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【C++】红黑树

目录

一 概念

二 红黑树的模拟实现

1 节点的设置

2 基本框架的实现

三 插入操作

1 情况一

2 情况二

3 左右旋操作

四 判断是否为红黑树


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。

时间复杂度: Log(N)

红黑树是近似的平衡树,没有什么最坏情况,插入的时间复杂度为O(log(N))

红黑树的性质

1. 根节点是黑色的

2. 如果一个节点是红色的,则它的两个孩子结点是黑色的(没有连续的红色节点)

3. 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

4. 每个叶子结点都是黑色的(此处的叶子结点指的是空结点)

为什么满足上面的性质,红黑树就能保证:其最长路径中节点个数不会超过最短路径节点 个数的两倍?

最短路径: 全黑

最长路径: 一黑一红

二 红黑树的模拟实现

1 节点的设置

插入红色节点树的性质可能不会改变,而插入黑色节点每次都会违反每条路径黑色节点的数量相等的规则

节点需要默认红色, 因为插入红色节点, 路径可能不会变化, 

//构建红黑树节点
enum Colour
{
RED,
BLACK
};

template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode<K, V>* _left;
RBTreeNode<K, V>* _right;
RBTreeNode<K, V>* _parent;
pair<K, V> _kv;
Colour _col;

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

2 基本框架的实现

//构建红黑树节点
enum Colour
{
RED,
BLACK
};

template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode<K, V>* _left;
RBTreeNode<K, V>* _right;
RBTreeNode<K, V>* _parent;
pair<K, V> _kv;
Colour _col;

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


template<class K, class V>
class RBTree
{
typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
_root->_col = BLACK;
return true;
}

Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
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); // 红色的
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
}
else
{
parent->_left = cur;
}
cur->_parent = parent;

//旋转操作

return true;
}


//左旋操作


//右旋操作



void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;

_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << endl;
_InOrder(root->_right);
}

void InOrder()
{
_InOrder(_root);
}


size_t Size()
{
return _Size(_root);
}

size_t _Size(Node* root)
{
if (root == NULL)
return 0;

return _Size(root->_left)
+ _Size(root->_right) + 1;
}

Node* Find(const K& key)
{
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_kv.first < key)
{
cur = cur->_right;
}
else if (cur->_kv.first > key)
{
cur = cur->_left;
}
else
{
return cur;
}
}

return NULL;
}

int _Height(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return 0;

int leftHeight = _Height(root->_left);
int rightHeight = _Height(root->_right);

return leftHeight > rightHeight ? leftHeight + 1 : rightHeight + 1;
}

int Height()
{
return _Height(_root);
}


int GetRotateSize()
{
return rotateSize;//统计旋转次数
}

private:
Node* _root = nullptr;
int rotateSize = 0;
};

三 插入操作

1 情况一

//旋转操作
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandfather = parent->_parent;
if (parent == grandfather->_left)
{
Node* uncle = grandfather->_right;
// 情况一:叔叔存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
// 变色
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;

// 继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else
{
// 情况二:叔叔不存在或者存在且为黑
// 旋转+变色
}
}

else
{
Node* uncle = grandfather->_left;
// 情况一:叔叔存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
// 变色
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;

// 继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else
{
// 情况二:叔叔不存在或者存在且为黑
// 旋转+变色
}
}
}

_root->_col = BLACK;//根节点是黑色

2 情况二

bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (_root == nullptr)
{
_root = new Node(kv);
_root->_col = BLACK;
return true;
}

Node* parent = nullptr;
Node* cur = _root;
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); // 红色的
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
}
else
{
parent->_left = cur;
}
cur->_parent = parent;

//旋转
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandfather = parent->_parent;
if (parent == grandfather->_left)
{
Node* uncle = grandfather->_right;
// 情况一:叔叔存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
// 变色
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;

// 继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else
{
// 情况二:叔叔不存在或者存在且为黑
// 旋转+变色
if (cur == parent->_left)
{
//       g
//    p    u
// c
RotateR(grandfather);
parent->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}
else
{
//       g
//    p     u
//      c
RotateL(parent);
RotateR(grandfather);
cur->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}

break;
}
}

else
{
Node* uncle = grandfather->_left;
// 情况一:叔叔存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
// 变色
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;

// 继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else
{
// 情况二:叔叔不存在或者存在且为黑
// 旋转+变色
//      g
//   u     p
//            c
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(grandfather);
parent->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}
else
{
//            g
//   u     p
//      c
RotateR(parent);
RotateL(grandfather);
cur->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}
break;
}
}
}

_root->_col = BLACK;//根节点是黑色
return true;
}

3 左右旋操作

//左旋操作
void RotateL(Node* parent)
{
++rotateSize;

Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;

parent->_right = subRL;
if (subRL)
subRL->_parent = parent;

subR->_left = parent;
Node* ppnode = parent->_parent;
parent->_parent = subR;

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


//右旋操作
void RotateR(Node* parent)
{
++rotateSize;

Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;

parent->_left = subLR;
if (subLR)
subLR->_parent = parent;

subL->_right = parent;

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

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

四 判断是否为红黑树

bool Check(Node* cur, int blackNum, int refBlackNum)
{
if (cur == nullptr)
{
if (refBlackNum != blackNum)
{
cout << "黑色节点的数量不相等" << endl;
return false;
}
return true;
}

if (cur->_col == RED && cur->_parent->_col == RED)
{
cout << cur->_kv.first << "存在连续的红色节点" << endl;
return false;
}

if (cur->_col == BLACK)
++blackNum;

return Check(cur->_left, blackNum, refBlackNum)
&& Check(cur->_right, blackNum, refBlackNum);
}

bool IsBalance()
{
if (_root && _root->_col == RED)
return false;

int refBlackNum = 0;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (cur->_col == BLACK)
refBlackNum++;

cur = cur->_left;
}

return Check(_root, 0, refBlackNum);
}

总结: 本节主要了解和熟悉红黑树基础结构就行 继续加油!


原文地址:https://blog.csdn.net/yf214wxy/article/details/142918632

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