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红黑树

时间:2024-09-01 10:23:39浏览次数:10  
标签:Node right parent pcur 红黑树 root left

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。

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)

红黑树节点的定义:

enum COLOUR
{
	BLACK,
	RED
};

template <class T, class U>
struct RBTNode
{
	pair<T, U> _kv;
	RBTNode<T, U>* _left;
	RBTNode<T, U>* _right;
	RBTNode<T, U>* _parent;
	COLOUR _col;

	RBTNode(const pair<T, U>& kv = pair<T, U>())
		:_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_kv(kv)
		,_parent(nullptr)
	{}
};

红黑树结构:


红黑树的插入操作:

首先定义四个重要的红黑树节点:g(grandfather)、p(parent)、u(uncle)、c(current)

c为红,p为红,g为黑,u存在且为红

情况一:

c是新增,abcde都是空

情况二:

c不是新增,c之前是黑色,cde是具有一个黑节点的红黑树

c为红,p为红,g为黑,u存在且为黑/u不存在

情况一:

c是新增,u不存在,abcde都是空

情况二:

c不是新增,c之前是黑色,u存在且为黑,a、b是一个红色节点,c是一个具有黑色节点的红黑树,d、e是空或有一个红节点

​​​​​​​


红黑树的验证:

  • 是否满足搜索二叉树
  • 是否满足红黑树
bool IsValidRBTree()
{
     PNode pRoot = GetRoot();
     // 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->_color)
     {
         cout << "违反红黑树性质二: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;
     PNode pCur = pRoot;
     while (pCur)
     {
         if (BLACK == pCur->_color)
         blackCount++;
         pCur = pCur->_pLeft;
     }
     // 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(PNode 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 << "违反性质四: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->_color)
         k++;
     // 检测当前节点与其双亲是否都为红色
     PNode pParent = pRoot->_pParent;
     if (pParent && RED == pParent->_color && RED == pRoot->_color)
     {
         cout << "违反性质三:没有连在一起的红色节点" << endl;
         return false;
     }
     return _IsValidRBTree(pRoot->_pLeft, k, blackCount) &&
     _IsValidRBTree(pRoot->_pRight, k, blackCount);
 }

红黑树的源码:

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
enum COLOUR
{
	BLACK,
	RED
};
template <class T, class U>
struct RBTNode
{
	pair<T, U> _kv;
	RBTNode<T, U>* _left;
	RBTNode<T, U>* _right;
	RBTNode<T, U>* _parent;
	COLOUR _col;

	RBTNode(const pair<T, U>& kv = pair<T, U>())
		:_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_kv(kv)
		,_parent(nullptr)
	{}
};

template<class T,class U>
struct RBTreeIterator
{
	typedef RBTNode<T, U> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, U> Self;

	Node* _node;

	RBTreeIterator(Node *node = Node())
		:_node(node)
		{}

	T& operator*()
	{
		return _node->_kv.first;
	}
	
	/*U& operator*()
	{
		return _node->_kv.second;
	}*/

	Self& operator++()
	{
		if (_node->_right)
		{
			// 右不为空,右子树最左节点就是中序下一个
			Node* leftMost = _node->_right;
			while (leftMost->_left)
			{
				leftMost = leftMost->_left;
			}

			_node = leftMost;
		}
		else
		{
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_right)
			{
				cur = parent;
				parent = cur->_parent;
			}

			_node = parent;
		}
		return *this;
	}

	bool operator==(const Self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}

	bool operator!=(const Self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}
};

template <class T, class U>
class RBTtree
{
	typedef RBTNode<T, U> Node;
	typedef RBTreeIterator<T, U> iterator;

public:
	RBTtree()
		:_root(nullptr)
	{}

	iterator begin()
	{
		Node* pcur = _root;
		while (pcur && pcur->_left)
		{
			pcur = pcur->_left;
		}
		return iterator(pcur);
	}

	iterator end()
	{
		return iterator(nullptr);
	}

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

		Node* parent = nullptr;
		Node* pcur = _root;

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

		pcur = new Node(key);
		pcur->_col = RED;
		if (parent->_kv.first > key.first)
		{
			parent->_left = pcur;
		}
		else if (parent->_kv.first < key.first)
		{
			parent->_right = pcur;
		}
		pcur->_parent = parent;
		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (parent == grandfather->_left)
			{
				
				Node* uncle = grandfather->_right;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;

					grandfather->_col = RED;
					pcur = grandfather;
					parent = pcur->_parent;
				}
				else
				{
					if (pcur == parent->_left)
					{
						RotateR(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						RotateL(parent);
						RotateR(grandfather);
						pcur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
			else
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				if (uncle && uncle->_col == RED)
				{
					parent->_col = BLACK;
					uncle->_col = BLACK;

					grandfather->_col = RED;
					pcur = grandfather;
					parent = pcur->_parent;
				}
				else
				{
					if (pcur == parent->_right)
					{
						RotateL(grandfather);
						parent->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else
					{
						RotateR(parent);
						RotateL(grandfather);
						pcur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					break;
				}
			}
		}
		_root->_col = BLACK;
		return true;
	}

	bool Find(const pair<T, U>& key)
	{
		Node* pcur = _root;
		while (pcur)
		{
			if (key.first < pcur->_kv.first)
			{
				pcur = pcur->_left;
			}
			else if (key.first > pcur->_kv.first)
			{
				pcur = pcur->_right;
			}
			else
			{
				return true;
			}
		}
		return false;
	}

	bool Inorder()
	{
		_Inorder(_root);
		return true;
	}

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

	int Size()
	{
		return _size(_root);
	}

	~RBTtree()
	{
		_BSTtree(_root);
		_root = nullptr;
	}

	RBTtree(const RBTtree<T, U>& b)
	{
		_root = _Copy(b._root);
	}

	RBTtree<T, U>&operator=(RBTtree<T, U> node)
	{
		std::swap(node._root, _root);
		return *this;
	}
private:
	void _Inorder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}
		_Inorder(root->_left);
		printf("%d ", root->_kv.first);
		_Inorder(root->_right);
	}

	void _BSTtree(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}
		_BSTtree(root->_left);
		_BSTtree(root->_right);
		delete root;
	}

	Node* _Copy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return nullptr;
		}
		Node* newroot = new Node(root->_kv);
		newroot->_left = _Copy(root->_left);
		newroot->_right = _Copy(root->_right);
		return newroot;
	}

	int _height(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return 0;
		}
		int left = _height(root->_left);
		int right = _height(root->_right);

		return left > right ? left + 1 : right + 1;
	}

	int _size(Node* root)
	{
		return root == nullptr ? 0 : _size(root->_left) + _size(root->_right) + 1;
	}

	void RotateL(Node* parent)
	{
		_rotateNum++;
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

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

		Node* parentParent = parent->_parent;

		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

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

			subR->_parent = parentParent;
		}
	}

	void  RotateR(Node* parent)
	{
		_rotateNum++;

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

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

		Node* parentParent = parent->_parent;

		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

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

			subL->_parent = parentParent;
		}

	}
	Node* _root = nullptr;
public:
		int _rotateNum = 0;
};

标签:Node,right,parent,pcur,红黑树,root,left
From: https://blog.csdn.net/2301_80239034/article/details/141680499

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