数据结构——红黑树
目录
一.红黑树
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
- 每个结点不是红色就是黑色
- 根节点是黑色的
- 如果一个节点是红色的，则它的两个孩子结点是黑色的
- 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
- 每个叶子结点都是黑色的(此处的叶子结点指的是空结点)
思考：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？
因为最短路径为全黑,最长路径为1红1黑,路径中的黑色节点数相同,中间可以插入红色节点
二.红黑树的实现
1.红黑树节点的定义
enum Colour
{
BLACK,
RED,
};
template<class K,class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode* _left;
RBTreeNode* _right;
RBTreeNode* _parent;
pair<K, V> _kv;
Colour _col;
RBTreeNode(const pair<K, V>& kv) :_left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr), _kv(kv), _col(RED) { };
};2.红黑树的插入
首先按照二叉搜索树的规则进行插入
//按照搜索树的规则插入
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);
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
//新增节点红的
cur->_col = RED;这里为什么将新增节点的颜色设置为红的?
新增节点颜色的选择主要看的是对性质的破坏程度,选择红的,会破坏不能有连续的红色节点性质,而选择黑的,因为每条路径的黑色节点数需要数目相同,设为黑的每一条都需要改变,相比较之下,破坏不能有连续红色节点的性质较为轻
然后检测新节点插入后，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：
cur为当前节点，p为父节点，g为祖父节点，u为叔叔节点
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
注意:如果g为根,调整完后将g变为黑色
如果g是子树,g一定有双亲,如果为红色,继续向上调整
//情况一:uncle存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续向上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}情况二: cur为红，p为红，g为黑，u不存在/u存在且为黑
u的情况有两种:
- 如果u不存在,则cur一定为新增节点,因为如果cur不是新增的,那么cur和p一定有一个为黑的,不满足每条路径上黑色节点数目相同的性质
- 如果u存在,为黑色,那么cur原来的颜色一定为黑色,现在是红的是因为cur的子树调整过程中将cur的颜色由黑色变为红色
如何调整?
- p为g的左孩子,cur为p的左孩子,进行右单旋
- p为g的右孩子,cur为p的右孩子,进行左单旋
- 然后将p变黑,g变红
红黑树的左单旋,右单旋与AVL树的一样,只是没有平衡因子的调整,在这里直接给出
//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
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;
//原来parent为根,现在subR为根
//parent为树的子树,sunR替代parent
if (_root == parent)
{
_root = subR;
subR->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
ppNode->_left = subR;
else
ppNode->_right = subR;
subR->_parent = ppNode;
}
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
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 (_root == parent)
{
_root = subL;
subL->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
ppNode->_left = subL;
else
ppNode->_right = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
}情况三: cur为红，p为红，g为黑，u不存在/u存在且为黑
如何调整?
- p为g的左孩子,cur为p的右孩子,对p进行左单旋,转化为情况二,再对g进行右单旋
- p为g的右孩子,cur为p的左孩子,对p进行右单旋,转化为情况二,再对g进行左单旋
三种情况的插入实现如下
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
//按照搜索树的规则插入
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);
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
//新增节点红的
cur->_col = RED;
while (parent && parent->_col == RED)
{
//红黑树的关键看叔叔
Node* grandfather = parent->_parent;
if (grandfather->_left == parent)
{
Node* uncle = grandfather->_right;
//情况一:uncle存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续向上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
//情况二或情况三:uncle不存在或者uncle存在且为黑
else
{
//情况三:双旋->变为单旋
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(parent);
swap(parent, cur);
}
//第二种情况(有可能为第三种情况变化而来)
RotateR(grandfather);
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
break;
}
}
else
{
Node* uncle = grandfather->_left;
//情况一:uncle存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续向上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
//情况二或情况三:uncle不存在或者uncle存在且为黑
else
{
//情况三:双旋->变为单旋
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(parent);
swap(parent, cur);
}
//第二种情况(有可能为第三种情况变化而来)
RotateL(grandfather);
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
break;
}
}
}
_root->_col = BLACK;
return true;
}3.红黑树的遍历
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
_InOrder(root->_right);
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
}4.检测红黑树
bool IsValidRBTree()
{
Node* pRoot = _root;
// 空树也是红黑树
if (nullptr == pRoot)
return true;
// 检测根节点是否满足情况
if (BLACK != pRoot->_col)
{
cout << "违反红黑树性质：根节点必须为黑色" << endl;
return false;
}
// 获取任意一条路径中黑色节点的个数
size_t blackCount = 0;
Node* pCur = pRoot;
while (pCur)
{
if (BLACK == pCur->_col)
blackCount++;
pCur = pCur->_left;
}
// 检测是否满足红黑树的性质，k用来记录路径中黑色节点的个数
size_t k = 0;
return _IsValidRBTree(pRoot, k, blackCount);
}
bool _IsValidRBTree(Node* pRoot, size_t k, const size_t blackCount)
{
//走到null之后，判断k和black是否相等
if (nullptr == pRoot)
{
if (k != blackCount)
{
cout << "违反性质：每条路径中黑色节点的个数必须相同" << endl;
return false;
}
return true;
}
// 统计黑色节点的个数
if (BLACK == pRoot->_col)
k++;
// 检测当前节点与其双亲是否都为红色
Node* pParent = pRoot->_parent;
if (pParent && RED == pParent->_col && RED == pRoot->_col)
{
cout << "违反性质：没有连在一起的红色节点" << endl;
return false;
}
return _IsValidRBTree(pRoot->_left, k, blackCount) &&
_IsValidRBTree(pRoot->_right, k, blackCount);
}5.红黑树的查找
红黑树的查找与搜索树相同,大的向右找,小的向左找
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 nullptr;
}6.红黑树的性能
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(log2N)，红黑树最短路径O(log2N),最长路径2*O(log2N),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
红黑树的性能与AVL树差了基本两倍,但是我们认为他们基本相同,为什么?
因为现在硬件的运算速度非常快,之间基本没有差异,log2N和2*log2N差别不大了
可以通过以下代码测试性能
void Testtime()
{
const int n = 1000000;
vector<int> v;
v.reserve(n);
srand(time(0));
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
v.push_back(rand());
}
RBTree<int, int> rbtree;
size_t begin1 = clock();
for (auto e : v)
{
rbtree.Insert(make_pair(e, e));
}
size_t end1 = clock();
cout << end1 - begin1 << endl;
}
void Testtime()
{
const int n = 1000000;
vector<int> v;
v.reserve(n);
srand(time(0));
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
v.push_back(rand());
}
AVLTree<int, int> avltree;
size_t begin1 = clock();
for (auto e : v)
{
avltree.Insert(make_pair(e, e));
}
size_t end1 = clock();
cout << end1 - begin1 << endl;
}
可以看到相同的100w个数据,红黑树189,AVL树176,他们之间差距并不是很大
三.整体代码
1.RBTree.h
#pragma once
enum Colour
{
BLACK,
RED,
};
template<class K,class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode* _left;
RBTreeNode* _right;
RBTreeNode* _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)
{
//按照搜索树的规则插入
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);
if (parent->_kv.first < kv.first)
{
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
//新增节点红的
cur->_col = RED;
while (parent && parent->_col == RED)
{
//红黑树的关键看叔叔
Node* grandfather = parent->_parent;
if (grandfather->_left == parent)
{
Node* uncle = grandfather->_right;
//情况一:uncle存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续向上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
//情况二或情况三:uncle不存在或者uncle存在且为黑
else
{
//情况三:双旋->变为单旋
if (cur == parent->_right)
{
RotateL(parent);
swap(parent, cur);
}
//第二种情况(有可能为第三种情况变化而来)
RotateR(grandfather);
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
break;
}
}
else
{
Node* uncle = grandfather->_left;
//情况一:uncle存在且为红
if (uncle && uncle->_col == RED)
{
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续向上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
//情况二或情况三:uncle不存在或者uncle存在且为黑
else
{
//情况三:双旋->变为单旋
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(parent);
swap(parent, cur);
}
//第二种情况(有可能为第三种情况变化而来)
RotateL(grandfather);
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
break;
}
}
}
_root->_col = BLACK;
return true;
}
//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
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;
//原来parent为根,现在subR为根
//parent为树的子树,sunR替代parent
if (_root == parent)
{
_root = subR;
subR->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
ppNode->_left = subR;
else
ppNode->_right = subR;
subR->_parent = ppNode;
}
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
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 (_root == parent)
{
_root = subL;
subL->_parent = nullptr;
}
else
{
if (ppNode->_left == parent)
ppNode->_left = subL;
else
ppNode->_right = subL;
subL->_parent = ppNode;
}
}
void _InOrder(Node* root)
{
if (root == nullptr)
return;
_InOrder(root->_left);
cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
_InOrder(root->_right);
}
void InOrder()
{
_InOrder(_root);
}
bool IsValidRBTree()
{
Node* pRoot = _root;
// 空树也是红黑树
if (nullptr == pRoot)
return true;
// 检测根节点是否满足情况
if (BLACK != pRoot->_col)
{
cout << "违反红黑树性质：根节点必须为黑色" << endl;
return false;
}
// 获取任意一条路径中黑色节点的个数
size_t blackCount = 0;
Node* pCur = pRoot;
while (pCur)
{
if (BLACK == pCur->_col)
blackCount++;
pCur = pCur->_left;
}
// 检测是否满足红黑树的性质，k用来记录路径中黑色节点的个数
size_t k = 0;
return _IsValidRBTree(pRoot, k, blackCount);
}
bool _IsValidRBTree(Node* pRoot, size_t k, const size_t blackCount)
{
//走到null之后，判断k和black是否相等
if (nullptr == pRoot)
{
if (k != blackCount)
{
cout << "违反性质：每条路径中黑色节点的个数必须相同" << endl;
return false;
}
return true;
}
// 统计黑色节点的个数
if (BLACK == pRoot->_col)
k++;
// 检测当前节点与其双亲是否都为红色
Node* pParent = pRoot->_parent;
if (pParent && RED == pParent->_col && RED == pRoot->_col)
{
cout << "违反性质：没有连在一起的红色节点" << endl;
return false;
}
return _IsValidRBTree(pRoot->_left, k, blackCount) &&
_IsValidRBTree(pRoot->_right, k, blackCount);
}
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 nullptr;
}
private:
Node* _root = nullptr;
};
void TestRBTree()
{
int a[] = { 4,5,7,8,1,2,3,9,10 };
RBTree<int, int> r;
for (auto e : a)
{
r.Insert(make_pair(e, e));
}
r.InOrder();
cout << r.IsValidRBTree() << endl;
}
void Testtime()
{
const int n = 1000000;
vector<int> v;
v.reserve(n);
srand(time(0));
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
v.push_back(rand());
}
RBTree<int, int> rbtree;
size_t begin1 = clock();
for (auto e : v)
{
rbtree.Insert(make_pair(e, e));
}
size_t end1 = clock();
cout << end1 - begin1 << endl;
}2.RBTree.cpp
#include<iostream>
#include<vector>
#include<time.h>
using namespace std;
#include"RBTree.h"
int main()
{
TestRBTree();
Testtime();
return 0;
}原文地址：https://blog.csdn.net/w200514/article/details/143832677
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