一步一图一代码,一定要让你真正彻底明白红黑树【转】

转自:http://blog.csdn.net/chenhuajie123/article/details/11951777

一步一图一代码,一定要让你真正彻底明白黑树

作者:July   二零一一年一月

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本文参考:
I、  The Art of Computer Programming Volume I
II、 Introduction to Algorithms, Second Edition
III、The Annotated STL Sources
IV、 Wikipedia
V、  Algorithms In C Third Edition

VI、 本人写的关于红黑树的前三篇文章:

第一篇:教你透彻了解红黑树:
http://blog.csdn.net/v_JULY_v/archive/2010/12/29/6105630.aspx
第二篇:红黑树算法的层层剖析与逐步实现
http://blog.csdn.net/v_JULY_v/archive/2010/12/31/6109153.aspx
第三篇:教你彻底实现红黑树:红黑树的c源码实现与剖析
http://blog.csdn.net/v_JULY_v/archive/2011/01/03/6114226.aspx

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前言:
1、有读者反应,说看了我的前几篇文章,对红黑树的了解还是不够透彻。
2、我个人觉得,如果我一步一步,用图+代码来阐述各种插入、删除情况,可能会更直观易懂。
3、既然写了红黑树,那么我就一定要把它真正写好,让读者真正彻底明白红黑树。

本文相对我前面红黑树相关的3篇文章,主要有以下几点改进:
1.图、文字叙述、代码编写,彼此对应,明朗而清晰。
2.宏观总结,红黑树的性质与插入、删除情况的认识。
3.代码来的更直接,结合图,给你最直观的感受,彻底明白红黑树。

ok,首先,以下几点,你现在应该是要清楚明白了的:
I、红黑树的五个性质:
1)每个结点要么是红的,要么是黑的。
2)根结点是黑的。
3)每个叶结点,即空结点(NIL)是黑的。
4)如果一个结点是红的,那么它的俩个儿子都是黑的。
5)对每个结点,从该结点到其子孙结点的所有路径上包含相同数目的黑结点。

II、红黑树插入的几种情况:
情况1,z的叔叔y是红色的。
情况2:z的叔叔y是黑色的,且z是右孩子
情况3:z的叔叔y是黑色的,且z是左孩子

III、红黑树删除的几种情况。
情况1:x的兄弟w是红色的。
情况2:x的兄弟w是黑色的,且w的俩个孩子都是黑色的。
情况3:x的兄弟w是黑色的,且w的左孩子是红色,w的右孩子是黑色。
情况4:x的兄弟w是黑色的,且w的右孩子是红色的。

除此之外,还得明确一点:
IV、我们知道,红黑树插入、或删除结点后,
可能会违背、或破坏红黑树的原有的性质,
所以为了使插入、或删除结点后的树依然维持为一棵新的红黑树,
那就要做俩方面的工作:
1、部分结点颜色,重新着色
2、调整部分指针的指向,即左旋、右旋。

V、并区别以下俩种操作:
1)红黑树插入、删除结点的操作,RB-INSERT(T, z),RB-DELETE(T, z)
2).红黑树已经插入、删除结点之后,
为了保持红黑树原有的红黑性质而做的恢复与保持红黑性质的操作。
如RB-INSERT-FIXUP(T, z),RB-DELETE-FIXUP(T, x)

以上这5点,我已经在我前面的2篇文章,都已阐述过不少次了,希望,你现在已经透彻明了。

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本文,着重图解分析红黑树插入、删除结点后为了维持红黑性质而做修复工作的各种情况。
[下文各种插入、删除的情况,与我的第二篇文章,红黑树算法的实现与剖析相对应]

ok,开始。
一、在下面的分析中,我们约定:
要插入的节点为,N
父亲节点,P
祖父节点,G
叔叔节点,U
兄弟节点,S

如下图所示,找一个节点的祖父和叔叔节点:
node grandparent(node n)     //祖父

{
     return n->parent->parent;
 }
 
 node uncle(node n)              //叔叔

{
     if (n->parent == grandparent(n)->left)
         return grandparent(n)->right;
     else
         return grandparent(n)->left;
 }

二、红黑树插入的几种情况
情形1: 新节点N位于树的根上,没有父节点
void insert_case1(node n) {
     if (n->parent == NULL)
         n->color = BLACK;
     else
         insert_case2(n);
 }

情形2: 新节点的父节点P是黑色
void insert_case2(node n) {
     if (n->parent->color == BLACK)
         return; /* 树仍旧有效 */
     else
         insert_case3(n);
 }

情形3:父节点P、叔叔节点U,都为红色,
[对应第二篇文章中,的情况1:z的叔叔是红色的。]
void insert_case3(node n) {
     if (uncle(n) != NULL && uncle(n)->color == RED) {
         n->parent->color = BLACK;
         uncle(n)->color = BLACK;
         grandparent(n)->color = RED;
         insert_case1(grandparent(n));   //因为祖父节点可能是红色的,违反性质4,递归情形1.
     }
     else
         insert_case4(n);   //否则,叔叔是黑色的,转到下述情形4处理。

此时新插入节点N做为P的左子节点或右子节点都属于上述情形3,上图仅显示N做为P左子的情形。

情形4: 父节点P是红色,叔叔节点U是黑色或NIL; 
插入节点N是其父节点P的右孩子,而父节点P又是其父节点的左孩子。
[对应我第二篇文章中,的情况2:z的叔叔是黑色的,且z是右孩子]
void insert_case4(node n) {
     if (n == n->parent->right && n->parent == grandparent(n)->left) {
         rotate_left(n->parent);
         n = n->left;
     } else if (n == n->parent->left && n->parent == grandparent(n)->right) {
         rotate_right(n->parent);
         n = n->right;
     }
     insert_case5(n);    //转到下述情形5处理。

情形5: 父节点P是红色,而叔父节点U 是黑色或NIL,
要插入的节点N 是其父节点的左孩子,而父节点P又是其父G的左孩子。
[对应我第二篇文章中,情况3:z的叔叔是黑色的,且z是左孩子。]
void insert_case5(node n) {
     n->parent->color = BLACK;
     grandparent(n)->color = RED;
     if (n == n->parent->left && n->parent == grandparent(n)->left) {
         rotate_right(grandparent(n));
     } else {
         /* 反情况,N 是其父节点的右孩子,而父节点P又是其父G的右孩子 */
         rotate_left(grandparent(n));
     }
 }

三、红黑树删除的几种情况
上文我们约定,兄弟节点设为S,我们使用下述函数找到兄弟节点:
struct node * sibling(struct node *n)  //找兄弟节点
{
        if (n == n->parent->left)
                return n->parent->right;
        else
                return n->parent->left;
}

情况1: N 是新的根。
void
delete_case1(struct node *n)
{
        if (n->parent != NULL)
                delete_case2(n);
}

情形2:兄弟节点S是红色
[对应我第二篇文章中,情况1:x的兄弟w是红色的。]
void delete_case2(struct node *n)
{
        struct node *s = sibling(n);
 
        if (s->color == RED) {
                n->parent->color = RED;
                s->color = BLACK;
                if (n == n->parent->left)
                        rotate_left(n->parent);  //左旋
                else
                        rotate_right(n->parent);
        } 
        delete_case3(n);
}

情况 3: 兄弟节点S是黑色的,且S的俩个儿子都是黑色的。但N的父节点P,是黑色。
[对应我第二篇文章中,情况2:x的兄弟w是黑色的,且兄弟w的俩个儿子都是黑色的。
(这里,父节点P为黑)]
void delete_case3(struct node *n)
{
        struct node *s = sibling(n);
 
        if ((n->parent->color == BLACK) &&
            (s->color == BLACK) &&
            (s->left->color == BLACK) &&
            (s->right->color == BLACK)) {
                s->color = RED;
                delete_case1(n->parent);
        } else
                delete_case4(n);
}

情况4: 兄弟节点S 是黑色的、S 的儿子也都是黑色的,但是 N 的父亲P,是红色。
[还是对应我第二篇文章中,情况2:x的兄弟w是黑色的,且w的俩个孩子都是黑色的。
(这里,父节点P为红)]
void delete_case4(struct node *n)
{
        struct node *s = sibling(n);
 
        if ((n->parent->color == RED) &&
            (s->color == BLACK) &&
            (s->left->color == BLACK) &&
            (s->right->color == BLACK)) {
                s->color = RED;
                n->parent->color = BLACK;
        } else
                delete_case5(n);
}

情况5: 兄弟S为黑色,S 的左儿子是红色,S 的右儿子是黑色,而N是它父亲的左儿子。
//此种情况,最后转化到下面的情况6。
[对应我第二篇文章中,情况3:x的兄弟w是黑色的,w的左孩子是红色,w的右孩子是黑色。]
void delete_case5(struct node *n)
{
        struct node *s = sibling(n);
 
        if  (s->color == BLACK) 
                if ((n == n->parent->left) &&
                    (s->right->color == BLACK) &&
                    (s->left->color == RED)) { 
                        // this last test is trivial too due to cases 2-4.
                        s->color = RED;
                        s->left->color = BLACK;
                        rotate_right(s);
                } else if ((n == n->parent->right) &&
                           (s->left->color == BLACK) &&
                           (s->right->color == RED)) {
                       // this last test is trivial too due to cases 2-4.
                        s->color = RED;
                        s->right->color = BLACK;
                        rotate_left(s);
                }
        }
        delete_case6(n);  //转到情况6。

情况6: 兄弟节点S是黑色,S的右儿子是红色,而 N 是它父亲的左儿子。
[对应我第二篇文章中,情况4:x的兄弟w是黑色的,且w的右孩子时红色的。]
void delete_case6(struct node *n)
{
        struct node *s = sibling(n);
 
        s->color = n->parent->color;
        n->parent->color = BLACK;
 
        if (n == n->parent->left) {
                s->right->color = BLACK;
                rotate_left(n->parent);
        } else {
                s->left->color = BLACK;
                rotate_right(n->parent);
        }
}

//呵呵,画这12张图,直接从中午画到了晚上。希望,此文能让你明白。

四、红黑树的插入、删除情况时间复杂度的分析
因为每一个红黑树也是一个特化的二叉查找树,
因此红黑树上的只读操作与普通二叉查找树上的只读操作相同。
然而,在红黑树上进行插入操作和删除操作会导致不再符合红黑树的性质。

恢复红黑树的属性需要少量(O(log n))的颜色变更(实际是非常快速的)和
不超过三次树旋转(对于插入操作是两次)。
虽然插入和删除很复杂,但操作时间仍可以保持为 O(log n) 次。


ok,完。

后记:
此红黑树系列,前前后后,已经写了4篇文章,如果读者读完了这4篇文章,
对红黑树有一个相对之前来说,比较透彻的理解,
那么,也不枉费,我花这么多篇幅、花好几个钟头去画红黑树了。

真正理解一个数据结构、算法,最紧要的还是真正待用、实践的时候体会。
欢迎,各位,将现在、或以后学习、工作中运用此红黑树结构、算法的经验与我分享。
谢谢。:D。
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作者声明:
        本人July对本博客所有文章和资料享有版权,转载、或引用任何内容请注明出处。
        向您的厚道致敬。谢谢。二零一一年一月九日。

时间: 2024-10-10 00:04:59

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