STL深度剖析2 - 技术栈

rb_tree深度探索

rb_tree vs AVL树

AVL是一个高度平衡的二叉树，而红黑树不是
红黑树每次插入一个元素，最多只需要两次旋转；而AVL可能需要更多次平衡操作
搜索速度：AVL树更加快，因为其严格遵守高度平衡，搜索查找的平均时间复杂度为log2(n)
插入速度：红黑树更加快，因为最多只需要两次旋转再加一些重新着色。
AVL树是rb_tree的子集

红黑树的结构

红黑树是平衡二分搜索树中常常使用的一种，平衡二分搜索树的特性：排列规则有利search和insert，并保持适度平衡。
红黑树提供遍历的功能及iterators。按正常规则（++ite）遍历，便能获得排序状态。
红黑树的结构样例：

为红黑树的中序遍历，begin()在左下，end()是在右下
红黑树的规则(首先需要是一颗二分查找树{BST})：
- 1.每个节点不是红色就是黑色
- 2.根节点为黑色
- 3.如果节点为红，其子节点必须是黑（如果节点为黑，其子节点既可以是红也可以是黑）
- 4.任一节点至NULL(树尾端)的任何路径，所含黑色节点数必须相同

根据规则4，新增节点必须为红；根据规则3，新增节点之父节点必须为黑，当新节点根据二叉搜索树的规则到达其插入点，但未能符合上述要求，就必须调整颜色并旋转树形
我们不应该用红黑树的iterators改变元素值（因为元素有其严谨的排序规则）。但是编程层面并未阻止此事，rb_tree将会为set和map服务，而map允许元素的data被改变，只有元素的key才是不能被改变的。
rb_tree提供两种insertion操作（红黑树本身对重复与否没有限制，而取决于insert的方式）：insert_unique()和insert_equal()。前者表示节点的key一定在整个树中独一无二，否则安插失败；后者表示节点的key可以重复。

部分源码（在这里将key和data合起来的节点合成value）：

cpp 复制代码

//这里的Value是key和data的组合，如果value只传一个值说明没有value（set）
template <class Key, class Value, class KeyOfValue, class Compare,
          class Alloc = alloc>
class rb_tree {
protected:
    typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;//红黑树的结构
    ···
public:
     // 注意，没有定义iterator（喔，不，定义在后面）
    typedef rb_tree_node* link_type;//指向红黑树节点的指针
    ···
protected:
    //rb_tree只以三个资料表现它自己
    size_type node_count;//rb_tree的大小（节点数量）
    link_type header;
    Compare key_compare;//key的大小比较准则；应会是个function object
    ···
}

红黑树插入节点

红黑树插入的节点默认为红色，首先根据二叉树寻找插入的位置，再根据相对位置来调整红色和黑色，以及旋转的问题。

关于红黑树的插入问题，可以在这个网站来手动插入试验一下！（Red/Black Tree Visualization）

关于红色和黑色节点的问题：
- 插入节点初始一定为红色，新增节点的父节点必须为黑色，再根据rb_tree的四条规则进行调整。
关于旋转，先看一个实例：

红黑树旋转的具体规则如下(假设插入的节点为X)：

将新插入的节点标记为红色
如果 X 是根结点(root)，则标记为黑色（2⃣️）
如果 X 的 parent 不是黑色，同时 X 也不是 root（3⃣️）:
- 如果 X 的 uncle (叔叔) 是红色：
  1. 将 parent 和 uncle 标记为黑色
  2. 将 grand parent (祖父) 标记为红色
  3. 让 X 节点的颜色与 X 祖父的颜色相同，然后重复步骤2⃣️3⃣️

。。。STL_sourcecode/10.第十讲 at master · caixiongjiang/STL_sourcecode

Set，multiset剖析

set和multiset特性

set/multiset以红黑树为底层结构，因此有自动排序的特性，排序的依据是key，而set和multiset的value和key 是合二为一的：value就是key（key和data合成value）
set和multiset提供遍历的操作以及iterator，按照正常的规则遍历就能获得排序状态。
无法使用iterator来改变元素值（底层为将iterator设为const），因为key有其严谨的排序规则。
set的key必须独一无二，因此其insert()用的是rb_tree的insert_unique()
multiset元素的key可以重复，因此其insert()用的是rb_tree的insert_equal()

multiset容器

除了multiset之外和set基本没有区别

map和multimap特性

rb_tree为底层结构，因此有元素自动排序功能,排序的依据依然为key
提供iterator，正常遍历便能获得排序状态的结果
无法使用iterators来改变元素的key，但可以用来改变元素的data。（底层为将key值设为const类型）
map的key必须独一无二，因此其insert()用的是rb_tree的insert_unique()
multimap元素的key可以重复，因此其insert()用的是rb_tree的insert_equal()

map独特的operator\[\]

operator\[\]的作用为返回对应key的data值，如果这个key不存在，标准库将会自动创建该key值放入map中
源码层：使用lower_bound来寻找元素的key值，如果找到则返回迭代器进行操作；如果没有找到则呼叫insert()
lower_bound是二分查找的一种版本，试图在已经排序的范围[first, last)中寻找一个元素值，如果找得到就返回一个iterator指向其中的第一个符合条件的元素值；如果没有找到则返回last的iterator（最适合安插这个值的位置）
operator\[\]创建新的key比直接使用insert插入效率低，因为前面还多了一步lower_bound的过程

heap&priority_queue深入探索

STL_sourcecode/13.第十三讲 at master · caixiongjiang/STL_sourcecode