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苏州推广关键词优化_企业标准化建设_深圳海外推广_淘宝流量平台

2025/2/26 7:32:41 来源:https://blog.csdn.net/2301_80655639/article/details/142906797  浏览:    关键词:苏州推广关键词优化_企业标准化建设_深圳海外推广_淘宝流量平台
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红黑树的概念

红黑树也是一颗搜索二叉树,它每个节点的颜色不是红色就是黑色,所以叫做红黑树

C++:二叉搜索树-CSDN博客

它可以确保没有一条路径比其他路径长出2倍,因此它接近平衡

红黑树的规则

  1. 每个节点不是红色就是黑色
  2. 根节点是黑色
  3. 如果⼀个结点是红色的,则它的两个孩⼦结点必须是⿊色的,也就是说任意⼀条路径不会有连续的红色结点
  4. 对于任意一个节点,该节点到NULL节点的路径上均包含相同数量的黑色节点

根据红黑树的规则,它之所以能做到没有一条路径比其他路径长出2倍是因为规则3和4

最短的节点路径上的颜色就是全黑,而相对最长的路径就是全部一黑一红,所以最长只能是两倍

红黑树和AVL树相比,红黑树的整体高度会偏高一些,但是由于它的特性,它旋转的次数会相较于AVL树的旋转次数少,并且它们的高度差也只差很小的常数,这高度差对于CPU的运行速度来讲都没有区别,所以红黑树的效率也是极高的

红黑树的实现

红黑树的结构

enum Colour
{RED,BLACK
};template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{pair<K, V> _kv;RBTreeNode<K, V>* _left;RBTreeNode<K, V>* _right;RBTreeNode<K, V>* _parent;Colour _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv), _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr){}
};template<class K, class V>
class RBTree
{typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
private:Node* _root = nullptr;
};

首先用了一个枚举的类型枚举了红色和黑色两种颜色,当然也可以使用数字来表示

这种枚举好处在于在调试的时候是可以直观的看见RED和BLACK的,而不是数字等

红黑树的节点和AVL树一样都需要三叉链,值用pair来存储

红黑树类里面只需要一个root节点的指针即可

红黑树的插入 

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);cur->_col = RED;if (parent->_kv.first < kv.first){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandfather = parent->_parent;if (grandfather->_left == parent){Node* uncle = grandfather->_right;if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_left){RotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{RotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;parent->_col = grandfather->_col = RED; // 1}break;}}else{Node* uncle = grandfather->_left;if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_right){RotateL(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{RotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;parent->_col = grandfather->_col = RED; // 1}break;}}}// 确保根节点颜色是黑色_root->_col = BLACK;return true;
}

前面的插入逻辑和搜索二叉树、AVL树的插入逻辑都一样,毕竟它们都是同一个规则

只需要注意的是插入的如果是根节点,则需要插入的是黑色的节点(红黑树的规则)

其余的只需要插入红色的节点即可

为什么插入的新节点是红色节点而不是黑色节点

根据红黑树的四个规则

  1. 每个节点不是红色就是黑色
  2. 根节点是黑色
  3. 如果⼀个结点是红色的,则它的两个孩⼦结点必须是⿊色的,也就是说任意⼀条路径不会有连续的红色结点
  4. 对于任意一个节点,该节点到NULL节点的路径上均包含相同数量的黑色节点
如果我们插入的是红色节点,那么我们需要注意的是规则3,不能有相邻的红色节点
如果我们插入的是黑色节点,那么我们需要注意的是规则4,每条路径需要有相同数量的黑色节点
从调整的方向来看,我们即使违反了规则3那也只是一小部分的红黑树规则遭到破坏
但如果我们违反的是规则4的话,每一条路径都会需要调整
所以我们插入的是红色节点

下面大多的代码就是维护红黑树的结构

因为我们插入的是红色节点,所以我们只需要判断它的parent节点的颜色是否为红色

当parent节点在grandparent节点的左边时

若uncle节点也为红色,我们可以把grandparent节点变红,parent和uncle节点变黑,这样我们的规则3的问题就解决了,规则4也没有触犯到

我们这个语句是需要循环往上执行的,因为当我们把grandfather变红后,保不齐它的father就是红色,这样又会违反规则3,所以我们需要循环处理

 

若uncle不如我们所料,那我们就需要旋转处理了

若是cur在parent的左边上图所示的情况,无论我们怎么改变颜色都解决不了问题,这时候我们就需要引入AVL中写过的旋转来解决

只需要对grandfather进行右旋+变色即可

旋转完后需要注意颜色不能违反规则,让parent变成黑色(它有可能是根节点),grandfather和cur变成红色即可

若是cur在parent的右边如上图所示,这样我们只进行单旋是解决不了问题的,很明显p和c偏向右,需要左单选,而从整体的g看来是需要右单旋的,这时候就只需要双旋+变色即可

先对p左单旋,解决它偏向右的问题,然后再对g右单旋,这时候整体就平衡了

这时候只需要和上面一样调整变色即可

 

剩下下面的代码的逻辑完全和上面的一样

 

和上面的区别就是上面的parent是在grandparent的左边,而下面的parent是在grandparent的右边,只有方向上面的区别

最后需要确保根节点的颜色是黑色,因为我们在调整的过程中可能会无意中把根节点的颜色变成红色,在各个 if 语句中解决起来相对麻烦一些,所以我们在最后修改root的颜色为黑色就解决了

 

红黑树的查找

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;
}

 查找逻辑和搜索二叉树一致,搜索效率为O(logN)

红黑树的验证

bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum)
{if (root == nullptr){if (blackNum != refNum){cout << "存在黑色结点的数量不相等的路径" << endl;return false;}return true;}if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED){cout << root->_kv.first << "存在连续的红色结点" << endlC;return false;}if (root->_col == BLACK){blackNum++;}return Check(root->_left, blackNum, refNum) && Check(root->_right, blackNum, refNum);
}bool IsBalance()
{if (_root == nullptr)return true;if (_root->_col == RED)return false;int refNum = 0;Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_col == BLACK)refNum++;cur = cur->_left;}return Check(_root, 0, refNum);
}

Check函数的第一个参数为根节点,第二个参数需要记录黑色节点的数量,第三个参数为黑色节点的其中一个参考值

这里的参考值是在IsBalance中传递的,这个参考值是随机选取一条路径记录黑色节点的数量,接着用这个参考值在Check函数中检查每一条路径的黑色节点与之对比,若不相等则说明存在黑色节点的数量不相等的路径

判断连续相同的红色节点

如果我们从parent来判断它的左右孩子是否为红色就比较麻烦

我们可以直接判断若当前节点颜色为红色,并且它的parent也为红色,则说明存在连续的红色节点

完整代码

#pragma onceenum Colour
{RED,BLACK
};template<class K, class V>
struct RBTreeNode
{pair<K, V> _kv;RBTreeNode<K, V>* _left;RBTreeNode<K, V>* _right;RBTreeNode<K, V>* _parent;Colour _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv), _left(nullptr), _right(nullptr), _parent(nullptr){}
};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);cur->_col = RED;if (parent->_kv.first < kv.first){parent->_right = cur;}else{parent->_left = cur;}cur->_parent = parent;while (parent && parent->_col == RED){Node* grandfather = parent->_parent;if (grandfather->_left == parent){Node* uncle = grandfather->_right;if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_left){RotateR(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{RotateL(parent);RotateR(grandfather);cur->_col = BLACK;parent->_col = grandfather->_col = RED;}break;}}else{Node* uncle = grandfather->_left;if (uncle && uncle->_col == RED){// 变色parent->_col = uncle->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;// 继续向上处理cur = grandfather;parent = cur->_parent;}else{if (cur == parent->_right){RotateL(grandfather);parent->_col = BLACK;grandfather->_col = RED;}else{RotateR(parent);RotateL(grandfather);cur->_col = BLACK;parent->_col = grandfather->_col = RED;}break;}}}// 确保根节点颜色是黑色_root->_col = BLACK;return true;}void RotateR(Node* parent){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 (parent == _root){_root = subL;subL->_parent = nullptr;}else{if (parentParent->_left == parent){parentParent->_left = subL;}else{parentParent->_right = subL;}subL->_parent = parentParent;}}void RotateL(Node* parent){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 InOrder(){_InOrder(_root);cout << endl;}int Height(){return _Height(_root);}int Size(){return _Size(_root);}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;}bool IsBalance(){if (_root == nullptr)return true;if (_root->_col == RED)return false;int refNum = 0;Node* cur = _root;while (cur){if (cur->_col == BLACK)refNum++;cur = cur->_left;}return Check(_root, 0, refNum);}
private:bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum){if (root == nullptr){if (blackNum != refNum){cout << "存在黑色结点的数量不相等的路径" << endl;return false;}return true;}if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED){cout << root->_kv.first << "存在连续的红色结点" << endlC;return false;}if (root->_col == BLACK){blackNum++;}return Check(root->_left, blackNum, refNum) && Check(root->_right, blackNum, refNum);}void _InOrder(Node* root){if (root == nullptr){return;}_InOrder(root->_left);cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;_InOrder(root->_right);}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 _Size(Node* root){if (root == nullptr)return 0;return _Size(root->_left) + _Size(root->_right) + 1;}private:Node* _root = nullptr;
};

完 

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