【C++】红黑树的模拟实现

平凡的小苏2023-09-13 13:08

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一、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。

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)

    最优情况：全黑或每条路径都是一黑一红的满二叉树，高度logN

    最差情况：每颗子树左子树全黑，右子树一黑一红。高度2*logN。

    可以发现，最坏情况的时间复杂度和AVL树一样，都是O(logN)，但是红黑树这种近似平衡的结构减少了大量旋转，综合性能优于AVL树。

注：第三点的意思就是，没有连续的红色节点进行连接

三、红黑树的定义

c 复制代码 
enum Color
{
	RED,
	BLACK
};
template<class K, class V>
struct RedBlackTreeNode
{
	pair<K, V> _kv;
	RedBlackTreeNode<K, V>* _left;//该节点的左孩子
	RedBlackTreeNode<K, V>* _right;//该节点的右孩子
	RedBlackTreeNode<K, V>* _parent;//该节点是父亲节点
	Color _col;//颜色

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

思考：在节点的定义中，为什么要将节点的默认颜色给为红色的而不是黑色？

因为给成红色就会和红黑树的性质3冲突，而给成黑色就会和红黑树的性质4冲突那么对于冲突性质3比性质4更优，因为冲突性质4，不管插入哪个位置，都会引起颜色的变换或者旋转。而冲突性质3有可能会引起改变，也可能不改变

四、红黑树的插入（主要看叔叔的颜色）

1.情况一：uncle存在且节点颜色为红

这种情况cur、parent、grandfather都是确定颜色的，唯独uncle的颜色是不确定的。

2.情况二：uncle不存在或者uncle存在且节点为黑（直线）

uncle不存在示例图：

uncle存在且为黑的情况示例图：

3.情况三：uncle不存在/存在并且为黑（折线）

uncle的情况分两种。

uncle不存在，则cur为插入节点，两次单旋即可。

uncle存在且为黑示例图

4.总结

插入新节点时，父节点为红，看叔叔的颜色。

​ 1、叔叔存在且为红，变色，向上调整（可能变为三种情况中的任意一种）

​ 2、叔叔不存在/存在且为黑，直线。单旋+变色

​ 3、叔叔不存在/存在且为黑，折线，两次单旋+变色

五、红黑树的插入代码

c 复制代码 
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->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}

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

		cur->_parent = parent;

		// ... 控制平衡
		while (parent && parent->_col == RED)//parent不为空并且为红进循环
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				if (parent->_left == cur)
				{
					Node* uncle = grandfather->_right;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateR(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
				else
				{
					Node* uncle = grandfather->_right;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔存在并且叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
			}
			else
			{
				if (parent->_right == cur)
				{
					Node* uncle = grandfather->_left;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateL(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
				else
				{
					Node* uncle = grandfather->_left;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
			}
		}
		_root->_col = BLACK;//处理根一直为黑的情况
		return true;
	}

六、红黑树代码是否正确的代码检测

c 复制代码 
bool checkColour(Node* root, int blacknum, int beachmark)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (blacknum != beachmark)//和基准值比较，如果不相等，则红黑树代码出错
			{
				return false;
			}
			return true;
		}

		if (root->_col == BLACK)//记录黑色节点数量
		{
			++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, beachmark) && 
				checkColour(root->_right, blacknum, beachmark);
	}
	bool _IsBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return true;
		}
		if (root->_col != BLACK)//根节点不为黑，不符合红黑树的性质
		{
			return false;
		}

		//基准值
		int beanchmark = 0;
		Node* cur = root;
		while (cur)//求一条路径的黑色节点的数量作为基准值
		{
			if (cur->_col == BLACK)
			{
				++beanchmark;
			}
			cur = cur->_left;
		}

		return checkColour(root, 0, beanchmark);
	}

详看代码注释

七、红黑树的整体代码

c 复制代码 
#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;

template<class K, class V>
class RedBlackTree
{
	typedef RedBlackTreeNode<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->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}

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

		cur->_parent = parent;

		// ... 控制平衡
		while (parent && parent->_col == RED)//parent不为空并且为红进循环
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				if (parent->_left == cur)
				{
					Node* uncle = grandfather->_right;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateR(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
				else
				{
					Node* uncle = grandfather->_right;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔存在并且叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
			}
			else
			{
				if (parent->_right == cur)
				{
					Node* uncle = grandfather->_left;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateL(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
				else
				{
					Node* uncle = grandfather->_left;
					if (uncle && uncle->_col == RED)//叔叔节点为红
					{
						parent->_col = uncle->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						cur = grandfather;
						parent = cur->_parent;
					}
					else //叔叔节点为空或者为黑的情况
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
						break;
					}
				}
			}
		}
		_root->_col = BLACK;//处理根一直为黑的情况
		return true;
	}

	bool IsBalance()
	{
		return _IsBalance(_root);
	}
private:
	bool checkColour(Node* root, int blacknum, int beachmark)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			if (blacknum != beachmark)
			{
				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, beachmark) && 
				checkColour(root->_right, blacknum, beachmark);
	}
	bool _IsBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return true;
		}
		if (root->_col != BLACK)
		{
			return false;
		}

		//基准值
		int beanchmark = 0;
		Node* cur = root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == BLACK)
			{
				++beanchmark;
			}
			cur = cur->_left;
		}

		return checkColour(root, 0, beanchmark);
	}
	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_left;
		Node* curRight = cur->_right;

		parent->_left = curRight;
		cur->_right = parent;
		Node* ppNode = parent->_parent;
		if (curRight)
		{
			curRight->_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 RotateL(Node* parent)
	{
		Node* cur = parent->_right;
		Node* curleft = cur->_left;

		parent->_right = curleft;
		if (curleft)//判断是否为空，空的话就不用接上父亲节点
		{
			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;
		}

	}
private:
	Node* _root = nullptr;
};
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