definition for an AVL tree. */
typedef struct
{
    u64         element_width;
    u64         element_count;

    u64         node_count;
    node_t*     root;
}
avl_tree_t;

// Global op count.
static u64 op_count = 0;

// Global debug flag.
static bool debug_flag;

bool
avl_tree_create
(   u64             element_width
,   avl_tree_t**    tree_
)
{
    if ( !element_width )
    {
        println ( "avl_tree_create: Value of element_width argument must be non-zero." );
        return false;
    }
    if ( !tree_ )
    {
        println ( "avl_tree_create: Missing argument: tree (output buffer)." );
        return false;
    }

    avl_tree_t* tree = malloc ( sizeof ( avl_tree_t ) );
    ( *tree ).element_width = element_width;
    ( *tree ).element_count = 0;
    ( *tree ).node_count = 0;
    ( *tree ).root = 0;
    
    *tree_ = tree;
    return true;
}

u64
avl_tree_recompute_depth
(   node_t* root
)
{
    u64 left;
    u64 right;
    
    if ( !root )
    {
        return 0;
    }

    if ( !( *root ).left )
    {
        left = 0;
    }
    else
    {
        left = 1 + ( *( ( *root ).left ) ).depth;
    }

    if ( !( *root ).right )
    {
        right = 0;
    }
    else
    {
        right = 1 + ( *( ( *root ).right ) ).depth;
    }

    return MAX ( left , right );
}

i64
avl_tree_balance_factor
(   node_t* root
)
{
    u64 left;
    u64 right;
    
    if ( !root )
    {
        return 0;
    }

    if ( !( *root ).left )
    {
        left = 0;
    }
    else
    {
        left = 1 + ( *( ( *root ).left ) ).depth;
    }

    if ( !( *root ).right )
    {
        right = 0;
    }
    else
    {
        right = 1 + ( *( ( *root ).right ) ).depth;
    }

    return left - right;
}

node_t*
avl_tree_rotate_left
(   node_t* root
)
{
    // Rotate left.
    node_t* right = ( *root ).right;
    if ( !right ) println ( "Failure on append #%llu. No node to the right of %i." , op_count , ( *root ).key );
    ( *root ).right = ( *right ).left;
    ( *right ).left = root;

    // Update depth.
    ( *root ).depth = avl_tree_recompute_depth ( root );
    ( *right ).depth = avl_tree_recompute_depth ( right );

    return right;
}

node_t*
avl_tree_rotate_right
(   node_t* root
)
{
    // Rotate right.
    node_t* left = ( *root ).left;
    if ( !left ) println ( "Failure on append #%llu. No node to the left of %i." , op_count , ( *root ).key );
    ( *root ).left = ( *left ).right;
    ( *left ).right = root;

    // Update depth.
    ( *root ).depth = avl_tree_recompute_depth ( root );
    ( *left ).depth = avl_tree_recompute_depth ( left );

    return left;
}

node_t*
__avl_tree_insert
(   avl_tree_t* tree
,   node_t*     root
,   const void* src
,   const i64   key
)
{
    // CASE: End of branch.
    if ( !root )
    {
        // Initialize a new element node.
        node_t* node = malloc ( sizeof ( node_t ) + ( *tree ).element_width );
        memset ( node , 0 , sizeof ( node_t ) );
        ( *node ).key = key;
        ( *node ).content = ( void* )( ( ( u64 ) node ) + sizeof ( node_t ) );
        memcpy ( ( *node ).content , src , ( *tree ).element_width );

        // Insert the node into the tree.
        root = node;

        // Update state.
        ( *tree ).node_count += 1;
        ( *tree ).element_count += 1;
    }

    // CASE: Key > root key (recurse right).
    else if ( key > ( *root ).key )
    {
        ( *root ).right = __avl_tree_insert ( tree
                                            , ( *root ).right
                                            , src
                                            , key
                                            );

        // Rebalance? Y/N
        if ( avl_tree_balance_factor ( root ) < -1 )
        {
            if ( key <= ( *( ( *root ).right ) ).key )
            {
                ( *root ).right = avl_tree_rotate_right ( ( *root ).right );
            }
            root = avl_tree_rotate_left ( root );
        }
    }

    // CASE: Key <= root key (recurse left).
    else
    {
        if ( key == ( *root ).key )
        {
            debug_flag = true;
            println ( "Keys match: %i, left key: %i, right key: %i"
                    , key
                    , ( ( *root ).left ? ( *( ( *root ).left ) ).key : -1 )
                    , ( ( *root ).right ? ( *( ( *root ).right ) ).key : -1 )
                    );
        }
        ( *root ).left = __avl_tree_insert ( tree
                                           , ( *root ).left
                                           , src
                                           , key
                                           );

        // Rebalance? Y/N
        if ( avl_tree_balance_factor ( root ) > 1 )
        {
            if ( key >= ( *( ( *root ).left ) ).key )
            {
                if ( debug_flag ) println ("Rotate left required." );
                ( *root ).left = avl_tree_rotate_left ( ( *root ).left );
            }
            root = avl_tree_rotate_right ( root );
        }
    }
    
    ( *root ).depth = avl_tree_recompute_depth ( root );
    return root;
}

void
_avl_tree_insert
(   avl_tree_t* tree
,   const void* src
,   const i64   key
)
{
    debug_flag = false;
    ( *tree ).root = __avl_tree_insert ( tree
                                       , ( *tree ).root
                                       , src
                                       , key
                                       );
}

// Alias for calling _avl_tree_insert on a literal value.
// Requires compiler support for __typeof__.
#define avl_tree_insert(tree,value,key)            
    do                                             
    {                                              
        __typeof__ ( (value) ) tmp = (value);      
       _avl_tree_insert ( (tree) , &tmp , (key) ); 
    }                                              
    while ( 0 )

// Test driver.
int
main
( void )
{
    srand ( time ( 0 ) );

    avl_tree_t* tree;
    avl_tree_create ( sizeof ( i16 ) , &tree );

    for ( u64 i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        i16 key;
        do
        {
            key = rand ();
        }
        while ( key == -1 );
        op_count += 1;
        avl_tree_insert ( tree , key , key ); // Value can just be same as key here.
    }
    println ( "Num elements in tree: %llu" , ( *tree ).element_count );

    return 0;
}

Sample output:

Keys match: 2214, left key: -1, right key: -1
Keys match: 5145, left key: -1, right key: -1
Keys match: 7141, left key: -1, right key: -1
Keys match: 16453, left key: -1, right key: -1
Keys match: 15365, left key: -1, right key: -1
Keys match: 22779, left key: 22764, right key: 22816
Keys match: 11855, left key: -1, right key: -1
Rotate left required.
Failure on append #857. No node to the right of 11855.
// (OS crashes the program)

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật