第三章 3.3平衡二叉树

来源:互联网 发布:sql cursor用法 编辑:程序博客网 时间:2024/06/04 23:29
在本节中,我们会介绍一种二分查找树并能保证无论如何构造它,它的运行时间都是对数级别的。在理想情况下,我们希望能保持二分查找树的平衡性。在一棵含有N个结点的树中,我们希望树的高位~lgN,这样我们能保证所有查找都能在~lgN次比较内结束,就像二分查找一样。
      
3.3.1 2-3 查找树
       
定义
一棵2 3 查找树或为一棵空树,有以下结点组成:
  • 2-结点,含有一个键和两条链接,左链接指向的2-3树中的键都小于该结点,右链接指向的2-3树中的键都大于该结点。
  • 3-结点,含有两个键和三条链接,左链接指向的2-3树中的键都小于该结点,中链接指向的2-3树中的键都位于该结点的两个键之间,右链接指向的键都大于该结点。
  • 和以前一样指向空树的链接为空链接
一棵完美平衡的2-3查找树中的所有空链接到根结点的距离都是相同的。

3.3.1.1 查找
将二叉查找树的查找算法一般化就是2-3树的查找算法。

3.3.1.2 构造平衡二叉树
现将结点从根结点处比较,从上到下,一直到空链接处,然后将键插入结点,如果结点为4-结点,则将中间键依次向上传递,然后分裂结点,直到二叉树平衡为止。


3.3.2 红黑二叉查找树

对于2-3树的插入算法并不难理解,我们要学习一种名为红黑二叉查找树的简单数据结构来表达实现它

3.3.2.1 替换3-结点

红黑二叉查找树背后的基本思想是用标准的二叉查找树(完全由2-结点组成)和一些额外的信息(替换3-结点)来表示2-3树。我们将树中的链接分为两种类型:红链接将两个2-结点链接起来构成一个3-结点,黑链接则是2-3树中的普通链接。确切地说,我们将3-结点表示为由一条左斜的红色链接相连的两个2-结点,这种做法一个优点是,我们无需修改标准二叉树的get方法。

等价定义
红黑树的另一个等价定义是含有红黑链接并满足下列条件的二叉查找树:
  • 红链接均为左链接;
  • 没有任何一个结点同时和两条红链接相连;
  • 该树是完美黑色平衡的,即任意空链接到根结点的路径上的黑链接数量相同。
满足这样定义的红黑树和相应的2-3树是一一对应的。

3.3.2.3 一一对应
   
       如果将一棵红黑树中的红链接画平,那么所有的空链接到根结点的距离都将相同,如果我们将红色链接相连的结点合并,那就是一棵2-3树。相反,如果将2-3树中的3-结点画作由红色左链接相连的两个2-结点,那么不会存在能够和两条红色链接相连的结点。且树必然是完美黑色平衡的,因为黑链接即2-3树中的普通链接,根据定义这些链接必然是完美平衡的。无论我们选择用何种方式去定义它们,红黑树既是二叉查找树,也是2-3树。由此我们可以将两个算法的优点结合起来:二叉查找树中简洁高效的查找方法和2-3树中高效的平衡插入算法。

3.3.2.4 颜色表示

       因为每个结点都只有一条指向自己的链接,我们将链接的颜色保存在表示结点的Node数据类型的布尔变量color中,如果它的链接是红色,那么变量为true,黑色则为false。我们约定空链接为黑色。并且,我们定义了两个常量RED和BLACK来设置和测试这个变量。我们使用私有方法isRed()来测试一个结点和它的父结点之间的链接的颜色。当我们提到一个结点的颜色时,我们指的是指向该结点的链接的颜色。

3.3.2.5 旋转
      在我们实现的某些操作中可能会出现红色右链接或者两条连续的红链接,但在操作完成前这些情况都会被小心得旋转并修复。旋转操作会改变红链接的指向。首先,假设我们有一条红色的右链接需要被转化为左链接。这个操作叫做左旋转,它对应的方法接受一条指向红黑树中的某个结点的链接作为参数。假设被指向的结点的右链接是红色的,这个方法会对树进行必要调整并返回一个指向包含同一组键的子树且其左链接为红色的根结点的链接。 
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