一个普通技术宅的点点滴滴

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谈谈红黑树(二)

了解了2- 3-树的插入操作后,便可以正式开始介绍左倾红黑树了。2-3 树好是好,但是由于其是用两种不同类型的节点构成的,实现起来不方便。我们可以用一个方法巧妙的替代2-3树中的3节点,就是用两个普通的2-节点,通过一种特殊的链接——红链接来连接起来,来表示一个3-节点。

当然,要表示出这个红链接,需要给每个节点加入一个额外的属性——颜色,红黑树中每个节点都是两种颜色中的一种——黑色和红色。节点的颜色表示指向该节点的链接颜色。根节点与其他节点不同,其始终为黑色。大家应当注意到,左倾红黑树的“左倾”意味着只能够存在向左的红连接,而不能存在向右的链接。

在红黑树中,为了在保证树的平衡性的同时,还能够保证红链接的合法性,我们采用一个balance函数,其调用rotate_left(左旋)和rotate_right(右旋)以及flip_color_black方法来实现这些变换。flip_color_black和flip_color_red的作用在于将一个子节点全为红色的节点染红,并将其子节点染黑,以及上述操作的反向。其实现已经在文后的代码中给出,这里不再细说。关于树的旋转变换,参见下图。

树旋转

树的插入操作和2-3树类似,首先找到插入位置,插入,然后沿查找路径向上依次执行balance方法(参见实现中的put方法)

再来说说删除最小键,可以在向左遍历的过程中,让红黑树暂时变得“不严谨”,也就是说,暂时允许等价的4-节点出现。并且需要做一个变换,保证当前查找的位置一定是3-节点或者是4-节点,这样当查找到底部的时候,就可以保证当前节点不是2-节点,实现中使用flip_color_red和树的旋转操作来实现,此时只需要直接从树中删去最小节点,然后沿着路径向上调用balance方法恢复树的性质。这里要注意的是,如有需要,我们可以临时改变根节点的颜色为红色,这样就能保证在变换中,父节点的颜色一定是红色。
删除最大键与最小键同理,但因为子节点在右边,需要做一些额外的变换,这里留给读者去思考,实现见代码。

现在遇到了最难的操作——删除指定键,但有了前面删除最大最小键的铺垫,问题也就迎刃而解了。与删除最大最小键时类似,沿着查找路径进行4-节点变换,当找到需要删除的键时,可以分为三种情况:

  • 没有子节点

这种情况非常容易处理,由于可保证当前不是2-节点,直接删除该节点就行

  • 只有一边的子节点

这种也比较简单,只需要将子节点接上原来的链接就行

  • 同时拥有左右节点

此时需要使用类似二叉搜索树中的方法,将该节点与他的右分支中的最小节点交换,此时又将问题转换成了一个删除右分支中的最小键的问题。

最后附上我的实现代码:
[gist https://gist.github.com/Koswu/3383ec7242a997dae163c9af922b1a56]