C++简单实现红黑树

news2024/11/23 2:15:08

目录

一、概念

二、红黑树的性质

三、红黑树的定义

四、红黑树的插入操作

情况一（叔叔节点存在且为红色）——变色+向上调整：

情况二（叔叔节点不存在或为黑色）——旋转+变色：

2.1叔叔节点不存在

2.2叔叔节点为黑色

插入的代码实现：

五、红黑树的验证

六、红黑树完整代码

一、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。

二、红黑树的性质

  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必须是黑色的
  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）

三、红黑树的定义

enum Colour
{
	RED,BLACK
};

template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_kv(kv)
		,_right(nullptr)
		,_left(nullptr)
		,_parent(nullptr)
		,_col(RED)//默认插入节点为红色，如果为黑色，就会对其他路径也造成影响
	{}

	pair<K, V> _kv;
	RBTreeNode<K, V>* _right;
	RBTreeNode<K, V>* _left;
	RBTreeNode<K, V>* _parent;
	
	Colour _col;
};

C++STL中的set和map底层就是使用红黑树实现的，而map是存放键值对的，所以我们给红黑树的节点中的值存放一个键值对，以及左右孩子的指针和指向父节点的指针，还有一个存放颜色的标记。

四、红黑树的插入操作

红黑树的插入首先和普通二叉搜索树的插入操作一样，新建一个节点，左节点的值小于根，右节点的值大于根，找到位置进行插入。插入后应如果破坏了红黑树的性质，就需要进行调整。

因为新节点的默认颜色是红色，因此：如果其双亲节点的颜色是黑色，没有违反红黑树任何
性质，则不需要调整；但当新插入节点的双亲节点颜色为红色时，就违反了性质三不能有连
在一起的红色节点，此时需要对红黑树分情况来讨论：

我们给出一个约定：cur为当前节点，p为父亲节点，g为祖父节点，u为叔叔节点

情况一（叔叔节点存在且为红色）——变色+向上调整：

将p和u改成黑色，将g改为红色

此时有三种情况：

1、g没有父亲节点，直接变成黑色就可以，插入结束；

2、g有父亲节点，且父亲为黑色，插入结束；

3、g有父亲节点，且父亲为红色（违反了红色节点不能连续的性质），需要向上调整。

情况二（叔叔节点不存在或为黑色）——旋转+变色：

2.1叔叔节点不存在

如果cur在parent的左边——右旋：

cur在parent的右边——先左旋再右旋：

2.2叔叔节点为黑色

如果cur在parent的左边——右旋：

cur在parent的右边——先左旋再右旋：

以上插入操作是p在g节点左边的情况，p在g节点右边的情况与以上插入过程类似，仅仅是镜像翻转一下。

插入的代码实现：

左旋代码：

void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_right;
		Node* curleft = cur->_left;

		parent->_right = curleft;
		cur->_left = parent;
		if (curleft)
			curleft->_parent = parent;

		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = cur;

		if (parent == _root)
		{
			cur->_parent = nullptr;
			_root = cur;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = cur;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = cur;
			}
			cur->_parent = ppnode;
		}
	}

右旋代码：

void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_left;
		Node* curright = cur->_right;

		parent->_left = curright;
		cur->_right = parent;

		if (curright)
			curright->_parent = parent;

		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = cur;

		if (parent == _root)
		{
			cur->_parent = nullptr;
			_root = cur;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = cur;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = cur;
			}
			cur->_parent = ppnode;
		}
	}

插入代码：

    bool insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		//如果root为空
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(kv);
			_root->_col = BLACK;
			return true;
		}
		//插入
		Node* cur = _root;
		Node* parent = cur;

		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first < kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}
		cur = new Node(kv);//插入节点

		if (parent->_kv.first < kv.first)
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		//插入完毕，开始调整颜色
		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			//叔叔在右
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;

				//叔叔存在且为红色——变色
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					//向上更新
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//叔叔不存在或者为黑色——旋转+变色
				else
				{
					//右单旋即可
					if (parent->_left == cur)
					{
						RotateR(grandfather);
						//变色
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					//先左单旋，后右单旋
					else
					{
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						//变色
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			//叔叔在左
			else
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				//uncle存在且为红色——变色
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					//向上更新
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//uncle不存在或为黑色——旋转+变色
				else
				{
					//左单旋即可
					if (parent->_right == cur)
					{
						RotateL(grandfather);
						//变色
						grandfather->_col = RED;
						parent->_col = BLACK;
					}
					//先右单旋，再左单旋
					else
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						//变色
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;

		return true;
	}

五、红黑树的验证

    bool isBalance()
	{
		return _isBalance(_root);
	}

    bool checkcolour(Node* root, int benckmark, int blackcount)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (blackcount != benckmark)
				return false;
			return true;
		}
		if (root->_col == RED && root->_parent && root->_parent->_col == RED)
			return false;
		if (root->_col == BLACK)
			++benckmark;
		return checkcolour(root->_left, benckmark, blackcount)
			&& checkcolour(root->_right, benckmark, blackcount);
	}

	bool _isBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return true;

		if (root->_col != BLACK)
			return false;
		Node* cur = root;

        //求树中最左路径黑色节点的个数
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
				++blackcount;
			cur = cur->_left;
		}
		return checkcolour(_root, 0, blackcount);
	}

六、红黑树完整代码

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

enum Colour
{
	RED,BLACK
};

template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{
	RBTreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_kv(kv)
		,_right(nullptr)
		,_left(nullptr)
		,_parent(nullptr)
		,_col(RED)//默认插入节点为红色，如果为黑色，就会对其他路径也造成影响
	{}

	pair<K, V> _kv;
	RBTreeNode<K, V>* _right;
	RBTreeNode<K, V>* _left;
	RBTreeNode<K, V>* _parent;
	
	Colour _col;
};
/*
* 红黑树插入思路——关键在于uncle节点：
* 分为两大类：
* 一、如果uncle存在且为红色——仅仅变色即可
* 
*	       g(黑)                            g(红)     
*     p(红)     u(红)    ------->       p(黑)      u(黑) ------->继续向上更新
*  c(红)                            c(红)
* 
* 
* 二、如果uncle不存在或为黑色——旋转加变色
* 
* 情况一：       g(黑)                              p(红)
*            p(红)    NULL/黑  ------->       c(红)       g(黑)
*         c(红)
* 
*        仅仅右旋即可，g变成红色; p变成黑色;  break;
* 
* 情况二：       g(黑)                                  g(黑)                c(红)
*			 p(红)    NULL/黑  ------->   先左旋     c(红)    ------->   p(红)    g(黑) 
*               c(红)                             p(红)
* 
*        c变成黑色，g变成红色，break;
* 
* 情况三：情况一的对称图形
* 情况四：情况二的对称图形
* 
*/
template<class K, class V>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
	RBTree()
		:_root(nullptr)
	{}

	void InOrder()
	{
		cout << "InOrder: ";
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	bool insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		//如果root为空
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(kv);
			_root->_col = BLACK;
			return true;
		}
		//插入
		Node* cur = _root;
		Node* parent = cur;

		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first < kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}
		cur = new Node(kv);//插入节点

		if (parent->_kv.first < kv.first)
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		//插入完毕，开始调整颜色
		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			//叔叔在右
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;

				//叔叔存在且为红色——变色
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					//向上更新
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//叔叔不存在或者为黑色——旋转+变色
				else
				{
					//右单旋即可
					if (parent->_left == cur)
					{
						RotateR(grandfather);
						//变色
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					//先左单旋，后右单旋
					else
					{
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						//变色
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			//叔叔在左
			else
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				//uncle存在且为红色——变色
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;

					//向上更新
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//uncle不存在或为黑色——旋转+变色
				else
				{
					//左单旋即可
					if (parent->_right == cur)
					{
						RotateL(grandfather);
						//变色
						grandfather->_col = RED;
						parent->_col = BLACK;
					}
					//先右单旋，再左单旋
					else
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						//变色
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}

		_root->_col = BLACK;

		return true;
	}

	bool isBalance()
	{
		return _isBalance(_root);
	}

private:

	bool checkcolour(Node* root, int benckmark, int blackcount)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (blackcount != benckmark)
				return false;
			return true;
		}
		if (root->_col == RED && root->_parent && root->_parent->_col == RED)
			return false;
		if (root->_col == BLACK)
			++benckmark;
		return checkcolour(root->_left, benckmark, blackcount)
			&& checkcolour(root->_right, benckmark, blackcount);
	}

	bool _isBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return true;

		if (root->_col != BLACK)
			return false;
		Node* cur = root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
				++blackcount;
			cur = cur->_left;
		}
		return checkcolour(_root, 0, blackcount);
	}

	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_right;
		Node* curleft = cur->_left;

		parent->_right = curleft;
		cur->_left = parent;
		if (curleft)
			curleft->_parent = parent;

		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = cur;

		if (parent == _root)
		{
			cur->_parent = nullptr;
			_root = cur;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = cur;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = cur;
			}
			cur->_parent = ppnode;
		}
	}

	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_left;
		Node* curright = cur->_right;

		parent->_left = curright;
		cur->_right = parent;

		if (curright)
			curright->_parent = parent;

		Node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = cur;

		if (parent == _root)
		{
			cur->_parent = nullptr;
			_root = cur;
		}
		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = cur;
			}
			else
			{
				ppnode->_right = cur;
			}
			cur->_parent = ppnode;
		}
	}

	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;
		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << " ";
		_InOrder(root->_right);
	}
private:
	Node* _root;
	int blackcount = 0;
};

测试：

运行结果：

之后更新红黑树的应用，用红黑树封装map和set。

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