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💜本文前置知识: AVL树
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目录
一、前言
红黑树的概念
红黑树与二叉搜索树的异同
二、红黑树的实现
节点的定义
AVL树的初始化定义
红黑树的插入(重点及难点!!!)
插入大致步骤
插入的总体逻辑
按照二叉搜索树的方法插入节点
父节点为红色, 需要进行相应的调整
情况一: cur为红,p为红,g为黑,u存在且为红
情况二: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑编辑
情况三: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑
插入实现
根据构建红黑树的规则验证红黑树
求红黑树高度以及遍历红黑树
三、总体代码
一、前言
本文是基于二叉搜索树以及AVL树的知识前提下对于红黑树进行叙述的,主要叙述的方面同AVL树一样,主要是在于插入方面的解析,其它部分同AVL树和二叉搜索树还是有些相似的。但是对于删除部分来说,红黑树就太难了,举个例子?:插入部分,红黑树的实现大概180行代码,而删除则是400往上接近500行了。难度可想而知,作者如果有能力后续会慢慢补齐的!
红黑树的概念
红黑树是一种自平衡二叉查找树,它的每个节点都有一个颜色属性,可以是红色或黑色。红黑树的特性如下:
- 每个节点要么是红色,要么是黑色。
- 根节点是黑色。
- 所有的叶子节点(NIL节点)都是黑色。(注意NIL实际上空节点,只不过我们将所有空节点看作黑色节点而已)
- 如果一个节点是红色,那么它的两个子节点都是黑色。(意味着黑色可以有黑色的节点也可以有红色的节点,但是红色只能有黑色的节点)
- 对于每个节点,从该节点到其所有后代叶节点的简单路径上,均包含相同数目的黑色节点。
这些特性保证了红黑树的搜索效率。在最坏的情况下,搜索一棵高度为h的红黑树的时间复杂度是O(h),与AVL树相当。此外,由于红黑树的插入和删除操作不需要像AVL树那样频繁地旋转,因此红黑树在实际应用中比AVL树更加稳定和高效。
在实际应用中,红黑树常用于实现关联数组(哈希表)的数据结构,以及数据库索引等场合。
红黑树与二叉搜索树的异同
红黑树和二叉搜索树的主要区别在于它们如何处理数据冲突。
二叉搜索树(BST)是一种特殊的二叉树,其中每个节点都存储一个键值,并且满足左子树中的所有键值小于根节点的键值,右子树中的所有键值大于根节点的键值。这使得搜索、插入和删除操作可以在平均情况下以O(log n)的时间复杂度完成。
红黑树也是一种二叉搜索树,但它通过限制每个节点的颜色和位置关系来保持树的平衡,从而确保搜索、插入和删除操作的时间复杂度始终为O(log n)。与BST不同的是,红黑树还具有以下特点:
* 每个节点要么是红色,要么是黑色。
* 根节点是黑色。
* 所有的叶子节点(NIL节点,空节点)都是黑色。
* 如果一个节点是红色,那么它的两个子节点都是黑色。
* 对于每个节点,从该节点到其所有后代叶节点的简单路径上,均包含相同数目的黑色节点。这些特性使得红黑树在实际应用中更加强大和灵活。例如,红黑树可以通过左右旋转变换快速调整树的形状,从而应对动态数据集的变化。此外,红黑树还可以应用于许多不同的场景,如数据库索引、排序算法、集合类数据结构等等。
二、红黑树的实现
节点的定义
使用枚举来定义结点的颜色,提高代码的可读性。定义三叉链,方便后续的旋转等等操作,定义KV结构的红黑树,定义一个枚举变量用于储存颜色。通过构造函数初始化节点。
enum Color
{RED,BLACK
};template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{RBTreeNode<K, V>* _left;RBTreeNode<K, V>* _right;RBTreeNode<K, V>* _parent;pair<K, V> _kv;Color _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _kv(kv), _col(RED){}
};
AVL树的初始化定义
template<class K, class V>
struct RBTree
{typedef RBTreeNode<K, V> Node;public:bool Insert(const pair<K, V>& kv)//插入操作bool IsBalance();//判断是否符合红黑树int Height();//求高度private:Node* _root = nullptr;//给缺省初始化};
红黑树的插入(重点及难点!!!)
插入大致步骤
下面是红黑树插入的大致步骤:
1. 向红黑树中插入新的节点。
2. 确保新节点的颜色为红色。
3. 确保新插入的节点不会破坏红黑树的性质。如果新节点违反了某些性质,则需要对红黑树进行旋转操作或更改节点的颜色。
4. 返回到插入节点的父节点,继续执行第3步,直到所有违反性质的节点都被修复为止。
具体来说,当我们向红黑树中插入新的节点时,我们需要遵循以下规则:
- 每个节点都是红色或黑色。
- 根节点是黑色。
- 所有叶子节点(NIL节点,空节点)都是黑色。
- 如果一个节点是红色,则它的两个子节点都是黑色。
- 对于每个节点,从该节点到其所有后代叶子节点的简单路径上,均包含相同数目的黑色节点。
如果我们违反了这些规则中的任何一个,我们就可以通过旋转操作或更改节点的颜色来修复这个问题。例如,如果我们发现某个节点有两个子节点都是红色的,那么我们就需要将这个节点以及其两个子节点的颜色全部改为黑色,然后再将该节点的父节点变为红色。这样就可以确保新插入的节点不会破坏红黑树的性质。
插入的总体逻辑
- 按二叉搜索树的插入方法,找到待插入位置。
- 将待插入结点插入到树中。(新插入的节点默认为红)
- 若插入结点的父结点是红色的,则需要对红黑树进行调整。
- 按情况进行调整:情况一: cur为红,p为红,g为黑,u存在且为红。->将p,u改为黑,g改为红,然后把g当成cur,继续向上调整。情况二: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑->p为g的左孩子,cur为p的左孩子,则进行右单旋转;相反, p为g的右孩子,cur为p的右孩子,则进行左单旋转p、g变色--p变黑,g变红。情况三: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑->p为g的左孩子,cur为p的右孩子,则针对p做左单旋转,再对g做右单旋;相反, p为g的右孩子,cur为p的左孩子,则针对p做右单旋转,再对g做左单旋。
按照二叉搜索树的方法插入节点
按照搜索二叉树,大往右,小往左的思想,找到对应的节点,插入节点并且链接。大致步骤都是同二叉搜索树是相同的,只不过需要注意的是新插入的节点默认都是红色的。当父节点为黑色时,直接插入即可。
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{if (_root == nullptr)//如果根节点为空则直接开辟一个节点作为根节点并且返回true{_root = new Node(kv);_root->_col = BLACK;return true;}Node* parent = nullptr;//后续遍历找位置以及旋转等Node* cur = _root;//遍历用while (cur) // 开始遍历到指定位置->其实就是到cur为空节点的地方{if (cur->_kv.first < kv.first)//要插入节点大于则往右遍历{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (cur->_kv.first > kv.first)//要插入节点小于于则往左遍历{parent = cur;cur = cur->_left;}else{return false;}}//默认新增节点给红色,防止给黑破坏平衡cur = new Node(kv);cur->_col = RED;if (parent->_kv.first < kv.first)//同父节点比大小{parent->_right = cur;//链接新节点}else{parent->_left = cur;//链接新节点}cur->_parent = parent;//新节点链接父节点//后续根据红黑树特性开始调整...//调整完毕}_root->_col = BLACK;//将根处理成黑。因为插入向上处理会改变,但是当最后为根时改变后就不能进入循环,因此需要最后处理为黑return true;
}
父节点为红色, 需要进行相应的调整
重点在于看舅舅节点,看舅舅节点的存在与否,存在的话是红色?还是黑色? 根据舅舅节点来确定相应的调整操作。然后再看新插入节点cur处于parent的位置,在左?还是在右?进行相应的调整策略。
情况一: cur为红,p为红,g为黑,u存在且为红
当cur为红,p为红,g为黑,u存在且为红时,将p,u改为黑,g改为红,然后把g当成cur,继续向上调整。
情况二: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑
当cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑,u不存在,如果p为g的左,cur为p的左,如上图一所示,则只需对g进行右单旋,如果p为g的右,cur为p的右,则只需对g进行左单旋,然后p、g变色--p变黑,g变红。
当u存在且为黑,即如上图二第2步所示。由图二1、2步我们可以知道cur是由于新增节点而变化而来的,我们也可以根据红黑树的定义可知,c、d、e分别为对应箭头的颜色。由此,我们需要进行对应的旋转以及变色操作,对于以上u存在且为黑,如果p为g的左,cur为p的左,则如图二第3步所示,对p进行右单旋,如果p为g的右,cur为p的右,则只需对g进行左单旋,然后p、g变色--p变黑,g变红。
情况三: cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑
当cur为红,p为红,g为黑,u不存在/u存在且为黑,但是此时,如果p为g的左,cur为p的右,则如图所示需先对p进行左单旋,再对g进行右单旋。如果p为g的右,cur为p的左,则需对p进行右单旋,再对g进行左单旋。然后c、g变色--c变黑,g变红。
插入实现
bool Insert(const pair<K, V>& kv){if (_root == nullptr)//如果根节点为空则直接开辟一个节点作为根节点并且返回true{_root = new Node(kv);_root->_col = BLACK;return true;}Node* parent = nullptr;//后续遍历找位置以及旋转等Node* cur = _root;//遍历用while (cur) // 开始遍历到指定位置->其实就是到cur为空节点的地方{if (cur->_kv.first < kv.first)//要插入节点大于则往右遍历{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (cur->_kv.first > kv.first)//要插入节点小于于则往左遍历{parent = cur;cur = cur->_left;}else{return false;}}//默认新增节点给红色,防止给黑破坏平衡cur = new Node(kv);cur->_col = RED;if (parent->_kv.first < kv.first)//同父节点比大小{parent->_right = cur;//链接新节点}else{parent->_left = cur;//链接新节点}cur->_parent = parent;//新节点链接父节点//根据红黑树特性开始调整while (parent && parent->_col == RED)//由于子节点和父节点都是红色,则需要调整{Node* grandfather = parent->_parent;//储存爷爷节点,用于找舅舅节点以及变色甚至旋转if (parent == grandfather->_left){// g// p u// cNode* uncle = grandfather->_right;//如果父亲节点在爷爷的左则舅舅在右if (uncle && uncle->_col == RED)//情况一:“变色处理” 舅舅节点存在且为红色,则我们需要将父亲以及舅舅变黑,爷爷变红{// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else //情况二:“需要旋转(单旋?or双旋?)+变色处理” 即舅舅节点存在时为黑或者舅舅节点不存在,则我们需要进行相应的旋转{if (cur == parent->_left){// 单旋// g p // p -> c g// cRotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{// 双旋// g g p // p -> c -> c g// c pRotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}else // parent == grandfather->_right{// g// u p // c//Node* uncle = grandfather->_left;//情况一,但是uncle在左// u存在且为红if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else//情况二:“需要旋转(单旋?or双旋?)+变色处理”{if (cur == parent->_right){// 单旋// g p // p -> g c// cRotateL(grandfather);grandfather->_col = RED;parent->_col = BLACK;}else{// g g c// u p -> u c -> g p// c p u//RotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}}_root->_col = BLACK;//将根处理成黑。因为插入向上处理会改变,但是当最后为根时改变后就不能进入循环,因此需要最后处理为黑return true;}void RotateL(Node* parent){++_rotateCount;Node* cur = parent->_right;Node* curleft = cur->_left;parent->_right = curleft;if (curleft){curleft->_parent = parent;}cur->_left = parent;Node* ppnode = parent->_parent;parent->_parent = cur;if (parent == _root){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}void RotateR(Node* parent){++_rotateCount;Node* cur = parent->_left;Node* curright = cur->_right;parent->_left = curright;if (curright)curright->_parent = parent;Node* ppnode = parent->_parent;cur->_right = parent;parent->_parent = cur;if (ppnode == nullptr){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}
根据构建红黑树的规则验证红黑树
1. 每个结点不是红色就是黑色
2. 根节点是黑色的
3. 如果一个节点是红色的,则它的两个孩子结点是黑色的
4. 对于每个结点,从该结点到其所有后代叶结点的简单路径上,均 包含相同数目的黑色结点
5. 每个叶子结点都是黑色的(此处的叶子结点指的是空结点)
bool IsBalance(){return _IsBalance(_root);}// 根节点->当前节点这条路径的黑色节点的数量bool CheckColour(Node* root, int blacknum, int benchmark){if (root == nullptr){if (blacknum != benchmark)return false;return true;}if (root->_col == BLACK)//统计黑色用于判断每条路径黑色都相同{++blacknum;}if (root->_col == RED && root->_parent && root->_parent->_col == RED){//当前节点与父节点连续红色cout << root->_kv.first << "出现连续红色节点" << endl;return false;}return CheckColour(root->_left, blacknum, benchmark)&& CheckColour(root->_right, blacknum, benchmark);//递归遍历每条路径}bool _IsBalance(Node* root){//根据构建红黑树的规则进行判断if (root == nullptr)return true;if (root->_col != BLACK)//根不能为红{return false;}// //参考值,统计一条路径的黑色节点数int benchmark = 0;Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_col == BLACK)++benchmark;cur = cur->_left;}//通过检查每条路径的黑色节点数判断是否平衡return CheckColour(root, 0, benchmark);}
求红黑树高度以及遍历红黑树
基本上就是同AVL树以及搜索二叉树相同的道理。
int Height(){return _Height(_root);}//中序遍历void Inorder(){_Inorder(_root);}int _Height(Node* root){if (root == nullptr)return 0;int leftHeight = _Height(root->_left);int rightHeight = _Height(root->_right);return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;}//中序遍历子函数void _Inorder(Node* root){if (root == nullptr)return;_Inorder(root->_left);cout << root->_kv.first << " ";_Inorder(root->_right);}
三、总体代码
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;enum Color
{RED,BLACK
};template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{RBTreeNode<K, V>* _left;RBTreeNode<K, V>* _right;RBTreeNode<K, V>* _parent;pair<K, V> _kv;Color _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _kv(kv), _col(RED){}
};template<class K, class V>
struct RBTree
{typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:bool Insert(const pair<K, V>& kv){if (_root == nullptr)//如果根节点为空则直接开辟一个节点作为根节点并且返回true{_root = new Node(kv);_root->_col = BLACK;return true;}Node* parent = nullptr;//后续遍历找位置以及旋转等Node* cur = _root;//遍历用while (cur) // 开始遍历到指定位置->其实就是到cur为空节点的地方{if (cur->_kv.first < kv.first)//要插入节点大于则往右遍历{parent = cur;cur = cur->_right;}else if (cur->_kv.first > kv.first)//要插入节点小于于则往左遍历{parent = cur;cur = cur->_left;}else{return false;}}//默认新增节点给红色,防止给黑破坏平衡cur = new Node(kv);cur->_col = RED;if (parent->_kv.first < kv.first)//同父节点比大小{parent->_right = cur;//链接新节点}else{parent->_left = cur;//链接新节点}cur->_parent = parent;//新节点链接父节点//根据红黑树特性开始调整while (parent && parent->_col == RED)//由于子节点和父节点都是红色,则需要调整{Node* grandfather = parent->_parent;//储存爷爷节点,用于找舅舅节点以及变色甚至旋转if (parent == grandfather->_left){// g// p u// cNode* uncle = grandfather->_right;//如果父亲节点在爷爷的左则舅舅在右if (uncle && uncle->_col == RED)//情况一:“变色处理” 舅舅节点存在且为红色,则我们需要将父亲以及舅舅变黑,爷爷变红{// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else //情况二:“需要旋转(单旋?or双旋?)+变色处理” 即舅舅节点存在时为黑或者舅舅节点不存在,则我们需要进行相应的旋转{if (cur == parent->_left){// 单旋// g p // p -> c g// cRotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{// 双旋// g g p // p -> c -> c g// c pRotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}else // parent == grandfather->_right{// g// u p // c//Node* uncle = grandfather->_left;//情况一,但是uncle在左// u存在且为红if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else//情况二:“需要旋转(单旋?or双旋?)+变色处理”{if (cur == parent->_right){// 单旋// g p // p -> g c// cRotateL(grandfather);grandfather->_col = RED;parent->_col = BLACK;}else{// g g c// u p -> u c -> g p// c p u//RotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}break;}}}_root->_col = BLACK;//将根处理成黑。因为插入向上处理会改变,但是当最后为根时改变后就不能进入循环,因此需要最后处理为黑return true;}void RotateL(Node* parent){++_rotateCount;Node* cur = parent->_right;Node* curleft = cur->_left;parent->_right = curleft;if (curleft){curleft->_parent = parent;}cur->_left = parent;Node* ppnode = parent->_parent;parent->_parent = cur;if (parent == _root){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}void RotateR(Node* parent){++_rotateCount;Node* cur = parent->_left;Node* curright = cur->_right;parent->_left = curright;if (curright)curright->_parent = parent;Node* ppnode = parent->_parent;cur->_right = parent;parent->_parent = cur;if (ppnode == nullptr){_root = cur;cur->_parent = nullptr;}else{if (ppnode->_left == parent){ppnode->_left = cur;}else{ppnode->_right = cur;}cur->_parent = ppnode;}}bool IsBalance(){return _IsBalance(_root);}int Height(){return _Height(_root);}//中序遍历void Inorder(){_Inorder(_root);}private:// 根节点->当前节点这条路径的黑色节点的数量bool CheckColour(Node* root, int blacknum, int benchmark){if (root == nullptr){if (blacknum != benchmark)return false;return true;}if (root->_col == BLACK)//统计黑色用于判断每条路径黑色都相同{++blacknum;}if (root->_col == RED && root->_parent && root->_parent->_col == RED){//当前节点与父节点连续红色cout << root->_kv.first << "出现连续红色节点" << endl;return false;}return CheckColour(root->_left, blacknum, benchmark)&& CheckColour(root->_right, blacknum, benchmark);//递归遍历每条路径}bool _IsBalance(Node* root){//根据构建红黑树的规则进行判断if (root == nullptr)return true;if (root->_col != BLACK)//根不能为红{return false;}// //参考值,统计一条路径的黑色节点数int benchmark = 0;Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_col == BLACK)++benchmark;cur = cur->_left;}//通过检查每条路径的黑色节点数判断是否平衡return CheckColour(root, 0, benchmark);}int _Height(Node* root){if (root == nullptr)return 0;int leftHeight = _Height(root->_left);int rightHeight = _Height(root->_right);return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;}//中序遍历子函数void _Inorder(Node* root){if (root == nullptr)return;_Inorder(root->_left);cout << root->_kv.first << " ";_Inorder(root->_right);}private:Node* _root = nullptr;public:int _rotateCount = 0;
};
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给个三连再走嘛~