【C/C++】紅黑樹學習筆記

文章目錄

  • 紅黑樹
    • 1 基本概念
      • 1.1 定義
      • 1.2 基本特性推理
      • 1.3 對比
      • 1.4 延伸
        • 1.4.1 簡單判別是否是紅黑樹
        • 1.4.2 應用
    • 2 插入
      • 2.1 插入結點默認紅色
      • 2.2 插入結點
        • 2.2.1 插入結點是根結點
        • 2.2.2 插入結點的叔叔是紅色
        • 2.2.3 插入結點的叔叔是黑色
          • 場景分析
            • LL型
            • RR型
            • LR型
            • RL型
    • 3 構建
    • 4 示例代碼

紅黑樹

1 基本概念

1.1 定義

紅黑樹首先是二叉搜索樹(左<根<右);
基本性質:

  1. 結點非紅即黑;
  2. 根/葉子都是黑;
  3. 任意節點向下的所有路徑上存在黑結點數量一致;
  4. 紅結點下不能直連紅結點;

1.2 基本特性推理

  • 最長路徑不超過最短路徑的兩倍;

1.3 對比

與AVL樹對比:

AVLRB
高度任一結點左右子樹的高度差絕對值不超過1任一結點左右子樹的高度差不超過兩倍
查詢效率(相對)稍高 O(lg n)稍低 O(lg n)
插入/刪除效率(相對)

1.4 延伸

1.4.1 簡單判別是否是紅黑樹
1
4
10
13
17
19
25
28
31
  • 答案:否
    • 如果添加NIL結點,發現某一結點下路徑的黑結點數量并不相同
1.4.2 應用
  • c++ stl中的map/set 是基于紅黑樹實現的

2 插入

2.1 插入結點默認紅色

  • 如果默認黑色,首先就會破壞黑高同原則,調整相對比較麻煩;
  • 默認紅色,可能破壞不紅紅原則或根為黑原則,調整相對容易;

2.2 插入結點

如果紅黑樹性質被破壞,分三種情況調整:

2.2.1 插入結點是根結點
  • 違反根為黑原則
  • 調整方案:直接變黑
2.2.2 插入結點的叔叔是紅色

示例1:插入結點1

1
5
7
8

調整方案:

  • father 和 uncle 變紅,grandpather 變黑
  • grandfather變為插入結點,繼續判斷是否違反原則
1
5
7
8
2.2.3 插入結點的叔叔是黑色

示例:插入結點1

1
5
7
該情況下,uncle可能直觀上不存在,但是紅黑樹默認有NIL結點,是黑的

調整方案:

  • 根據不同場景(LL/LR/RR/RL)進行旋轉,然后變色
場景分析
LL型
1
5
7
NULL

step 1:基于grandfather右旋

1
5
7

step 2:變色

1
5
7
RR型

在這里插入圖片描述

step 1:基于grandfather進行左旋
在這里插入圖片描述
step 2:變色
在這里插入圖片描述

LR型

在這里插入圖片描述
調整方案:
在這里插入圖片描述

RL型

在這里插入圖片描述
調整方案:
在這里插入圖片描述

3 構建

按照二叉搜索樹規則,依次插入結點,并根據插入規則進行調整

4 示例代碼

根據算法導論偽代碼實現:

#pragma once#include <iostream>
#include <functional>enum Color {RED, BLACK};struct RBNode {int key;Color color;RBNode *left;RBNode *right;RBNode *parent;
};class RBTree {
private:RBNode *root;RBNode *NIL;void LeftRotate(RBNode *x) {RBNode *y = x->right;x->right = y->left;if (x->right != NIL) {x->right->parent = x;}y->parent = x->parent;if (x->parent == NIL) {root = y;} else if (x == x->parent->left) {x->parent->left = y;} else {x->parent->right = y;}x->parent = y;y->left = x;}void RightRotate(RBNode *y) {RBNode *x = y->left;y->left = x->right;if (y->left != NIL) {y->left->parent = y;}x->parent = y->parent;if (y->parent == NIL) {root = x;} else if (y->parent->left = y) {y->parent->left = x;} else {y->parent->right = x;}y->parent = x;x->right = y;}void InsertFixup(RBNode *z) {while (z->parent->color == RED) {if (z->parent == z->parent->parent->left) {RBNode *y = z->parent->parent->right;if (y->color == RED) {z->parent->color = BLACK;y->color = BLACK;z->parent->parent->color = RED;z = z->parent->parent;} else {if (z == z->parent->right) {z = z->parent;LeftRotate(z);}z->parent->color = BLACK;z->parent->parent->color = RED;RightRotate(z->parent->parent);}} else {RBNode *y = z->parent->parent->left;if (y->color == RED) {z->parent->color = BLACK;y->color = BLACK;z->parent->parent->color = RED;z = z->parent->parent;} else {if (z == z->parent->left) {z = z->parent;RightRotate(z);}z->parent->color = BLACK;z->parent->parent->color = RED;LeftRotate(z->parent->parent);}}}root->color = BLACK;}void Transplant(RBNode *u, RBNode *v) {if (u->parent == NIL) {root = v;} else if (u == u->parent->left) {u->parent->left = v;} else {u->parent->right = v;}v->parent = u->parent; // if v is nullptr or NIL}void DeleteFixup(RBNode *x) {while (x != root && x->color == BLACK) {if (x == x->parent->left) {RBNode *w = x->parent->right;if (w->color == RED) {w->color = BLACK;x->parent->color = RED;LeftRotate(x->parent);w = x->parent->right;}if (w->left->color == BLACK && w->right->color == BLACK) {w->color = RED;x = x->parent;} else {if (w->right->color == BLACK) {w->left->color = BLACK;w->color = RED;RightRotate(w);w = x->parent->right;}w->color = x->parent->color;x->parent->color = BLACK;w->right->color = BLACK;LeftRotate(x->parent);x = root;}} else {RBNode *w = x->parent->left;if (w->color == RED) {w->color = BLACK;x->parent->color = RED;RightRotate(x->parent);w = x->parent->left;}if (w->right->color == BLACK && w->left->color == BLACK) {w->color = RED;x = x->parent;} else {if (w->left->color == BLACK) {w->right->color = BLACK;w->color = RED;LeftRotate(w);w = x->parent->left;}w->color = x->parent->color;x->parent->color = BLACK;w->left->color = BLACK;RightRotate(x->parent);x = root;}}}x->color = BLACK;}RBNode* Minimum(RBNode *node) {while (node->left != NIL) {node = node->left;}return node;}public:RBTree() {NIL = new RBNode{0, BLACK, nullptr, nullptr, nullptr};root = NIL;}~RBTree() {std::function<void(RBNode *)> deleteNode = [&](RBNode *node) {if (node != NIL) {deleteNode(node->left);deleteNode(node->right);delete node;}};deleteNode(root);delete NIL;}void Insert(int key) {RBNode *z = new RBNode{key, RED, NIL, NIL};RBNode *y = NIL;RBNode *x = root;while (x != NIL) {y = x;if (z->key < x->key) {x = x->left;} else {x = x->right;}}z->parent = y;if (y == NIL) {root = z;} else if (z->key < y->key) {y->left = z;} else {y->right = z;}InsertFixup(z);}void Remove(int key) {RBNode *z = root;while (z != NIL && z->key != key) {if (key < z->key) {z = z->left;} else {z = z->right;}}if (z == NIL) {return;}RBNode *y = z;RBNode *x;Color yOriColor = y->color;if (z->left == NIL) {x = z->right;Transplant(z, z->right);} else if (z->right == NIL) {x = z->left;Transplant(z, z->left);} else {y = Minimum(z->right);yOriColor = y->color;x = y->right;if (y->parent == z) {x->parent = y;} else {Transplant(y, y->right);y->right = z->right;y->right->parent = y;}Transplant(z, y);y->left = z->left;y->left->parent = y;y->color = z->color;}delete z;if (yOriColor == BLACK) {DeleteFixup(x);}}void Inorder() {InorderHelper(root);std::cout << std::endl;}void InorderHelper(RBNode* node) {if (node != NIL) {InorderHelper(node->left);std::cout << node->key << " (" << (node->color == RED ? "R)" : "B)") << " ";InorderHelper(node->right);}}
};

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