数据结构---红黑树
来源:互联网 发布:刘国梁下海经商 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/06/10 15:48
定义:
红黑树本质上是一棵二叉查找树,但在二叉查找树的基础上,每个节点增加了一位存储来表示节点的颜色。有关二叉查找树的介绍在前面博文《二叉查找树》已经介绍过了,这里不再进行讲解。
红黑树的性质:
- 每个节点或是红色的,或是黑色的。
- 根节点是黑色的。
- 每个叶节点(NULL)是黑色的。
- 如果一个节点是红色的,则它的两个孩子节点都是黑色的。
- 对每个节点,从该节点到其所有后代叶节点的简单路径上,均包含相同数目的黑色节点。
红黑树的结构图:
旋转
当对红黑树进行插入和删除操作时,会违背红黑树的性质,为了维护这些性质,必须要改变树中某些节点的颜色以及指针结构。指针结构的修改时通过旋转来完成的,这是一种能保持二叉查找树性质的查找树局部操作。
左旋转:
当在某个节点x上做左旋转操作时,假设它的右孩子为y而不是NULL,左旋转以x到y的链为“支轴”进行。它使y成为该子树的新的根节点,x成为y的左孩子,y的左孩子成为x的右孩子。
- LEFT_ROTATE(T,x)
- y = right[x] //获取右孩子
- rihgt[x] = left[y] //设置x的右孩子为y的左孩子
- if left[y] != NIL
- then parent[left[y]] = x
- parent[y] = parent[x] //设置y的父节点为x的父节点
- if parent[x] == NIL
- then root[T] = y
- else if x==left[parent[x]
- then left[parent[x]] = y
- else right[[parent[x]] = y
- left[y] = x //设置y的左孩子为x
- parent[x] =y
右旋转:
右旋转与左旋转的描述差不多,具体见下面结构图
- RIGHT_ROTATE(T,y)
- x = left[y] //获取左孩子
- left[y] = right[x] //设置y的左孩子为x的右孩子
- if right[x] != NIL
- then parent[right[x]] = y
- parent[x] = parent[y] //设为x的父节点为y的父结点
- if parent[y] == NIL
- then root = x
- else if y== left[parent[y]]
- then left[parent[y]] = x
- else right[parent[y]] = x
- right[x] = y //设置x的右孩子为y
- parent[y] = x
插入操作:
红黑树的插入操作类似于二叉查找树的插入操作,只是在它的基础上进行改进,先把节点按照二叉查找树的插入方法进行插入,再把该插入的节点标记为红色(为了满足性质5),为了保证插入节点后能够维持红黑树的性质,我们必须调用一个辅助程序RB_INSERT_FIXUP来对结点重新着色并旋转,使得满足红黑树的性质。
- RB_INSERT(T,z)
- y = NIL
- x =root(T)
- while x != NIL
- do y=x
- if key[z]<key[x]
- then x=left[x]
- else x=right[x]
- parent[z] = y
- if y =NIL
- then root =z
- else if key[z] < key[y]
- then left[y] =z
- else right[y] =z
- left[z] = NIL
- right[z] =NIL
- color[z] = RED //新插入结点标记为红色
- RB_INSERT_FIXUP(T,z) //进行调整,使得满足红黑树性质
插入节点后,如果会破坏红黑树的性质时,只能破坏性质2或者性质4,其他性质不会被破坏。若破坏了性质2,则新插入的节点必定为根节点,此时只需修改该节点的颜色即可。
因为在插入新结点z之前,红黑树的性质没有被破坏。若插入结点z后违反性质4,必定是因为z和其父亲结点parent[z]都是红色的。假设新插入结点z,导致红黑树性质4被破坏,此时z和其父节点parent[z]都是红色,由于在插入结点z之前红黑树的性质没有被破坏,parent[z]是红色,很容易推出z的祖父结点parent[parent[z]]必定是黑色。此时根据parent[z]是parent[parent[z]]的左孩子还是右孩子进行讨论。因为左右之间是对称的,这里只给出了parent[z]作为parent[parent[z]]的左孩子进行讨论的,然后给出了三种可能的情况。
情况1:z的叔叔节点y是红色的
此时parent[z]和y都是红色的,解决办法是将z的父节点parent[z]和叔叔结点y都着为黑色,而将z的祖父结点parent[parent[z]]着为红色,然后从祖父结点parent[parent[z]]继续向上判断是否破坏红黑树的性质。
情况2:z的叔叔节点y是黑色且z是一个右孩子
情况3:z的叔叔节点y是黑色且z是一个左孩子
情况2和情况3中y都是黑色的,通过z是parent[z]的左孩子还是右孩子进行区分的。情况2中z是右孩子,可以在parent[z]结点将情况2通过左旋转为情况3,使得z变为左孩子。无论是间接还是直接的通过情况2进入到情况3,z的叔叔y总是黑色的。在情况3中,将parent[z]着为黑色,parent[parent[z]]着为红色,然后从parent[parent[z]]处进行一次右旋转。情况2、3修正了对性质4的违反,修正过程不会导致其他的红黑性质被破坏。
- RB_INSERT_FIXUP(T,z)
- while color[parent[z]] = RED
- do if parent[z] == left[parent[parent[z]]]
- then y = right[parent[parent[z]]]
- //情况1,z的叔叔为红色
- if color[y] == RED
- then color[parent[z]] = BLACK //case 1
- color[y] = BLACK //case 1
- color[parent[parent[z]]=RED //case 1
- z= parent[parent[z]] //case 1
- //情况2,z的叔叔为黑色,z为右孩子
- else if z == right[parent[z]] //case 2
- then z = parent[z] //case 2
- LEFT_ROTATE(T,z)
- //情况3,z的叔叔为黑色,z为左孩子
- color[parent[z]]=BLACK //case 3
- color[parent[parent[z]] = RED //case 3
- RIGHT_ROTATE(T, parent[parent[z]])//case 3
- else (same as then clause with “right” and “left” exchanged)
- color(root(T)) = BLACK; //将根结点设置为黑色
删除操作:
红黑树的删除操作是在二叉查找树删除的基础上进行改进,主要是因为删除节点时可能会破坏红黑树的性质。如果被删除的节点y是红色的,则删除后不会破坏红黑树的性质,既不需要修改。原因如下:
- 树中的黑高没有变化
- 不存在两个相邻的红节点
- 如果y是红色,就不可能是根节点,所以根节点仍然是黑色
如果被删除的节点y是黑色,则会破坏红黑树的性质,具体破坏了哪些性质我们进行讨论:
- 如果y是原来的根节点,而y的一个红色的孩子节点成为了新的根节点,这就违背了性质2。
- 如果x和parent[y](此时parent[x] = parent[y])都是红色,就违反了性质4。
- 删除y将会导致先前包含y的任何路径上黑结点个数减少1,违反了性质5。改正这一问题的方法是将现在占有y原来位置的节点x视为还有一重额外的黑色。即将任意包含结点x的路径上黑结点个数加1,这样可以保证性质5成立。
- 当将黑色结点y被删除时,将其黑色“下推”至其子结点,导致问题变成为结点x可能即不是红,又不是黑,从而违反性质1。因为给x增加了一种颜色,即结点x是双重黑色或者是红黑色。这样就分别给包含x的路径上黑结点个数贡献2个或1个。但是x的color属性仍然是RED(如果x是红黑的)或BLACK(如果x是双重黑色)。换而言之,一个结点额外的黑色反映在x指向它,而不是它的color属性。
- RB_TRANSPLANT(T,u,v)
- 1 if u.p == T.nil
- 2 T.root = v
- 3 elseif u == u.p.left
- 4 u.p.left = v
- 5 else u.p.right = v
- 6 v.p = u.p
- RB_DELETE(T,z)
- 1 y = z
- 2 y_original.color = y.color
- 3 if z.left == T.nil
- 4 x = z.right
- 5 RB_TRANSPLANT(T,z,z.right)
- 6 else if z.right == T.nil
- 7 x - z.left
- 8 RB_TRANSPLANT(T,z,z.left)
- 9 else y = TREE_MINIMUN(z.right)
- 10 y_original.color = y.color
- 11 x = y.right
- 12 if y.p == z
- 13 x.p = y
- 14 else RB_TRANSPLANT(T,y,y.right)
- 15 y.right = z.right
- 16 y.right.p = y
- 17 RB_TRANSPLANT(T,z,y)
- 18 y.left = z.left
- 19 y.left.p = y
- 20 y.color = z.color
- 21 if y_original.color == BLACK
- 22 RB_DELETE_FIXUP(T,x)
或者
- RB_DELETE(T,z)
- if left[z] ==NIL or right[z] == NIL
- then y=z
- else y=TREE_SUCCESSOR(z)
- if left[y] != NIL
- then x=left[y]
- else x=right[y]
- parent[x] = parent[y]
- if p[y] ==NIL
- then root[T] =x
- else if y = left[[prarnt[y]]
- then left[parent[y]] = x
- else right[parent[y]] =x
- if y!=z
- then key[z] = key[y]
- copy y's data into z
- if color[y] == BLACK //当被删除结点为黑色时候进行调整
- then RB_DELETE_FIXUP(T,x)
- return y
过程RB_DELETE_FIXUP恢复性质1,2,4。对于恢复性质2、4很简单,因为x是红色,所有直接将x结点着为黑色即可。这里着重介绍了如何恢复性质1。此时x是黑色,需要根据x是左孩子还是右孩子两种情况进行恢复,因为左右是对称的,这里只给出了x是左孩子的恢复过程。将x作为第一个额外的黑色结点,从x结点开始循环,将额外的黑色结点沿着树向上移,直到:
- x指向红黑节点,将x着为单黑色
- x指向根节点,此时移除额外的黑色
- 执行适当的旋转和重新着色,退出循环
在循环过程中,x总是指向一个具有双重黑色的非根结点。设w是x的兄弟结点,因为x是双重黑色的,故w不可能是NIL。
- RB_DELETE_FIXUP(T,x)
- 1 while x!= root[T] and color[x] ==BLACK
- 2 do if x == left[parent[x]]
- 3 then w = right[parent[x]]
- 4 if color[w] == RED
- 5 then color[w] = BLACK //case 1
- 6 color[parent[x]] = RED //case 1
- 7 LEFT_ROTATE(T,PARENT[x]) //case 1
- 8 w = right[parent[x]] //case 1
- 9 if color[left[w]] == BLACK and color[right[w]] = BLACK
- 10 then color[w] = RED //case 2
- 11 x = parent[x] //case 2
- 12 else if color[right[w]] =BLACK
- 13 then color[left[w]] = BLACK //case 3
- 14 color[w] = RED //case 3
- 15 RIGHT_ROTATE(T,w) //case 3
- 16 w = right[parent[x]] //case 3
- 17 color[w] = color[parent[x]] //case 4
- 18 color[parent[x]] = BLACK //case 4
- 19 color[right[w]] = BLACK //case 4
- 20 LEFT_ROTATE(T,parent[x]) //case 4
- 21 x=root(T) //case 4
- 22 else(same as then clasue with “right” and “left” exchanged)
- 23 color[x]=BLACK
情况1:x的兄弟节点w是红色的。
因为w必须有黑色子节点,所以改变w及parent[x]的颜色,并对parent[x]做一次左旋转。现在x的新兄弟节点是旋转之前w的某个子节点,其颜色为黑色。这样情况1转换为情况2、3或4处理。
- 4 if color[w] == RED
- 5 then color[w] = BLACK //case 1
- 6 color[parent[x]] = RED //case 1
- 7 LEFT_ROTATE(T,PARENT[x]) //case 1
- 8 w = right[parent[x]] //case 1
情况2:x的兄弟节点w是黑色的,而且w的两个子节点都是黑色的。
因为w是黑色的,所以从x和w上去掉一重黑色,使得x只有一重黑色,而w为红色,为了补偿从x和w上去掉的一重黑色,在原来是红色或黑色的parent[x]上新增一重额外的黑色,通过将parent[x]作为新节点x来重复while循环。
- 9 if color[left[w]] == BLACK and color[right[w]] = BLACK
- 10 then color[w] = RED //case 2
- 11 x = parent[x] //case 2
情况3:x的兄弟节点w是黑色的,w的左孩子节点是红色的,右孩子节点是黑色的。
可以交换w和其左孩子left[w]的颜色,然后对w进行右旋转。现在x的新兄弟节点w是一个有着红色右孩子的黑色节点,这样将情况3转换为情况4。
- 12 else if color[right[w]] =BLACK
- 13 then color[left[w]] = BLACK //case 3
- 14 color[w] = RED //case 3
- 15 RIGHT_ROTATE(T,w) //case 3
- 16 w = right[parent[x]] //case 3
情况4:x的兄弟节点w是黑色的,且w的右孩子节点是红色的。
将w颜色设置为parent[x]的颜色,parent[x]设置为黑色,w的右孩子right[w]设置为黑色,并对parent[x]做一次右旋转,最后把root设置为x。
- 17 color[w] = color[parent[x]] //case 4
- 18 color[parent[x]] = BLACK //case 4
- 19 color[right[w]] = BLACK //case 4
- 20 LEFT_ROTATE(T,parent[x]) //case 4
- 21 x=root(T) //case 4
参考:http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/01/30/2882773.html
https://github.com/julycoding/The-Art-Of-Programming-By-July/blob/master/ebook/zh/03.01.md
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