手撕红黑树——C++高阶数据结构详解
目录
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- 传统艺能
- 概念
- 五大特性
- 节点定义
- 红黑树插入
- 插入调整
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- 情况一
- 情况二
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- 具体情况一
- 具体情况二
- 具体情况三
- 验证红黑树
- 红黑树查找
- 红黑树的删除
- 谁是一代宗师
传统艺能
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红黑树是对树结构的一种高度综合运用，涉及到多叉树，树平衡调整，节点旋转等等，这些是对数据结构基本功的最佳历练，也是面试场上令人闻风丧胆的冷面一刀。能否给出完整的定义，能否介绍自己对红黑树的认识，能否通过旋转，染色等操作在给定的场景下对一颗红黑树进行调整使其符合定义…这些才是我们应该在学习后得到的信息
概念
红黑树也是一种二叉搜索树，但是每个节点都存储了一个颜色，该颜色可以为黑可以为红，因此也叫红黑树。
红黑树和 AVL 树的区别就是红黑树属于近似平衡，他并不是完全平衡，红黑树不会像 AVL 树一样做到严密的平衡（高度差控制在 1 ），他是依靠每条路径上红黑节点的排布与限制，确保最长路径长度不超过最短路径长度的 2 倍.
五大特性
红黑树有着标志性的五大特性：
- 根节点一定为黑色
- 一个节点只能是红或黑
- 节点为红色，则该节点的两个子节点都为黑色
- 对于每个节点，从根节点到叶子结点的简单路径上，黑色节点个数相等
- 每个叶子结点（即空节点）都是黑色
那么问题来了，仅仅依靠这五大特性是如何确保最长路径长度 < 最短路径长度的 2 倍？
根据第 3,4 特性，我们不妨思考一下极端场景，最短可能路径其实就是全黑的情况，假设此时有 n 个节点，长度就为 n：
而最长可能路径就是在红色节点存在的条件下，以一红一黑的方式进行排列，此时假设依然有 n 个黑色节点，那么红色节点数目与黑色相同，则长度为 2n，以此证明。
节点定义
这里和 AVL 树一样我们直接实现 KV 模型，为了方便后序的旋转操作，将红黑树的结点定义为三叉链结构，将 AVL 树中的平衡因子换成了新成员——结点的颜色。
因为节点颜色是贯穿的，我们可以直接定义成全局变量，并用枚举变量来给颜色赋予逻辑：
enum Color
{
Red, //0
Black //1
};
接下来就可以定义节点了：
template<class K，class V>
struct RBTreeNode
{
RBTreeNode(const pair<K, V>& kv, Color color = Red)
:_left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _kv(kv)
, _color(color)
{}
RBTreeNode<K，V>* _left;
RBTreeNode<K,V>* _right;
RBTreeNode<K,V>* _parent;//三叉链结构
pair<K,V> _kv;//存储键值对
Color _color;//节点颜色
};
注意这里有个细节：为什么构造结点时，默认将结点的颜色设置为红色？
因为我们要考虑插入场景，不论此时根节点为黑色还是红色，我们插入黑色节点，那么他一定会破坏性质 4 ，某条路径上的黑色节点一定会增加一个，那么为了维护结构，我们岂不是要给其他所有路径都加上一个黑色节点？但如果此时插入的是红色节点，如果根节点为红色，那么又会破坏性质 3 出现了连续的红色节点，但是如果根节点为黑色，就不需要进行调整。
这就是一个简单的伤害最小化理论：插入黑节点，一定会破坏性质 4，必须进行调整；插入红节点，可能破坏性质 3，可能进行调整，因此我们选择将插入节点定为红色。
红黑树插入
插入逻辑依然和二叉搜索树差不多，三步走：
- 按二叉搜索树的插入方法，找到待插入位置。
- 将待插入结点插入到树中。
- 若插入结点的父结点是红色的，则需要对红黑树进行调整。
插入的关键就在于这里的第三步，这调整里面有大学问。
插入调整
我们给出一个基本模型（可以是一个完整的树，也可以是一个子树）：
并约定：
cur ：当前节点
p：parent，父节点
g：grandfather，祖父节点
u：uncle，叔叔节点
a，b，c，d，e：子树
顺便提一下，树的路径不是一路走到叶子结点算一条，要走到空节点（NIL 节点）算一条：
比如上图中该红黑树的有效路径不是 4 条而是 9 条。
情况一
cur 为红，p 为红，g 为黑， u 存在且为红
首先你需要知道，红黑树的调整关键看叔叔，因为节点的颜色是固定的，祖父存在且一定为黑，为什么？因为父节点为红色那么他一定不会是根，他一定有一个父节点且为黑，只有 u 节点不知道嘛情况。
我们调整并不是像 AVL 一样旋转，这里是进行变色，首先将叔叔变黑，此时就没有连续的红节点了，但是为了保持黑节点数目不变父亲也要变黑，万事大吉了吗？没有，紧接还要将祖父变红，为什么呀！？不要忘了，这里可能只是一个子树，叔叔父亲变黑了那么路径上黑节点就会多出一个，对整个结构必然有影响，所以还需要将祖父变红保持黑色数量不变。
最后不要忘了将祖父当成 cur 节点继续向上调整，因为在上一层父亲的颜色不知道，祖父改变可能违反规则还会继续调整。这种情况我们左右方向，翻转过来处理方法一样，只变色不旋转。
具体代码表示：
while (parent != _pHead && parent->_color == Red)
{
Node* grandfather = parent->_parent;
assert(grandfather); //祖父节点有效性
if (parent == grandfather->_left)
{
Node* uncle = grandfather->_right; //情况一叔叔在祖父右
if (uncle && uncle->_color == Red) //叔叔在右且为红
{
parent->_color = Black;
uncle->_color = Black;
grandfather->_color = Red;
cur = grandfather; //继续向上调整
parent = cur->_parent;
}
else //叔叔为黑情况二
{
……
}
}
else
{
Node* uncle = grandfather->_left;//左右翻转（叔叔在祖父左）不影响情况一，和上面一样处理
if (uncle && uncle->_color == Red)
{
parent->_color = Black;
uncle->_color = Black;
grandfather->_color = Red;
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else
{
……
}
}
}
}
情况二
具体情况一
cur 为红，p 为红，g 为黑， u 存在且为黑
其实这里的 a，b，c 的情况就只有 4 种情况，只要有一个黑节点就能满足：
这种情况的 cur 节点一定不是新插入节点，cur 原来是黑色，他是第一种情况向上调整过程中，祖父节点形成的 cur 节点，为什么呢？
如上图所示，根据性质 4 假设祖父上面有 x 个黑节点，那么左子树（含祖父）现在是 x +1 个，右子树（含祖父）是 x + 2 + y 个，很明显 x + 2 + y > x + 1，因此在插入结点前就已经不满足要求了，所以说叔叔结点存在且为黑这种情况，一定是由情况一往上调整过程中才会出现的！
此时单纯使用变色已经无法处理了，这时我们需要进行旋转处理。若祖孙三代的关系是直线（cur、parent、grandfather这三个结点为一条直线），则一波 AVL 树里经典的旋转又来辣！这里左偏所以选择右单旋，再进行颜色调整，颜色调整后这棵被旋转子树的根结点是黑色的，且黑节点数量不变，因此无需继续往上进行处理。
但是此时翻转就不能像情况一一样一概而论了，反转过来偏右就要使用左单旋了。因此红黑树抽象逻辑就强在这里，能和 AVL 树契合到位的同时还能有机调整，AVL 树要是天才的话那么红黑树我只能叫他一声 lord 。
具体情况二
cur 为红，p 为红，g 为黑，u 不存在
在这种情况下的 cur 结点一定是新插入的结点，而不可能是由情况一变化而来的，因为叔叔不存在那么 parent 的下面也不可能再挂黑结点了。
既然产生了连续的红节点那就必须把其中一个变黑，总不能把插进去的红节点变黑吧，不然就变成插黑节点了，因此就在只能把 parent 变黑，但是这样子树就会多出黑节点有会破坏结构，怎么办呢？
和具体情况一同理了，祖孙三代在一条直线上偏左，一波右单旋安排，接着根节点变成 parent 后调整颜色，父亲变黑，祖父变红，一波完美升级后续也不需要再向上调整（黑节点数目不变，根节点颜色正常）。
具体情况三
该情况是具体情况一的区别版本，情况一是三世同堂即一条直线，这里是一条折线，他和情况二的区别就是情况二 p 在 g 的左，而 cur 是 p 的左 ，情况三 cur 在 p 的右：
那么不必多言，从 AVL 树过来的小伙伴一眼就明白该干什么了，没错，说白了就是单旋变双旋：
以上情况的完整如下：
pair<Node*, bool> Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (_root == nullptr) //若红黑树为空树，则插入结点直接作为根结点
{
_root = new Node(kv);
_root->_col = BLACK; //根结点必须是黑色
return make_pair(_root, true); //插入成功
}
//找到待插入位置
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (kv.first < cur->_kv.first)
{
//key值小于当前结点的走左子树
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (kv.first > cur->_kv.first)
{
//key值大于当前结点的走右子树
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else //待插入结点的key值=当前结点
{
return make_pair(cur, false); //插入失败
}
}
//插入到树中
cur = new Node(kv); //构造结点
Node* newnode = cur; //记录新插入的结点（便于后序返回）
if (kv.first < parent->_kv.first)
{
//新结点的key值小于parent插入到左边
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
else
{
//新结点的key值大于parent插入到右边
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
//若插入结点的父结点是红色的，则需要对红黑树进行调整
while (parent&&parent->_col == RED)
{
Node* grandfather = parent->_parent; //parent是红色，则其父结点一定存在
if (parent == grandfather->_left) //parent是grandfather的左孩子
{
Node* uncle = grandfather->_right; //uncle是grandfather的右孩子
if (uncle&&uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
{
//颜色调整
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else //情况2+情况3：uncle不存在 + uncle存在且为黑
{
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(grandfather); //右单旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
else //cur == parent->_right
{
RotateLR(grandfather); //左右双旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
cur->_col = BLACK;
}
break;
}
}
else //parent是grandfather的右孩子
{
Node* uncle = grandfather->_left; //uncle 是 grandfather 的左孩子
if (uncle&&uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
{
//颜色调整
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else //uncle不存在/ uncle存在且为黑
{
// g
// p u
// cur
if (cur == parent->_left)
{
RotateRL(grandfather); //右左双旋
//颜色调整
cur->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}
// g
// u p
// cur
else
{
RotateL(grandfather); //左单旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
break; //子树旋转后，该子树的根变成了黑色，无需继续往上进行处理
}
}
}
_root->_col = BLACK; //暴力处理根节点颜色，防止向上处理根节点变红
return make_pair(newnode, true);
}
//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
Node* parentParent = parent->_parent;
//建立subRL与parent之间的联系
parent->_right = subRL;
if (subRL)
subRL->_parent = parent;
//建立parent与subR之间的联系
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//建立subR与parentParent之间的联系
if (parentParent == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == parentParent->_left)
{
parentParent->_left = subR;
}
else
{
parentParent->_right = subR;
}
subR->_parent = parentParent;
}
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
Node* parentParent = parent->_parent;
//建立subLR与parent之间的联系
parent->_left = subLR;
if (subLR)
subLR->_parent = parent;
//建立parent与subL之间的联系
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
//建立subL与parentParent之间的联系
if (parentParent == nullptr)
{
_root = subL;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == parentParent->_left)
{
parentParent->_left = subL;
}
else
{
parentParent->_right = subL;
}
subL->_parent = parentParent;
}
}
//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
}
//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
RotateR(parent->_right);
RotateL(parent);
}
（对旋转有疑惑的小伙伴请走传送门：手撕 AVL 树）
注意，最后根节点我们暴力处理颜色设为黑色，防止向上调整时将根节点变为了红色的情况。
验证红黑树
还是老套路，先来一手中序遍历看这棵树是否满足二叉搜索树性质：
void Inorder()
{
_Inorder(_root);
}
void _Inorder(Node* root)
{
if (root == nullptr)//空树也是红黑树
return;
_Inorder(root->_left);
cout << root->_kv.first << " ";
_Inorder(root->_right);
}
然后要验证红黑树的整体结构，灵魂就在于是否满足五大特性：
Node* GetRoot()//取根节点函数
{
return _pHead->_parent;
}
bool IsValidRBTRee()
{
Node* pRoot = GetRoot();//取根节点
if (pRoot == nullptr)//空树也是红黑树
return true;
if (pRoot->_color != Black)
{
cout << "违反性质一：根节点是黑色" << endl;
return false;
}
size_t count = 0;
Node* cur = pRoot;
while (cur)//取最左路径的黑节点个数为验证标准
{
if (cur->_color == Black)
count++;
cur = cur->_left;
}
size_t pathB = 0;//记录需验证路径的黑节点个数
return _IsValidRBTRee(pRoot, count, pathB);//封装函数进行递归验证
}
bool _IsValidRBTRee(Node* pRoot, size_t count, size_t pathB)
{
if (pRoot == nullptr)
return true;
if (pRoot->_color == Black)
pathB++;
Node* parent = pRoot->_parent;//遇到红节点检查其父亲（红节点一定存在父亲）
if (parent->_color == Red && parent != _pHead && pRoot->_color == Red)
{
cout << "违反性质3：不能存在连在一起的红色节点" << endl;
return false;
}
if (pRoot->_left == nullptr && pRoot->_right == nullptr)
{
if (pathB != count)
{
cout << "违反性质4：每条路径中黑色节点个数均相同" << endl;
return false;
}
}
return _IsValidRBTRee(pRoot->_left, count, pathB) && _IsValidRBTRee(pRoot->_right, count, pathB);
}
红黑树查找
红黑树的查找函数与二叉搜索树的查找方式一模一样，四步走：
若树为空树，则查找失败，返回nullptr。
若key值小于当前结点的值，则应该在该结点的左子树当中进行查找。
若key值大于当前结点的值，则应该在该结点的右子树当中进行查找。
若key值等于当前结点的值，则查找成功，返回对应结点。
Node* Find(const K& key)
{
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (key < cur->_kv.first)
{
cur = cur->_left;
}
else if (key > cur->_kv.first)
{
cur = cur->_right;
}
else
{
return cur;
}
}
return nullptr;
}
红黑树的删除
还是在 AVL 树说的，高阶数据结构概不展示删除部分，过于打脑壳有兴趣的自行查阅即可。
谁是一代宗师
AVL 树和红黑树都是平衡二叉树的两个老大哥，他们增删查改的时间复杂度都是 O(logN)，到底谁更技高一筹？
其实在大数据的场景下，比如百万级量化数据，AVL 需要构建大约 20 多层，同时红黑树需要构建大约 40 多层，毕竟红黑树是近似平衡的二叉搜索树。
但是我们知道 20 和 40 在 CPU 运算速度面前并没有什么差别，虽然 AVL 树在效率上会略胜红黑树一点点，但是生活中红黑树的运用却比 AVL 树更为广泛，因为 AVL 树的效率是有代价的，是充分牺牲结构进行不断旋转得到的，而红黑树大大降低了旋转次数会更安全因此，换来了更优的性能
aqa 芭蕾 eqe 亏内，代表着开心代表着快乐，ok 了家人们。