C++红黑树详解
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1 红黑树的概念
红黑树,是一种二叉搜索树,但在每个结点上增加一个存储位表示结点的颜色,可以是Red或
Black。 通过对任何一条从根到叶子的路径上各个结点着色方式的限制,红黑树确保没有一条路
径会比其他路径长出俩倍,因而是接近平衡的。(红黑树是接近平衡的,AVL树是绝对平衡,但两者的性能相近,AVL树的旋转比较多且复杂 ,红黑树相对简单)

红黑树是如何做到近似平衡的呢?这就与他的性质相关,具体如下:
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)也就是图中的NIL。
通过上述性质我们可以得出:
一条最短的路径就是只有黑节点的路径。而一条最长路径就是黑红相间的路径,这样就可以保证没有一条路径会比其他路径长出俩倍。
2.红黑树的插入
红黑树是在二叉搜索树的基础上加上其平衡限制条件,因此红黑树的插入可分为两步:
1. 按照二叉搜索的树规则插入新节点。
2.检测新节点插入后,红黑树的性质是否造到破坏。
这里重要的就是红黑树遭到破坏后如何进行调整。
1.首先我们要确保插入的节点的颜色是红色的。为什么要这样做呢? 这是因为如果插入的节点是黑色的会影响所有的路径,因为要保证每条路径上黑色节点的数目是一样的,插入的是红节点则只用看该路径是否满足红黑树的要求。
2.如果要插入的父亲节点存在且颜色是黑色的,则无需进行调整,因为满足红黑树的性质。
3.如果要插入的父亲节点存在且颜色是红色的,则需要进项调整,具体分为一下情况:
2.1.叔叔节点存在且为红

解决方式:将p,u改为黑,g改为红,然后把g当成cur,继续向上调整。


这里的a,b,c,d,e是可以变化的对应着各种复杂的情况。


等等还有很多种可能,但是他们对应的处理方式都是一样的。
2.2叔叔节点不存在或者叔叔节点存在且为黑


无论是叔叔节点不存在还是存在且为黑,他们的处理方法都是一样的,都是旋转加变色,旋转变色后就是一颗符合规则的红黑子树。这里的旋转是根据g,p,cur节点的位置进行旋转的。
3.代码实现
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
enum Col
{
BLACK,
RED
};
template<class K,class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode(const pair<K,V>& kv)
:_parent(nullptr)
,_left(nullptr)
,_right(nullptr)
,_kv(kv)
,_col(RED)
{}
RBTreeNode<K, V>* _parent;
RBTreeNode<K, V>* _left;
RBTreeNode<K, V>* _right;
pair<K, V>_kv;
Col _col;
};
template<class K,class V>
class RBTree
{
typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
bool insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
_root->_col = BLACK;
return true;
}
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (cur->_kv.first > kv.first)
{
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if(cur->_kv.first < kv.first)
{
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else
{
return false;
}
}
//找到要插入的位置 进行链接
cur = new Node(kv);
if (parent->_kv.first > kv.first)
{
parent->_left = cur;
}
else
{
parent->_right = cur;
}
cur->_parent = parent;
//进行调整 父亲节点存在且为红 才需要调整 默认插入的节点是红色的
while (parent && parent->_col==RED)
{
Node* gradeparent = parent->_parent; //gradeparent节点一定存在 否则不会进入这里 直接就插入成功了
if (parent == gradeparent->_left)
{
Node* uncle = gradeparent->_right;
//叔叔节点存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
//变色+继续向上调整
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
//向上调整 此时parent相当于cur
cur = gradeparent;
parent = cur->_parent;
}
//叔叔节点不存在 or 叔叔节点存在为黑
else
{
//旋转加变色
if (cur == parent->_left)
{
// g
// p
//c
RotateR(gradeparent);
parent->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
}
else
{
// g
// p
// c
RotateL(parent);
RotateR(gradeparent);
cur->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
}
break;
}
}
else
{
Node* uncle = gradeparent->_left;
//叔叔存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
//变色+向上调整
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
cur = gradeparent;
parent = cur->_parent;
}
//叔叔不存在 or 叔叔存在且为黑
else
{
//旋转+变色
if (cur == parent->_right)
{
//g
// p
// c
RotateL(gradeparent);
parent->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
}
else
{
//g
// p
//c
RotateR(parent);
RotateL(gradeparent);
cur->_col = BLACK;
gradeparent->_col = RED;
}
break;
}
}
}
_root->_col = BLACK;
return true;
}
void RotateR(Node* parent)
{
Node* cur = parent->_left;
Node* curRight = cur->_right;
Node* ppNode = parent->_parent;
//进行链接
parent->_left = curRight;
if (curRight)
curRight->_parent = parent;
cur->_right = parent;
parent->_parent = cur;
if (ppNode == NULL)
{
_root = cur;
cur->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
{
ppNode->_left = cur;
}
else
{
ppNode->_right = cur;
}
cur->_parent = ppNode;
}
}
void RotateL(Node* parent)
{
Node* cur = parent->_right;
Node* curLeft = cur->_left;
Node* ppNode = parent->_parent;
parent->_right = curLeft;
if (curLeft)
{
curLeft->_parent = parent;
}
cur->_left = 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 CheckColour(Node* root, int blacknum, int benchmark)
{
if (root == nullptr)
{
if (blacknum != benchmark)
return false;
return true;
}
if (root->_col == BLACK)
{
++blacknum;
}
if (root->_col == RED && root->_parent && root->_parent->_col == RED)
{
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);
}
bool IsBalance()
{
return IsBalance(_root);
}
bool IsBalance(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return true;
if (root->_col != BLACK)
{
return false;
}
// 基准值
int benchmark = 0;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_col == BLACK)
++benchmark;
cur = cur->_left;
}
return CheckColour(root, 0, benchmark);
}
private:
Node* _root = nullptr;
};
#include"RBTree.h"
int main()
{
int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
RBTree<int, int> t;
for (auto e : a)
{
t.insert(make_pair(e, e));
cout << "Insert:" << e << "->" << t.IsBalance() << endl;
}
return 0;
}
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