红黑树

红黑树的简介

R-B Tree，全称是Red-Black Tree，又称为“红黑树”，它一种特殊的二叉查找树。红黑树的每个节点上都有存储位表示节点的颜色，可以是红(Red)或黑(Black)。

红黑树的特性:

（1）每个节点或者是黑色，或者是红色。（2）根节点是黑色。（3）每个叶子节点（NIL）是黑色。 [注意：这里叶子节点，是指为空(NIL或NULL)的叶子节点！]（4）如果一个节点是红色的，则它的子节点必须是黑色的。（5）从一个节点到该节点的叶子节点的所有路径上包含相同数目的黑节点。注意：(01) 特性(3)中的叶子节点，是只为空(NIL或null)的节点。(02) 特性(5)，确保没有一条路径会比其他路径长出俩倍。因而，红黑树是相对是接近平衡的二叉树。

红黑树示意图如下：

红黑树的应用

红黑树的应用比较广泛，主要是用它来存储有序的数据，它的时间复杂度是O(lgn)，效率非常之高。例如，Java集合中的TreeSet,TreeMap，C++ STL中的set、map，以及Linux虚拟内存的管理，都是通过红黑树去实现的。

红黑树的插入

将一个节点插入到红黑树中，需要执行哪些步骤呢？首先，将红黑树当作一颗二叉查找树，将节点插入；然后，将节点着色为红色；最后，通过旋转和重新着色等方法来修正该树，使之重新成为一颗红黑树。详细描述如下：

第一步: 将红黑树当作一颗二叉查找树，将节点插入。
第二步：将插入的节点着色为”红色”。为什么着色成红色，而不是黑色呢？为什么呢？将插入的节点着色为红色，不会违背”特性(5)”！少违背一条特性，就意味着我们需要处理的情况越少．
第三步: 通过一系列的旋转或着色等操作，使之重新成为一颗红黑树。

第二步中，将插入节点着色为”红色”之后，不会违背”特性(5)”。那它到底会违背哪些特性呢？
对于”特性(1)”，显然不会违背了。因为我们已经将它涂成红色了。
对于”特性(2)”，显然也不会违背。在第一步中，我们是将红黑树当作二叉查找树，然后执行的插入操作。而根据二叉查找数的特点，插入操作不会改变根节点。所以，根节点仍然是黑色。
对于”特性(3)”，显然不会违背了。这里的叶子节点是指的空叶子节点，插入非空节点并不会对它们造成影响。
对于”特性(4)”，是有可能违背的！
那接下来，想办法使之”满足特性(4)”，就可以将树重新构造成红黑树了。

根据被插入节点的父节点的情况，可以将”当节点z被着色为红色节点，并插入二叉树”划分为三种情况来处理。
① 情况说明：被插入的节点是根节点。
处理方法：直接把此节点涂为黑色。
② 情况说明：被插入的节点的父节点是黑色。
处理方法：什么也不需要做。节点被插入后，仍然是红黑树。
③ 情况说明：被插入的节点的父节点是红色。
我们依据”叔叔节点的情况”，将这种情况进一步划分为3种情况(Case)。
(ｎ为当前结点，ｐ为父结点，ｕ为叔叔结点，ｇ为祖父结点)
Case1:叔叔是红色
处理策略：
(01) 将“父节点”设为黑色。
(02) 将“叔叔节点”设为黑色。
(03) 将“祖父节点”设为“红色”。
(04) 将“祖父节点”设为“当前节点”(红色节点)；即，之后继续对“当前节点”进行操作。
处理前：

处理后：

Case2:叔叔是黑色，且当前节点是右孩子
处理策略：
(01) 将“父节点”作为“新的当前节点”。
(02) 以“新的当前节点”为支点进行左旋。
处理前：

处理后：
Case３:叔叔是黑色，且当前节点是左孩子
处理策略:
(01) 将“父节点”设为“黑色”。
(02) 将“祖父节点”设为“红色”。
(03) 以“祖父节点”为支点进行右旋．

处理前：

处理后：
　

红黑树的删除

将红黑树内的某一个节点删除。需要执行的操作依次是：首先，将红黑树当作一颗二叉查找树，将该节点从二叉查找树中删除；然后，通过”旋转和重新着色”等一系列来修正该树，使之重新成为一棵红黑树。详细描述如下：
第一步：将红黑树当作一颗二叉查找树，将节点删除。
这和”删除常规二叉查找树中删除节点的方法是一样的”。分3种情况：
① 被删除节点没有儿子，即为叶节点。那么，直接将该节点删除就OK了。
② 被删除节点只有一个儿子。那么，直接删除该节点，并用该节点的唯一子节点顶替它的位置。
③ 被删除节点有两个儿子。那么，先找出它的后继节点；然后把“它的后继节点的内容”复制给“该节点的内容”；之后，删除“它的后继节点”。在这里，后继节点相当于替身，在将后继节点的内容复制给”被删除节点”之后，再将后继节点删除。这样就巧妙的将问题转换为”删除后继节点”的情况了，下面就考虑后继节点。 在”被删除节点”有两个非空子节点的情况下，它的后继节点不可能是双子非空。既然”的后继节点”不可能双子都非空，就意味着”该节点的后继节点”要么没有儿子，要么只有一个儿子。若没有儿子，则按”情况① “进行处理；若只有一个儿子，则按”情况② “进行处理。
第二步：通过”旋转和重新着色”等一系列来修正该树，使之重新成为一棵红黑树。
因为”第一步”中删除节点之后，可能会违背红黑树的特性。所以需要通过”旋转和重新着色”来修正该树，使之重新成为一棵红黑树。

前面我们将”删除红黑树中的节点”大致分为两步，在第一步中”将红黑树当作一颗二叉查找树，将节点删除”后，可能违反”特性(2)、(4)、(5)”三个特性。第二步需要解决上面的三个问题，进而保持红黑树的全部特性。

为了便于分析，我们假设”x包含一个额外的黑色”(x原本的颜色还存在)，这样就不会违反”特性(5)”。为什么呢？ 通过RB-DELETE算法，我们知道：删除节点y之后，x占据了原来节点y的位置。 既然删除y(y是黑色)，意味着减少一个黑色节点；那么，再在该位置上增加一个黑色即可。这样，当我们假设”x包含一个额外的黑色”，就正好弥补了”删除y所丢失的黑色节点”，也就不会违反”特性(5)”。 因此，假设”x包含一个额外的黑色”(x原本的颜色还存在)，这样就不会违反”特性(5)”。 现在，x不仅包含它原本的颜色属性，x还包含一个额外的黑色。即x的颜色属性是”红+黑”或”黑+黑”，它违反了”特性(1)”。
现在，我们面临的问题，由解决”违反了特性(2)、(4)、(5)三个特性”转换成了”解决违反特性(1)、(2)、(4)三个特性”。RB-DELETE-FIXUP需要做的就是通过算法恢复红黑树的特性(1)、(2)、(4)。
RB-DELETE-FIXUP的思想是：将x所包含的额外的黑色不断沿树上移(向根方向移动)，直到出现下面的情况：
① 情况说明：x是“红+黑”节点。
处理方法：直接把x设为黑色，结束。此时红黑树性质全部恢复。
② 情况说明：x是“黑+黑”节点，且x是根。
处理方法：什么都不做，结束。此时红黑树性质全部恢复。
③ 情况说明：x是“黑+黑”节点，且x不是根。
处理方法：这种情况又可以划分为4种子情况。
Case1:x是“黑+黑”节点，x的兄弟节点是红色。(此时x的父节点和x的兄弟节点的子节点都是黑节点)。
处理策略：
(01) 将x的兄弟节点设为“黑色”。
(02) 将x的父节点设为“红色”。
(03) 对x的父节点进行左旋。
(04) 左旋后，重新设置x的兄弟节点.
处理前：

处理后：

Case 2: x是“黑+黑”节点，x的兄弟节点是黑色，x的兄弟节点的两个孩子都是黑色。
处理策略：
(01) 将x的兄弟节点设为“红色”。
(02) 设置“x的父节点”为“新的x节点”。
处理前：
　

处理后：
　

Case 3 ：x是“黑+黑”节点，x的兄弟节点是黑色；x的兄弟节点的左孩子是红色，右孩子是黑色的。
处理策略：
(01) 将x兄弟节点的左孩子设为“黑色”。
(02) 将x兄弟节点设为“红色”。
(03) 对x的兄弟节点进行右旋。
(04) 右旋后，重新设置x的兄弟节点。

处理前：

处理后：
　

Case 4：x是“黑+黑”节点，x的兄弟节点是黑色；x的兄弟节点的右孩子是红色的，x的兄弟节点的左孩子任意颜色．
处理策略：
(01) 将x父节点颜色 赋值给 x的兄弟节点。
(02) 将x父节点设为“黑色”。
(03) 将x兄弟节点的右子节设为“黑色”。
(04) 对x的父节点进行左旋。
(05) 设置“x”为“根节点”。

处理前：

处理后：