溫馨提示×

您好,登錄后才能下訂單哦!

密碼登錄×
登錄注冊(cè)×
其他方式登錄
點(diǎn)擊 登錄注冊(cè) 即表示同意《億速云用戶服務(wù)條款》

如何使用紅黑樹(shù)

發(fā)布時(shí)間:2021-10-15 09:05:35 來(lái)源:億速云 閱讀:169 作者:iii 欄目:編程語(yǔ)言

本篇內(nèi)容介紹了“如何使用紅黑樹(shù)”的有關(guān)知識(shí),在實(shí)際案例的操作過(guò)程中,不少人都會(huì)遇到這樣的困境,接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧!希望大家仔細(xì)閱讀,能夠?qū)W有所成!

前言

在學(xué)習(xí)紅黑樹(shù)之前,我們先來(lái)看看紅黑樹(shù)的性質(zhì),針對(duì)每一條性質(zhì)我們都需要問(wèn)一個(gè)Why,帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)紅黑樹(shù);如果我們搞懂了這些問(wèn)題,那么就理解了紅黑樹(shù)本質(zhì),當(dāng)然與實(shí)現(xiàn)還有一些距離。

  • 性質(zhì)1. 結(jié)點(diǎn)是紅色或黑色。(why:為什么節(jié)點(diǎn)要區(qū)分顏色,紅色節(jié)點(diǎn)的作用是什么?)
  • 性質(zhì)2. 根結(jié)點(diǎn)是黑色。(why:為什么根節(jié)點(diǎn)必須是黑色)
  • 性質(zhì)3. 所有葉子都是黑色。(why)
  • 性質(zhì)4. 從每個(gè)葉子到根的所有路徑上不能有兩個(gè)連續(xù)的紅色結(jié)點(diǎn)。(why)
  • 性質(zhì)5. 從任一節(jié)結(jié)點(diǎn)其每個(gè)葉子的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色結(jié)點(diǎn)。(why)
  • 性質(zhì)6. 每次新插入的節(jié)點(diǎn)都必須是紅色(why)
 

平衡查找樹(shù)

紅黑樹(shù)是近似平衡的二叉樹(shù),紅黑樹(shù)對(duì)應(yīng)的理論模型可以是2-3樹(shù),也可以是2-3-4樹(shù),所以在學(xué)習(xí)紅黑樹(shù)之前,我們需要先了解2-3樹(shù)和2-3-4樹(shù);

紅黑樹(shù)與2-3樹(shù)、2-3-4樹(shù)的關(guān)系就好比接口與實(shí)現(xiàn)類的關(guān)系;2-3樹(shù)與2-3-4樹(shù)是接口,而紅黑樹(shù)是基于接口的實(shí)現(xiàn)

2-3樹(shù)、2-3-4樹(shù)都是B樹(shù)的特列情況

 

2-3樹(shù)

為了保證樹(shù)的絕對(duì)平衡,允許樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)保存多個(gè)鍵值,在2-3樹(shù)中可以出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在一個(gè)鍵值兩條鏈接,也允許同一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含最多兩個(gè)鍵三條鏈接;

2-3樹(shù)如下圖:

如何使用紅黑樹(shù)  
 
查找

2-3樹(shù)的查找過(guò)程與二叉樹(shù)類似,查找鍵與節(jié)點(diǎn)中的鍵比較,如果遇到與查找鍵相等的節(jié)點(diǎn),查找命中;否則繼續(xù)去對(duì)應(yīng)的子樹(shù)中去查找,如果遇到空的鏈接表示查找未命中。

如何使用紅黑樹(shù)  
 
插入
  • 向單鍵key的節(jié)點(diǎn)中插入:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)key, 直接在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)新增一個(gè)key
如何使用紅黑樹(shù)  
  • 向雙鍵key的節(jié)點(diǎn)中插入:先插入新的key到當(dāng)前節(jié)點(diǎn),如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)大于了兩個(gè)key
如何使用紅黑樹(shù)  
  • 向雙鍵key的節(jié)點(diǎn)中插入,并且父節(jié)點(diǎn)也是雙鍵
如何使用紅黑樹(shù)  

通過(guò)上面的三種情況的演示,我們發(fā)現(xiàn)2-3樹(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的二叉樹(shù)的生長(zhǎng)是不同的,二叉樹(shù)的生長(zhǎng)是由上向下生長(zhǎng)的,而2-3樹(shù)的生長(zhǎng)是由下向上的。

在上一篇的二叉樹(shù)中,我們發(fā)現(xiàn)最糟糕的情況是插入的節(jié)點(diǎn)有序,導(dǎo)致二叉樹(shù)退化成了鏈表,性能下降,我們使用2-3樹(shù)順序插入看看如何,例如順序插入1,2,3,4,5,6,7

如何使用紅黑樹(shù)  

由此我們可以看出在最壞的情況下2-3樹(shù)依然完美平衡的,有比較好的性能。但是這是理論,與真正的實(shí)現(xiàn)還是有一段距離

 

基于2-3樹(shù)實(shí)現(xiàn)的左傾紅黑樹(shù)

了解了紅黑樹(shù)的理論模型2-3樹(shù)之后,那么就可以基于2-3樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的紅黑樹(shù)。

由于2-3樹(shù)中存在著雙鍵的節(jié)點(diǎn),由于我們需要在二叉樹(shù)中表示出雙鍵的節(jié)點(diǎn),所以我們需要在節(jié)點(diǎn)中添加一個(gè)顏色的屬性color,如果節(jié)點(diǎn)是紅色,那么表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)共同組成了2-3樹(shù)中的雙鍵節(jié)點(diǎn)。

對(duì)上一篇中二叉樹(shù)的節(jié)點(diǎn)做一些修改,代碼如下:

class Node implements TreeNode {
    public static final boolean RED = true;
    public static final boolean BLACK = false;
    public K key;
    public V value;
    public Node left;
    public Node right;
    public boolean color; //RED 或者 BLACK
    public int size = 1;  //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)下節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)

    public Node(K key, V value, boolean color) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.color = color;
    }

    @Override
    public Node getLeft() {
        return this.left;
    }

    @Override
    public Node getRight() {
        return this.right;
    }

    @Override
    public Color getColor() {
        return color ? Color.RED : Color.BLACK;
    }
}
 

由于紅黑樹(shù)本身也是二叉樹(shù),所以在上一篇中實(shí)現(xiàn)的二叉樹(shù)查找方法可以不用做任何的修改就可以直接應(yīng)用到紅黑樹(shù)。

本篇中我們實(shí)現(xiàn)的2-3樹(shù)紅黑樹(shù)參考算法4,并且我們規(guī)定紅色節(jié)點(diǎn)只能出現(xiàn)在左節(jié)點(diǎn),即左傾紅黑樹(shù)。(為什么規(guī)定紅色節(jié)點(diǎn)只能出現(xiàn)在左節(jié)點(diǎn)?其實(shí)右邊也是可以的,只允許存在左節(jié)點(diǎn)是因?yàn)槟軌驕p少可能出現(xiàn)的情況,實(shí)現(xiàn)所需的代碼相對(duì)較?。?/p> 

紅黑樹(shù)性質(zhì)解釋

紅黑樹(shù)作為了2-3樹(shù)的實(shí)現(xiàn),基于2-3樹(shù)去看紅黑樹(shù)的性質(zhì)就不在是干癟癟的約定,也不需要要強(qiáng)行記憶。

  • 性質(zhì)1. 結(jié)點(diǎn)是紅色或黑色。(why:為什么節(jié)點(diǎn)要區(qū)分顏色,紅色節(jié)點(diǎn)的作用是什么?) 在上面我們已經(jīng)解釋過(guò)了,要區(qū)分顏色主要是想要在二叉樹(shù)中來(lái)表示出2-3樹(shù)的雙鍵節(jié)點(diǎn)的情況,如果是紅色節(jié)點(diǎn),那么表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)共同組成了2-3數(shù)的雙鍵;黑色節(jié)點(diǎn)表示二叉樹(shù)中的普通節(jié)點(diǎn)

  • 性質(zhì)2. 根結(jié)點(diǎn)是黑色。(why:為什么根節(jié)點(diǎn)必須是黑色) 還是基于紅色節(jié)點(diǎn)的作用來(lái)理解,根節(jié)點(diǎn)本身沒(méi)有父節(jié)點(diǎn),無(wú)法組成2-3樹(shù)雙鍵,所以不可能是紅色節(jié)點(diǎn)。

  • 性質(zhì)3. 所有葉子都是黑色。(why) 此處提到的葉子其實(shí)是空鏈接,在上面的圖中空連接未畫(huà)出。

  • 性質(zhì)4. 從每個(gè)葉子到根的所有路徑上不能有兩個(gè)連續(xù)的紅色結(jié)點(diǎn)。(why) 此性質(zhì)還是基于紅色節(jié)點(diǎn)的作用來(lái)理解,如果出現(xiàn)了兩個(gè)連續(xù)的紅色節(jié)點(diǎn),那么與父節(jié)點(diǎn)組成了3鍵的節(jié)點(diǎn),但是這在2-3樹(shù)實(shí)現(xiàn)的左傾紅黑樹(shù)中是不允許的。(在基于2-3-4樹(shù)實(shí)現(xiàn)的紅黑樹(shù)中允許出現(xiàn)3鍵,但是只能是左右兩邊各一個(gè)紅色節(jié)點(diǎn),也不能連續(xù),在后面擴(kuò)展部分會(huì)有講解)

  • 性質(zhì)5. 從任一節(jié)結(jié)點(diǎn)到其每個(gè)葉子的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色結(jié)點(diǎn)。(why) 此性質(zhì)可以基于2-3樹(shù)的理論模型來(lái)理解,因?yàn)樵诩t色節(jié)點(diǎn)表示與父節(jié)點(diǎn)同層高,所以在紅黑樹(shù)中只有黑色節(jié)點(diǎn)會(huì)貢獻(xiàn)樹(shù)的高度,所以從任一節(jié)結(jié)點(diǎn)到其每個(gè)葉子的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色結(jié)點(diǎn)

  • 性質(zhì)6. 每次新插入的節(jié)點(diǎn)都必須是紅色(why) 此性質(zhì)在百度百科中未出現(xiàn),但在一些國(guó)外網(wǎng)站上有看到,個(gè)人覺(jué)得對(duì)于理解紅黑樹(shù)也有幫助,所以加在了這里;在上面我們已經(jīng)演示過(guò)了2-3樹(shù)插入鍵的過(guò)程,先插入鍵值到節(jié)點(diǎn),然后在判斷是否需要分裂,因?yàn)閮?yōu)先插入建到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)組成2-3樹(shù)的雙鍵或3鍵,而在紅黑樹(shù)中只有通過(guò)使用紅色節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)組成2-3樹(shù)的雙鍵或3鍵,所以每次新插入的節(jié)點(diǎn)都必須是紅色。

 
2-3樹(shù)在左傾紅黑樹(shù)中表示
  • 2-3樹(shù)中單鍵節(jié)點(diǎn)在紅黑樹(shù)中的表示
如何使用紅黑樹(shù)  
  • 2-3樹(shù)中雙鍵節(jié)點(diǎn)在紅黑樹(shù)中的表示,由于是左傾紅黑樹(shù),所以只能出現(xiàn)紅色節(jié)點(diǎn)在左邊
如何使用紅黑樹(shù)  

只看節(jié)點(diǎn)的變化可能不太直觀,我們可以來(lái)看一個(gè)2-3樹(shù)如何表示成左傾紅黑樹(shù)

如何使用紅黑樹(shù)  

當(dāng)我們把紅色節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)到與父節(jié)點(diǎn)同一個(gè)高度的時(shí)候,可以與2-3樹(shù)對(duì)比來(lái)看,發(fā)現(xiàn)紅黑樹(shù)很好的表示了2-3樹(shù)

 
判斷節(jié)點(diǎn)的顏色

我需要定義個(gè)方法來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)屬于什么顏色,如果是紅色就返回true,否則返回false

protected boolean isRed(Node node) {
    if (Objects.isNull(node)) {
        return Node.BLACK;
    }
    return node.color;
}
   
旋轉(zhuǎn)

在實(shí)現(xiàn)紅黑樹(shù)的插入或者刪除操作可能會(huì)出現(xiàn)紅色節(jié)點(diǎn)在右邊或者兩個(gè)連續(xù)的紅色節(jié)點(diǎn),在出現(xiàn)這些情況的時(shí)候我們需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)操作來(lái)完成修復(fù)。

由于旋轉(zhuǎn)操作完成之后需要修改父節(jié)點(diǎn)的鏈接,所以我們定義的旋轉(zhuǎn)方法需要返回旋轉(zhuǎn)之后的節(jié)點(diǎn)來(lái)重置父節(jié)點(diǎn)的鏈接

  • 左旋
如何使用紅黑樹(shù)  

左旋代碼實(shí)現(xiàn)如下:

protected Node rotateLeft(Node h) {
    Node x = h.right;
    h.right = x.left;
    x.left = h;
    x.color = h.color;
    h.color = Node.RED;

    size(h); //計(jì)算子樹(shù)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)
    size(x);

    return x;
}
 

重新指定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的左右子樹(shù)的鏈接,并且修改節(jié)點(diǎn)的顏色。其次是計(jì)算每個(gè)子樹(shù)所包含的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),計(jì)算的方式與上一篇中二叉樹(shù)的size實(shí)現(xiàn)類似,這里就不重復(fù)敘述,參考《基于二叉樹(shù)實(shí)現(xiàn)Map》

  • 右旋
如何使用紅黑樹(shù)  

右旋代碼實(shí)現(xiàn)如下:

protected Node rotateRight(Node h) {
    Node x = h.left;
    h.left = x.right;
    x.right = h;
    x.color = h.color;
    h.color = Node.RED;

    size(h);
    size(x);

    return x;
}
   
變色

在2-3樹(shù)中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)中的key值達(dá)到了3個(gè)就需要進(jìn)行分裂,其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)上??;那在紅黑樹(shù)中應(yīng)該如何來(lái)表示這個(gè)操作呢?

在紅黑樹(shù)中要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分裂,其實(shí)就是節(jié)點(diǎn)顏色的變化;紅黑樹(shù)經(jīng)過(guò)左旋右旋之后最終都會(huì)達(dá)到父節(jié)點(diǎn)是黑色,左右兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)是紅色(后面再插入操作中可以看到詳細(xì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程),這種狀態(tài)就對(duì)應(yīng)了2-3樹(shù)中的三鍵節(jié)點(diǎn)的情況,這時(shí)候分裂的操作就是把左右兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的顏色變成黑色,父節(jié)點(diǎn)變成紅色。

如何使用紅黑樹(shù)  

代碼實(shí)現(xiàn)如下:

/轉(zhuǎn)換顏色,對(duì)應(yīng)了23樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)分裂
protected void upSplit(Node node) {
    if (Objects.isNull(node)) {
        return;
    }
    node.left.color = Node.BLACK;
    node.right.color = Node.BLACK;
    node.color = Node.RED;
}
   
插入
 
向單鍵節(jié)點(diǎn)插入
  1. 如果插入的鍵小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鍵值,那么直接新增一個(gè)紅色左節(jié)點(diǎn)
如何使用紅黑樹(shù)  
  1. 如果插入的鍵大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鍵值,那么插入一個(gè)紅色的右節(jié)點(diǎn),由于只允許左邊出現(xiàn)紅色節(jié)點(diǎn),所以我們需要進(jìn)行左旋一次
如何使用紅黑樹(shù)  
 
向雙鍵節(jié)點(diǎn)中插入
  1. 向雙鍵節(jié)點(diǎn)中插入新的鍵有三種情況,我們先來(lái)看最簡(jiǎn)單的情況,插入的鍵值最大,插入之后只需要變化顏色即可,變化過(guò)程如下圖
如何使用紅黑樹(shù)  
  1. 第二種情況是插入的鍵值最小,插入之后造成了兩個(gè)紅色節(jié)點(diǎn)相連,所以需要進(jìn)行右旋,然后在變色
如何使用紅黑樹(shù)  
  1. 第三種情況插入的鍵值在原來(lái)兩鍵之間,需要先進(jìn)行左旋,再右旋,最后在變色
如何使用紅黑樹(shù)  

根據(jù)以上各種情況的分析,我們可以總結(jié)出統(tǒng)一的變化規(guī)律:

  • 若右子節(jié)點(diǎn)是紅色,左子節(jié)點(diǎn)是黑樹(shù),那么就進(jìn)行左旋
  • 若左子節(jié)點(diǎn)是紅色且他的左子節(jié)點(diǎn)也是紅色,那么就進(jìn)行右旋
  • 若左右子節(jié)點(diǎn)都是紅色,那么就進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換

圖形變化如下:

如何使用紅黑樹(shù)  

經(jīng)過(guò)上面的分析之后我們現(xiàn)在可以來(lái)代碼實(shí)現(xiàn)紅黑樹(shù)的插入操作

@Override
public void put(K key, V value) {
    if (Objects.isNull(key)) {
        throw new IllegalArgumentException("the key can't null");
    }
    root = put(root, key, value);
    root.color = Node.BLACK; 
}

private Node put(Node node, K key, V value) {
    if (Objects.isNull(node)) {
        return new Node(key, value, Node.RED);
    }
    int compare = key.compareTo(node.key);
    if (compare > 0) {
        node.right = put(node.right, key, value);
    } else if (compare < 0) {
        node.left = put(node.left, key, value);
    } else {
        node.value = value;
    }

    if (isRed(node.right) && !isRed(node.left)) {
        node = rotateLeft(node);
    }
    if (isRed(node.left) && isRed(node.left.left)) {
        node = rotateRight(node);
    }
    if (isRed(node.left) && isRed(node.right)) {
        upSplit(node);
    }

    size(node);
    return node;
}
 

由于根節(jié)點(diǎn)必須為黑色的性質(zhì),防止變色操作把根節(jié)點(diǎn)變?yōu)榧t色,所以我們?cè)诓迦氩僮髦蠼y(tǒng)一設(shè)置一次根節(jié)點(diǎn)為黑色;

紅黑樹(shù)的插入操作前半部分和上一篇實(shí)現(xiàn)的二叉樹(shù)的插入操作一致,唯一不同的只有最后三個(gè)if操作,這三個(gè)操作就是上面總結(jié)的統(tǒng)一變化規(guī)律的代碼實(shí)現(xiàn)。

第一個(gè)if判斷處理如果右節(jié)點(diǎn)是紅色,左節(jié)點(diǎn)是黑色,那么就進(jìn)行左旋

第二個(gè)if判斷處理如果左節(jié)點(diǎn)時(shí)紅色且他的左節(jié)點(diǎn)也是紅色,那么就進(jìn)行右旋

第三個(gè)if判斷如果左右兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)都是紅色,那么就進(jìn)行變色

 
刪除

因?yàn)閯h除操作可能會(huì)造成樹(shù)不平衡,并且可能會(huì)破壞紅黑樹(shù)的性質(zhì),所以刪除操作會(huì)比插入操作更加麻煩。

首先我們需要先回到2-3樹(shù)的理論模型中,如果我們刪除的節(jié)點(diǎn)當(dāng)前是雙鍵節(jié)點(diǎn),那么我們可以直接進(jìn)行刪除操作,樹(shù)的高度也不會(huì)結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生變化;所以紅黑樹(shù)的刪除操作的關(guān)鍵就是需要保證待刪除節(jié)點(diǎn)是一個(gè)雙鍵的節(jié)點(diǎn)。

在執(zhí)行刪除操作時(shí)我們也會(huì)實(shí)現(xiàn)到變色的操作,這里的變色和插入是的變色操作恰好相反,父節(jié)點(diǎn)變?yōu)楹谏?,兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)變?yōu)榧t色

protected void flipColors(Node h) {
    h.color = !h.color;
    h.left.color = !h.left.color;
    h.right.color = !h.right.color;
}
 

在正式實(shí)現(xiàn)刪除操作之前,我們先來(lái)討論下紅黑樹(shù)刪除最小值和最大值的情況,最后實(shí)現(xiàn)的刪除操作也會(huì)使用到刪除最小值和刪除最大值

 
刪除最小值

二叉樹(shù)刪除最小值就是一直沿著樹(shù)的左子樹(shù)中查找,直到遇到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的左子樹(shù)為null,那么就刪除該節(jié)點(diǎn)

紅黑樹(shù)的刪除最小值類似,但是我們需要保證待刪除的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)雙鍵的節(jié)點(diǎn),所以在在遞歸到每個(gè)節(jié)點(diǎn)是都需要保住當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是雙鍵節(jié)點(diǎn),那么在最后找到的最小值就一定會(huì)在一個(gè)雙鍵節(jié)點(diǎn)中(因?yàn)檫f歸時(shí)已經(jīng)保住的父節(jié)點(diǎn)是雙鍵節(jié)點(diǎn))。

那么如果保證當(dāng)前遞歸節(jié)點(diǎn)是一個(gè)雙鍵節(jié)點(diǎn)呢?這里就會(huì)有3中情況:

  • 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)雙鍵節(jié)點(diǎn),直接刪除
如何使用紅黑樹(shù)  
  • 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)單鍵節(jié)點(diǎn),但他的兄弟是一個(gè)雙鍵節(jié)點(diǎn),那么通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)到左子節(jié)點(diǎn)形成雙鍵節(jié)點(diǎn)之后,再執(zhí)行刪除操作
如何使用紅黑樹(shù)  
  • 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)和右子節(jié)點(diǎn)都是單鍵節(jié)點(diǎn),那么通過(guò)變色與父節(jié)點(diǎn)共同形成三鍵節(jié)點(diǎn)之后,再執(zhí)行刪除
如何使用紅黑樹(shù)  

以上是紅黑樹(shù)刪除最小值會(huì)遇到的所有情況,針對(duì)最后兩種情況,為了代碼的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,我們考慮把這兩種情況進(jìn)行合并;

先把初始化根節(jié)點(diǎn)為紅色,再進(jìn)行變色,然后判斷是否node.right.left是紅色,如果是就進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作如何使用紅黑樹(shù)

刪除最小值的代碼實(shí)現(xiàn)如下:

private Node moveToRedLeft(Node h) {
    flipColors(h);
    if (isRed(h.right.left)) {
        h.right = rotateRight(h.right);
        h = rotateLeft(h);
        flipColors(h);
    }
    return h;
}

@Override
public void deleteMin() {
    if (isEmpty()) {
        throw new NoSuchElementException("BST underflow");
    }

    if (!isRed(root.left) && !isRed(root.right)) {
        root.color = Node.RED;
    }

    root = deleteMin(root);
    if (!isEmpty()) {
        root.color = Node.BLACK;
    }
}

private Node deleteMin(Node h) {
    if (h.left == null) {
        return null;
    }

    if (!isRed(h.left) && !isRed(h.left.left)) {
        h = moveToRedLeft(h);
    }

    h.left = deleteMin(h.left);
    return balance(h);
}

private Node balance(Node h) {
    if (isRed(h.right) && !isRed(h.left)) {
        h = rotateLeft(h);
    }
    if (isRed(h.left) && isRed(h.left.left)) {
        h = rotateRight(h);
    }
    if (isRed(h.left) && isRed(h.right)) {
        flipColors(h);
    }

    h.size = size(h.left) + size(h.right) + 1;
    return h;
}
 

在刪除掉最小值之后,我們需要重新修復(fù)紅黑樹(shù),因?yàn)橹拔覀兊牟僮骺赡軙?huì)導(dǎo)致3鍵節(jié)點(diǎn)的存在,刪除之后我們需要重新分解3建節(jié)點(diǎn);上面代碼中的balance就是重新修復(fù)紅黑樹(shù)。

 
刪除最大值

刪除最大值思路和刪除最小值的思路類似,這里就不詳細(xì)敘述了,直接上圖

如何使用紅黑樹(shù)  

刪除最大值需要從左節(jié)點(diǎn)中借一個(gè)節(jié)點(diǎn),代碼實(shí)現(xiàn)如下:

@Override
public void deleteMax() {
    if (isEmpty()) {
        throw new NoSuchElementException("BST underflow");
    }

    if (!isRed(root.left) && !isRed(root.right)) {
        root.color = Node.RED;
    }

    root = deleteMax(root);
    if (!isEmpty()) {
        root.color = Node.BLACK;
    }

}

private Node deleteMax(Node node) {
    if (isRed(node.left)) { //此處與刪除最小值不同,如果左邊是紅色,那么先借一個(gè)節(jié)點(diǎn)到右邊來(lái)
        node = rotateRight(node);
    }
    if (Objects.isNull(node.right)) {
        return null;
    }
    if (!isRed(node.right) && !isRed(node.right.left)) {
        node = moveToRedRight(node);
    }
    node.right = deleteMax(node.right);
    return balance(node);
}

private Node moveToRedRight(Node node) {
    flipColors(node);
    if (isRed(node.left.left)) {
        node = rotateRight(node);
        flipColors(node);
    }
    return node;
}
   
刪除任意節(jié)點(diǎn)

在查找路徑上進(jìn)行和刪除最小值相同的變換可以保證在查找過(guò)程中任意當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不會(huì)是雙鍵節(jié)點(diǎn);

如果查找的鍵值在左節(jié)點(diǎn),那么就執(zhí)行與刪除最小值類似的變化,從右邊借節(jié)點(diǎn);

如果查找的鍵值在右節(jié)點(diǎn),那么就執(zhí)行與刪除最大值類似的變化,從左邊借節(jié)點(diǎn)。

如果待刪除的節(jié)點(diǎn)處理葉子節(jié)點(diǎn),那么可以直接刪除;如果是非葉子節(jié)點(diǎn),那么左子樹(shù)不為空就與左子樹(shù)中最大值進(jìn)行交換,然后刪除左子樹(shù)中的最大值,左子樹(shù)為空就與右子樹(shù)最小值進(jìn)行交換,然后刪除右子樹(shù)中的最小值。

代碼實(shí)現(xiàn)如下:

@Override
public void delete(K key) {
    if (isEmpty()) {
        throw new NoSuchElementException("BST underflow");
    }

    if (!isRed(root.left) && !isRed(root.right)) {
        root.color = Node.RED;
    }

    root = delete(root, key);
    if (!isEmpty()) {
        root.color = Node.BLACK;
    }
}


private Node delete(Node node, K key) {
    int compare = key.compareTo(node.key);
    if (compare < 0) {//左子樹(shù)中查找
        if (!isRed(node.left) && !isRed(node.left.left)) {
            node = moveToRedLeft(node);
        }
        node.left = delete(node.left, key);
    } else if (compare > 0) { //右子樹(shù)中查找
        if (isRed(node.left)) {
            node = rotateRight(node);
        }
        if (!isRed(node.right) && !isRed(node.right.left)) {
            node = moveToRedRight(node);
        }
        node.right = delete(node.right, key);
    } else {
        if (Objects.isNull(node.left) && Objects.isNull(node.right)) {
            return null; //葉子節(jié)點(diǎn)直接結(jié)束
        }

        if (Objects.nonNull(node.left)) { //左子樹(shù)不為空
            Node max = max(node.left);
            node.key = max.key;
            node.value = max.value;
            node.left = deleteMax(node.left);
        } else { //右子樹(shù)不為空
            Node min = min(node.right);
            node.key = min.key;
            node.value = min.value;
            node.right = deleteMin(node.right);
        }
    }
    return balance(node);
}
   

畫(huà)出紅黑樹(shù)來(lái)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)

上面我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了紅黑樹(shù)的主要代碼,但是如何驗(yàn)證我們的紅黑樹(shù)是不是真正的紅黑樹(shù),最好的方式就是基于我們實(shí)現(xiàn)的版本畫(huà)出紅黑樹(shù),然后通過(guò)紅黑樹(shù)的性質(zhì)來(lái)驗(yàn)證

由于如何畫(huà)出紅黑樹(shù)不是本篇的重點(diǎn),所以就不貼出代碼了,有需要的朋友可以去倉(cāng)庫(kù)中查看;

編寫(xiě)單元來(lái)測(cè)試我們用紅黑樹(shù)實(shí)現(xiàn)的Map,并且畫(huà)出紅黑樹(shù)驗(yàn)證是否正確

@Test
public void testDelete() throws IOException {
    RedBlack23RedBlackTreeMap<Integer, String> map = new RedBlack23RedBlackTreeMap<>();
    map.put(8, "80");
    map.put(18, "180");
    map.put(5, "50");
    map.put(15, "150");
    map.put(17, "170");
    map.put(25, "250");
    map.put(40, "40");
    map.put(80, "80");
    map.put(30, "30");
    map.put(60, "60");
    map.put(16, "16");

    map.draw("/Users/huaan9527/Desktop/redBlack4.png"); //畫(huà)出刪除之前的紅黑樹(shù)
    map.delete(40);
    map.delete(17);
    map.delete(25);
    map.nodes().forEach(System.out::println); //根據(jù)key從小到大順序打印出節(jié)點(diǎn)

    map.draw("/Users/huaan9527/Desktop/redBlack5.png"); //畫(huà)出刪除之后的紅黑樹(shù)
}
 

順序打印出node的執(zhí)行的結(jié)果:

如何使用紅黑樹(shù)

“如何使用紅黑樹(shù)”的內(nèi)容就介紹到這里了,感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站,小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章!

向AI問(wèn)一下細(xì)節(jié)

免責(zé)聲明:本站發(fā)布的內(nèi)容(圖片、視頻和文字)以原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載和分享為主,文章觀點(diǎn)不代表本網(wǎng)站立場(chǎng),如果涉及侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系站長(zhǎng)郵箱:is@yisu.com進(jìn)行舉報(bào),并提供相關(guān)證據(jù),一經(jīng)查實(shí),將立刻刪除涉嫌侵權(quán)內(nèi)容。

AI