红黑树【数据结构】

2023-12-17 16:50:58

红黑树不仅可以保障数据的有序性，也可以在动态数据集中，提供快速的插入、删除和查找操作。它主要通过对任一节点颜色的改变（红色或黑色）以及部分树结构的旋转来实现。

红黑树插入操作

当我们插入一个新节点时，它首先作为一个红色节点插入，以保持黑平衡，也即性质5。然后需要检查并修复可能违反的红黑树性质。

我们继续详述之前提到的3个情况，并且引入两个新的情况：

  1. 情景3（续）：插入节点的父节点是红色，叔叔节点也是红色
    这样的情况称为“双红”情况，需要进行颜色翻转。祖父节点由黑变红，父节点和叔叔节点由红变黑。然后，因为祖父节点可能成为新的双红问题，需要把祖父节点作为当前要处理的节点进行后续处理。

  2. 情景4：插入节点的父节点是红色，叔叔节点是黑色，插入节点是其父节点的右子节点，父节点是祖父节点的左子节点
    这种情况需要左旋转父节点，让插入节点上升到父节点的位置，父节点下降到左子节点的位置，然后，问题转换为情景5。

  3. 情景5：插入节点的父节点是红色，叔叔节点是黑色，插入节点是其父节点的左子节点，父节点是祖父节点的左子节点（对称情况同理）
    这时，我们对祖父节点进行右旋转，并交换父节点与祖父节点的颜色。这样可以恢复红黑树性质。

以下是插入操作示例的伪代码，包含必要的旋转和重新着色：

class RedBlackTreeNode:
    def __init__(self, key, color, left=None, right=None, parent=None):
        self.key = key
        self.color = color
        self.left = left
        self.right = right
        self.parent = parent

def left_rotate(tree, node):
    # 断言确保右子树非空
    right_node = node.right
    node.right = right_node.left
    if right_node.left != NIL:
        right_node.left.parent = node
    right_node.parent = node.parent
    if node.parent == NIL:
        tree.root = right_node
    elif node == node.parent.left:
        node.parent.left = right_node
    else:
        node.parent.right = right_node
    right_node.left = node
    node.parent = right_node

def right_rotate(tree, node):
    # 类似于左旋转，此处略去细节

def insert_fixup(tree, node):
    while node.parent.color == 'RED':
        if node.parent == node.parent.parent.left:
            uncle = node.parent.parent.right
            if uncle.color == 'RED':
                # 情景3
                node.parent.color = 'BLACK'
                uncle.color = 'BLACK'
                node.parent.parent.color = 'RED'
                node = node.parent.parent
            else:
                if node == node.parent.right:
                    # 情景4
                    node = node.parent
                    left_rotate(tree, node)
                # 情景5
                node.parent.color = 'BLACK'
                node.parent.parent.color = 'RED'
                right_rotate(tree, node.parent.parent)
        else:
            # 对称代码处理
            # ...
    tree.root.color = 'BLACK'

def insert(tree, key):
    node = RedBlackTreeNode(key, 'RED')
    y = NIL
    x = tree.root
    while x != NIL:
        y = x
        if node.key < x.key:
            x = x.left
        else:
            x = x.right
    node.parent = y
    if y == NIL:
        tree.root = node  # 树为空，插入的是根节点
    elif node.key < y.key:
        y.left = node
    else:
        y.right = node
    node.left = NIL
    node.right = NIL
    insert_fixup(tree, node)

在这个示例中，NIL 是一个哨兵节点，代表空的黑色节点。

这个插入操作实现同时考虑了树为空以及非空的情况。insert_fixup 函数负责调整颜色和进行必要的旋转来修复红黑树的性质。

需要注意的是，这只是一个高级伪代码描述。真实的实现需要考虑更多细节，比如当被插入节点的父节点不是根节点的情况下，我们可能需要显式地将NIL节点作为新插入节点的子节点。

红黑树插入操作虽然复杂，但得益于其对树平衡性的保证，它提供了非常高效的数据操作性能。在任何新节点被插入后，最多只需要三次旋转（在双红情景后的两次旋转和一个可能的颜色翻转）。这保证了最坏情况下时间复杂度保持为O(log n)。

红黑树的删除操作

删除操作在红黑树中是最复杂的操作之一，因为它可能会破坏树的平衡。当我们移除一个节点后，为了保持红黑树的性质，可能需要做一系列复杂的树旋转和重新着色。

以下面临的情况如何解决：

  1. 删除的是红色节点: 直接删除，因为它不会影响黑高。
  2. 删除的是黑色节点，而且有一个红色子节点: 用红色子节点替换该节点，并将其重新染成黑色。
  3. 删除的是黑色节点，而且它的两个子节点都是黑色: 这种情况是最复杂的，因为它会影响路径上的黑高。

在删除时，我们通常使用后继节点来替换要删除的节点（如果它有两个子节点的话），然后调整树的平衡情况。这个后继节点是在右子树中找到的最小值节点，这个节点最多只有一个子节点。然后应用"替换-删除"策略，后继节点替代要删除的节点位置，然后删除原后继节点的位置。

修正函数是根据删除黑色节点后失衡的情况进行调整的，这里将删除后的修正操作称为 delete_fixup。

以下是删除节点的伪代码和解释：

def transplant(tree, u, v):
    if u.parent == NIL:
        tree.root = v
    elif u == u.parent.left:
        u.parent.left = v
    else:
        u.parent.right = v
    if v != NIL:
        v.parent = u.parent

def minimum(node):
    while node.left != NIL:
        node = node.left
    return node

def delete_fixup(tree, x):
    while x != tree.root and x.color == 'BLACK':
        if x == x.parent.left:
            w = x.parent.right
            if w.color == 'RED':
                w.color = 'BLACK'
                x.parent.color = 'RED'
                left_rotate(tree, x.parent)
                w = x.parent.right
            if w.left.color == 'BLACK' and w.right.color == 'BLACK':
                w.color = 'RED'
                x = x.parent
            else:
                if w.right.color == 'BLACK':
                    w.left.color = 'BLACK'
                    w.color = 'RED'
                    right_rotate(tree, w)
                    w = x.parent.right
                w.color = x.parent.color
                x.parent.color = 'BLACK'
                w.right.color = 'BLACK'
                left_rotate(tree, x.parent)
                x = tree.root
        else:
            # 对称的处理右子树的情况
            # ...
    x.color = 'BLACK'

def delete(tree, z):
    y = z
    y_original_color = y.color
    if z.left == NIL:
        x = z.right
        transplant(tree, z, z.right)
    elif z.right == NIL:
        x = z.left
        transplant(tree, z, z.left)
    else:
        y = minimum(z.right)
        y_original_color = y.color
        x = y.right
        if y.parent == z:
            x.parent = y
        else:
            transplant(tree, y, y.right)
            y.right = z.right
            y.right.parent = y
        transplant(tree, z, y)
        y.left = z.left
        y.left.parent = y
        y.color = z.color
    if y_original_color == 'BLACK':
        delete_fixup(tree, x)

这个伪代码包含了删除操作的核心逻辑，其中 transplant 函数用来替换节点，minimum 函数用于查找给定节点的后继。变量 y 保存原来的颜色，以判断是否需要调整。如果最初删除的或者移动的 y 节点是黑色的，那么可能会违反红黑性质，需要进一步通过 delete_fixup 来调整。

该调整过程是一个循环，它会在不违反红黑树性质的前提下，向上回溯并调整颜色和执行旋转，直到到达根节点或者 x 指向了一个红色节点。这里的 x 节点可以被认为是一个额外的黑色，它可以是红黑颜色，当它变成红-黑色时，它就变成普通的黑节点，循环就会结束。

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