数据结构—红黑树

news2024/11/26 12:51:28

红黑树介绍

红黑树（Red Black Tree）是一种自平衡二叉查找树。由于其自平衡的特性，保证了最坏情形下在 O(logn) 时间复杂度内完成查找、增加、删除等操作，性能表现稳定。

在 JDK 中，TreeMap、TreeSet 以及 JDK1.8 的 HashMap 底层都用到了红黑树。

为什么需要红黑树

红黑树的诞生就是为了解决二叉查找树的缺陷。

二叉查找树是一种基于比较的数据结构，它的每个节点都有一个键值，而且左子节点的键值小于父节点的键值，右子节点的键值大于父节点的键值。这样的结构可以方便地进行查找、插入和删除操作，因为只需要比较节点的键值就可以确定目标节点的位置。

但是，二叉查找树有一个很大的问题，就是它的形状取决于节点插入的顺序。如果节点是按照升序或降序的方式插入的，那么二叉查找树就会退化成一个线性结构，也就是一个链表。这样的情况下，二叉查找树的性能就会大大降低，时间复杂度就会从 O(logn) 变为 O(n)。

红黑树的诞生就是为了解决二叉查找树的缺陷，因为二叉查找树在某些情况下会退化成一个线性结构。

红黑树特点

每个节点非红即黑。黑色决定平衡，红色不决定平衡。
根节点总是黑色的。
每个叶子节点都是黑色的空节点也就是 NIL 节点。这里指的是红黑树都会有一个空的叶子节点，是红黑树自己的规则。
如果节点是红色的，则它的子节点必须是黑色的，反之不一定。通常这条规则也叫不会有连续的红色节点。一个节点最多临时会有 3 个节点，中间是黑色节点，左右是红色节点。
从任意节点出发，沿着这个节点到达其所有叶子节点的路径上，经过的黑色节点的数量必须相同。每一层都只是有一个节点贡献了树高决定平衡性，也就是对应红黑树中的黑色节点。

正是这些特点才保证了红黑树的平衡，让红黑树的高度不会超过 2log(n+1)。

红黑树数据结构

建立在 BST 二叉搜索树的基础上，AVL、2-3 树、红黑树都是自平衡二叉树（统称 B-树）。但相比于 AVL 树，高度平衡所带来的时间复杂度，红黑树对平衡的控制要宽松一些，红黑树只需要保证黑色节点平衡即可。

红黑树结构实现

public class Node {

    public Class<?> clazz;
    public Integer value;
    public Node parent;
    public Node left;
    public Node right;

    // AVL 树所需属性
    public int height;
    // 红黑树所需属性
    public Color color = Color.RED;

}

1.左倾染色