移情别恋c++ ദ്ദി˶ｰ̀֊ｰ́ ) ——15.红黑树

news2024/9/28 20:15:18

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。

 

 2.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)

3.红黑树节点的定义 

enum color
{
	RED,
	BLACK
};  //列举color的各种可能情况

template<class K, class V>
struct RBTtreenode
{
	RBTtreenode<K, V>* _left;
	RBTtreenode<K, V>* _right;
	RBTtreenode<K, V>* _parent;

	pair<K, V> kv;
	color col;


	RBTtreenode(const pair<K, V>& _kv)
		:_left(nullptr)     //左孩子
		, _right(nullptr)   //右孩子
		, _parent(nullptr)  //父亲
		, kv(_kv)
		, col(RED)
	{}
};

 4.红黑树结构

 为了后续实现关联式容器简单，红黑树的实现中增加一个头结点，因为跟节点必须为黑色，为了 与根节点进行区分，将头结点给成黑色，并且让头结点的 pParent 域指向红黑树的根节点，pLeft 域指向红黑树中最小的节点，_pRight域指向红黑树中最大的节点，如下：

5.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：

5.1按照二叉搜索的树规则插入新节点

 

if (root == nullptr)
{
	root = new node(_kv);
	root->col = BLACK;//规定根必须是黑的
	return true;
}
node* parent = nullptr; //比bst多了一个parent
node* cur = root;       

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

cur = new node(_kv);
cur->col = RED;//因为如果插入黑色的会使很多节点的一条路径上的黑色节点增多（相当于得罪了所有人），而插入红色则有可能只得罪父亲（如果父亲是红色的话）
if (parent->kv.first < _kv.first)
{
	parent->_right = cur;
}
else
{
	parent->_left = cur;
}
cur->_parent = parent;

5.2 检测新节点插入后，红黑树的性质是否造到破坏

 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：

约定:cur为当前节点，p为父节点，g为祖父节点，u为叔叔节点

 

1. 情况一: cur为红，p为红，g为黑，u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。

2.情况二（单旋+变色）: cur为红，p为红，g为黑，u不存在/u存在且为黑  （左左和右右）

细分就是：(1)g->left==p,p->left==cur;左左

(2)g->right==p,p->right==cur；右右

 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

3.情况三（双旋+变色）: cur为红，p为红，g为黑，u不存在/u存在且为黑  （左右和右左）

 

 

细分就是：(1)g->left==p,p->right==cur;左右

(2)g->right==p,p->left==cur；右左

 p为g的左孩子，cur为p的右孩子，则针对p做左单旋转；

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 

则转换成了情况2！！！！！，然后再用情况2的旋转处理一下就行了

 针对每种情况进行相应的处理即可。

while (parent&&parent->col == RED)//parent为黑不需要调整,如果cur变成root，parent就不存在退出循环
{
	node* grandparent = parent->_parent;//祖父一定存在，因为只有根节点是没有祖父的，而根节点一定是黑色的
	if (parent==grandparent->_left)
	{
		//      g
		//    p   u
		node* uncle = grandparent->_right;  //父亲在左则叔叔在右
		if (uncle && uncle->col == RED)     //情况一.如果叔叔存在且为红色
		{
			//变色
			parent->col = uncle->col = BLACK;
			grandparent->col = RED;
			//重置cur，parent，继续向上处理
			cur = grandparent;//变为祖父
			parent = cur->_parent;
		}
		else //叔叔不存在或为黑色，旋转加变色
		{
			//   g
			//  p
			// c

			if (cur == parent->_left)  //情况二.单旋
			{

				rotateR(grandparent);
				parent->col = BLACK;
				grandparent->col = RED;
			}

			//   g
			//  p
			//   c

			else      //情况三.cur==parent->_right,双旋
			{
				rotateL(parent);//经历一次左旋后变成情况二!!!!!!!!!!!(cur和parent换位置）
				rotateR(grandparent);
				cur->col = BLACK;
				grandparent->col = RED;
			}

			break;//调整一次就结束了，所以经历过旋转后不需要重置cur，parent，grandparent
		}
	}
	else
	{
		//      g
		//    u   p
		//
		node* uncle = grandparent->_left;  //父亲在右则叔叔在左
		if (uncle && uncle->col == RED)
		{
			parent->col = uncle->col = BLACK;
			grandparent->col = RED;
			//
			cur = grandparent;
			parent = cur->_parent;
		}
		else
		{
			//    g
			//  u   p
			//        c
			if (cur == parent->_right)
			{
				rotateL(grandparent);
				parent->col = BLACK;
				grandparent->col = RED;
			}
			else
			{
				//   g
				// u   p
				//    c
				rotateR(parent);
				rotateL(grandparent);
				cur->col = BLACK;
				grandparent->col = RED;

			}
			break;//调整一次就结束了，所以经历过旋转后不需要重置cur，parent，grandparent
		}
	}

6.红黑树的验证 

红黑树的检测分为两步：

1. 检测其是否满足二叉搜索树(中序遍历是否为有序序列)

2. 检测其是否满足红黑树的性质

 1.中序输出

void inorder()
{
	_inorder(root);
}

void _inorder(node* root)
{
	if (root == nullptr)
		return;
	_inorder(root->_left);
	cout << root->kv.first << " ";
	_inorder(root->_right);
}

2.判断性质 （性质3和性质4）

bool check(node* it,int blacknum,int flag)
{
	if (it == nullptr)
	{
		if (blacknum == flag)
			return true;
		else
			return false;
	}
	else if (it->col == RED && it->_parent->col == RED)//十分巧妙，因为孩子的情况有很多，但父亲不是红就是黑，所以判断父亲更合适
		return false;
	else if (it->col == BLACK)
		blacknum++;
	return check(it->_left,blacknum,flag) && check(it->_right,blacknum,flag);
}



bool isbalance()
{
	return _isbalance(root);
}

bool _isbalance(node* root)
{
	if (root == nullptr)
		return true;
	else if (root->col == RED)
		return false;

	int blacknum = 0;
	int flag = 0;
	node* k = root;
	while (k)
	{
		if (k->col == BLACK)
			flag++;
		k = k->_left;//这里十分巧妙，因为如果为红黑树，从某一节点到空的所有路径上的黑节点数量是一致的，所以可以先随便选一条路径，算出这一条路径上的黑节点数作为基准值，在由递归去和其他路径比较
	}
	return check(root,blacknum,flag);
}

7.红黑树的删除

 可参考：《算法导论》或者《STL源码剖析》

红黑树 - _Never_ - 博客园

8 红黑树与AVL树的比较

红黑树和AVL树都是高效的平衡二叉树，增删改查的时间复杂度都是O(log_2 N)，红黑树不追 求绝对平衡，其只需保证最长路径不超过最短路径的2倍，相对而言，降低了插入和旋转的次数， 所以在经常进行增删的结构中性能比AVL树更优，而且红黑树实现比较简单，所以实际运用中红 黑树更多。

 9 红黑树的应用

1. C++ STL库 -- map/set

2. Java 库

3. linux内核

4. 其他一些库

10.代码全览

rbt.h:

enum color
{
	RED,
	BLACK
};  //列举color的各种可能情况

template<class K, class V>
struct RBTtreenode
{
	RBTtreenode<K, V>* _left;
	RBTtreenode<K, V>* _right;
	RBTtreenode<K, V>* _parent;

	pair<K, V> kv;
	color col;


	RBTtreenode(const pair<K, V>& _kv)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, kv(_kv)
		, col(RED)
	{}
};



template<class K, class V>
class RBTtree
{
public:
	typedef RBTtreenode<K, V> node;

	bool insert(const pair<K, V>& _kv)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			root = new node(_kv);
			root->col = BLACK;//规定根必须是黑的
			return true;
		}
		node* parent = nullptr; //比bst多了一个parent
		node* cur = root;       

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

		cur = new node(_kv);
		cur->col = RED;//因为如果插入黑色的会使很多节点的一条路径上的黑色节点增多（相当于得罪了所有人），而插入红色则有可能只得罪父亲（如果父亲是红色的话）
		if (parent->kv.first < _kv.first)
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}
		cur->_parent = parent;

		//开始调整
		while (parent&&parent->col == RED)//parent为黑不需要调整,如果cur变成root，parent就不存在退出循环
		{
			node* grandparent = parent->_parent;//祖父一定存在，因为只有根节点是没有祖父的，而根节点一定是黑色的
			if (parent==grandparent->_left)
			{
				//      g
				//    p   u
				node* uncle = grandparent->_right;  //父亲在左则叔叔在右
				if (uncle && uncle->col == RED)     //情况一.如果叔叔存在且为红色
				{
					//变色
					parent->col = uncle->col = BLACK;
					grandparent->col = RED;
					//重置cur，parent，继续向上处理
					cur = grandparent;//变为祖父
					parent = cur->_parent;
				}
				else //叔叔不存在或为黑色，旋转加变色
				{
					//   g
					//  p
					// c

					if (cur == parent->_left)  //情况二.单旋
					{

						rotateR(grandparent);
						parent->col = BLACK;
						grandparent->col = RED;
					}

					//   g
					//  p
					//   c

					else      //情况三.cur==parent->_right,双旋
					{
						rotateL(parent);//经历一次左旋后变成情况二!!!!!!!!!!!(cur和parent换位置）
						rotateR(grandparent);
						cur->col = BLACK;
						grandparent->col = RED;
					}

					break;//调整一次就结束了，所以经历过旋转后不需要重置cur，parent，grandparent
				}
			}
			else
			{
				//      g
				//    u   p
				//
				node* uncle = grandparent->_left;  //父亲在右则叔叔在左
				if (uncle && uncle->col == RED)
				{
					parent->col = uncle->col = BLACK;
					grandparent->col = RED;
					//
					cur = grandparent;
					parent = cur->_parent;
				}
				else
				{
					//    g
					//  u   p
					//        c
					if (cur == parent->_right)
					{
						rotateL(grandparent);
						parent->col = BLACK;
						grandparent->col = RED;
					}
					else
					{
						//   g
						// u   p
						//    c
						rotateR(parent);
						rotateL(grandparent);
						cur->col = BLACK;
						grandparent->col = RED;

					}
					break;//调整一次就结束了，所以经历过旋转后不需要重置cur，parent，grandparent
				}
			}
		}


		//1.如果parent和uncle都为RED，则可以一起变黑
		// 2.parent为黑不处理
		// 3.uncle为黑或不存在，parent为红，旋转+变色


		root->col = BLACK;//最后以防万一让根变为黑
		return true;
	}

	void rotateL(node* parent)//左旋，（新节点插入到较高右子树的右侧）//   1.右右
	{
		node* subr = parent->_right;
		node* subrl = subr->_left;

		parent->_right = subrl;
		subr->_left = parent;

		node* ppnode = parent->_parent;
		parent->_parent = subr;

		if (subrl) //subrl可能为空！！！！！！！
		{
			subrl->_parent = parent;
		}

		if (parent == root) //即如果parent->_parent==nullptr
		{
			root = subr;
			subr->_parent = nullptr;
		}

		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = subr;
			}
			else if (ppnode->_right == parent)
			{
				ppnode->_right = subr;
			}

			subr->_parent = ppnode;
		}
	}


	void rotateR(node* parent)//右旋，（新节点插入到较高左子树的左侧）//   2.左左
	{

		node* subl = parent->_left;
		node* sublr = subl->_right;
		parent->_left = sublr;


		if (sublr)               //sublr可能为空！！！！！！！
			sublr->_parent = parent;

		node* ppnode = parent->_parent;

		subl->_right = parent;
		parent->_parent = subl;

		if (root == parent)
		{
			root = subl;
			subl->_parent = nullptr;
		}

		else
		{
			if (ppnode->_left == parent)
			{
				ppnode->_left = subl;
			}
			else if (ppnode->_right == parent)
			{
				ppnode->_right = subl;
			}

			subl->_parent = ppnode;
		}

	}



	void inorder()
	{
		_inorder(root);
	}

	void _inorder(node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return;
		_inorder(root->_left);
		cout << root->kv.first << " ";
		_inorder(root->_right);
	}


	bool check(node* it,int blacknum,int flag)
	{
		if (it == nullptr)
		{
			if (blacknum == flag)
				return true;
			else
				return false;
		}
		else if (it->col == RED && it->_parent->col == RED)//十分巧妙，因为孩子的情况有很多，但父亲不是红就是黑，所以判断父亲更合适
			return false;
		else if (it->col == BLACK)
			blacknum++;
		return check(it->_left,blacknum,flag) && check(it->_right,blacknum,flag);
	}



	bool isbalance()
	{
		return _isbalance(root);
	}

	bool _isbalance(node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return true;
		else if (root->col == RED)
			return false;

		int blacknum = 0;
		int flag = 0;
		node* k = root;
		while (k)
		{
			if (k->col == BLACK)
				flag++;
			k = k->_left;//这里十分巧妙，因为如果为红黑树，从某一节点到空的所有路径上的黑节点数量是一致的，所以可以先随便选一条路径，算出这一条路径上的黑节点数作为基准值，在由递归去和其他路径比较
		}
		return check(root,blacknum,flag);
	}


private:
	node* root = nullptr;
};

test.cpp:

#include<iostream>
using namespace std;

#include"RBT.h"

int main()
{
	int arr[] = { 790,760,969,270,31,424,377,24,702 };
	//int arr[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
	RBTtree<int, int> it;
	for (auto i : arr)
	{
		it.insert(make_pair(i, i));
	}
	it.inorder();
	cout << endl << it.isbalance() << endl;

	return 0;
}

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