红黑树插入删除简单实现

//红黑树插入删除简单实现
#include<istream>
#include<ctime>
using namespace std;

typedef int   key_t;
typedef char data_t;
typedef enum { RED, BLACK }color_t;
typedef struct rb_node_t
{
    key_t      key;
    rb_node_t * parent;
    rb_node_t *left;
    color_t    color;
    data_t     data;
    rb_node_t *right;
}rb_node_t;
//一、左旋代码分析  
/*———————————————————–
|   node           right
|   / /    ==>     / /
|   a  right     node  y
|       / /       / /
|       b  y     a   b    //左旋
———————————————————–*/
rb_node_t *rb_new_node(key_t key, data_t data)
{
    rb_node_t *s = (rb_node_t*)malloc(sizeof(rb_node_t));
    if (NULL == s) exit(1);
    s->key = key;
    s->data = data;
    s->color = BLACK;
    s->parent = s->left = s->right = NULL;
    return s;
}
void FreeNode(rb_node_t *root)
{
    free(root);
    root = NULL;
}
static rb_node_t * rb_rotate_left(rb_node_t* node, rb_node_t* root)
{
    rb_node_t* right = node->right;    //指定指针指向 right<–node->right  

    if ((node->right = right->left))
    {
        right->left->parent = node;  //好比上面的注释图,node成为b的父母  
    }
    right->left = node;   //node成为right的左孩子  

    if ((right->parent = node->parent))
    {
        if (node == node->parent->right)
        {
            node->parent->right = right;
        }
        else
        {
            node->parent->left = right;
        }
    }
    else
    {
        root = right;
    }
    node->parent = right;  //right成为node的父母  

    return root;
}

//二、右旋  
/*———————————————————–
|       node            left
|       / /             / /
|    left  y   ==>    a    node
|   / /                    / /
|  a   b                  b   y  //右旋与左旋差不多,分析略过
———————————————————–*/
static rb_node_t* rb_rotate_right(rb_node_t* node, rb_node_t* root)
{
    rb_node_t* left = node->left;

    if ((node->left = left->right))
    {
        left->right->parent = node;
    }
    left->right = node;

    if ((left->parent = node->parent))
    {
        if (node == node->parent->right)
        {
            node->parent->right = left;
        }
        else
        {
            node->parent->left = left;
        }
    }
    else
    {
        root = left;
    }
    node->parent = left;

    return root;
}

//三、红黑树查找结点  
//—————————————————-  
//rb_search_auxiliary:查找  
//rb_node_t* rb_search:返回找到的结点  
//—————————————————-  
static rb_node_t* rb_search_auxiliary(key_t key, rb_node_t* root, rb_node_t** save)
{
    rb_node_t *node = root, *parent = NULL;
    int ret;
    while (node)
    {
        parent = node;
        ret = node->key – key;
        if (0 < ret)
        {
            node = node->left;
        }
        else if (0 > ret)
        {
            node = node->right;
        }
        else
        {
            return node;
        }
    }
    if (save)
    {
        *save = parent;
    }
    return NULL;
}

//返回上述rb_search_auxiliary查找结果  
rb_node_t* rb_search(key_t key, rb_node_t* root)
{
    return rb_search_auxiliary(key, root, NULL);
}
//五、红黑树的3种插入情况  
//接下来,咱们重点分析针对红黑树插入的3种情况,而进行的修复工作。  
//————————————————————–  
//红黑树修复插入的3种情况  
//为了在下面的注释中表示方便,也为了让下述代码与我的倆篇文章相对应,  
//用z表示当前结点,p[z]表示父母、p[p[z]]表示祖父、y表示叔叔。  
//———————————————————
static rb_node_t* rb_insert_rebalance(rb_node_t *node, rb_node_t *root)
{
    rb_node_t *parent, *gparent, *uncle, *tmp;  //父母p[z]、祖父p[p[z]]、叔叔y、临时结点*tmp  
    while ( (parent = node->parent) && parent->color == RED)
    {     //parent 为node的父母,且当父母的颜色为红时  
        gparent = parent->parent;   //gparent为祖父  
        if (parent == gparent->left)  //当祖父的左孩子即为父母时。  
            //其实上述几行语句,无非就是理顺孩子、父母、祖父的关系。:D。  
        {
            uncle = gparent->right;  //定义叔叔的概念,叔叔y就是父母的右孩子。  
            if (uncle && uncle->color == RED) //情况1:z的叔叔y是红色的  
            {
                uncle->color = BLACK;   //将叔叔结点y着为黑色  
                parent->color = BLACK;  //z的父母p[z]也着为黑色。解决z,p[z]都是红色的问题。  
                gparent->color = RED;
                node = gparent;     //将祖父当做新增结点z,指针z上移俩层,且着为红色。  
                //上述情况1中,只考虑了z作为父母的右孩子的情况。  
            }
            else                     //情况2:z的叔叔y是黑色的,  
            {
                if (parent->right == node)  //且z为右孩子  
                {
                    root = rb_rotate_left(parent, root); //左旋[结点z,与父母结点]  
                    tmp = parent;
                    parent = node;
                    node = tmp;     //parent与node 互换角色  
                }
                //情况3:z的叔叔y是黑色的,此时z成为了左孩子。  
                //注意,1:情况3是由上述情况2变化而来的。  
                //……2:z的叔叔总是黑色的,否则就是情况1了。  
                parent->color = BLACK;   //z的父母p[z]着为黑色  
                gparent->color = RED;    //原祖父结点着为红色  
                root = rb_rotate_right(gparent, root); //右旋[结点z,与祖父结点]  
            }
        }
        else
        {
            // if (parent == gparent->right) 当祖父的右孩子即为父母时。(解释请看本文评论下第23楼,同时,感谢SupremeHover指正!)  
            uncle = gparent->left;  //祖父的左孩子作为叔叔结点。[原理还是与上部分一样的]  
            if (uncle && uncle->color == RED)  //情况1:z的叔叔y是红色的  
            {
                uncle->color = BLACK;
                parent->color = BLACK;
                gparent->color = RED;
                node = gparent;           //同上。  
            }
            else                               //情况2:z的叔叔y是黑色的,  
            {
                if (parent->left == node)  //且z为左孩子  
                {
                    root = rb_rotate_right(parent, root);  //以结点parent、root右旋  
                    tmp = parent;
                    parent = node;
                    node = tmp;       //parent与node 互换角色  
                }
                //经过情况2的变化,成为了情况3.  
                parent->color = BLACK;
                gparent->color = RED;
                root = rb_rotate_left(gparent, root);   //以结点gparent和root左旋  
            }
        }
    }
    root->color = BLACK; //根结点,不论怎样,都得置为黑色。  
    return root;      //返回根结点。  
}
//四、红黑树的插入  
//———————————————————  
//红黑树的插入结点  
rb_node_t* rb_insert(key_t key, data_t data, rb_node_t* root)
{
    rb_node_t *parent = NULL, *node = NULL;
    if ((node = rb_search_auxiliary(key, root, &parent)))  //调用rb_search_auxiliary找到插入结点的地方
    {
        return root;
    }
    node = rb_new_node(key, data);  //分配结点  
    node->parent = parent;
    node->left = node->right = NULL;
    node->color = RED;

    if (parent)
    {
        if (parent->key > key)
        {
            parent->left = node;
        }
        else
        {
            parent->right = node;
        }
    }
    else
    {
        root = node;
    }
return rb_insert_rebalance(node, root);   //插入结点后,调用rb_insert_rebalance修复红黑树的性质
}

//七、红黑树的4种删除情况  
//—————————————————————-  
//红黑树修复删除的4种情况  
//为了表示下述注释的方便,也为了让下述代码与我的倆篇文章相对应,  
//x表示要删除的结点,*other、w表示兄弟结点,  
//—————————————————————-  

static rb_node_t* rb_erase_rebalance(rb_node_t *node, rb_node_t *parent, rb_node_t *root)
{
    rb_node_t *other, *o_left, *o_right;   //x的兄弟*other,兄弟左孩子*o_left,*o_right  

    while ((!node || node->color == BLACK) && node != root)
    {
        if (parent->left == node)
        {
            other = parent->right;
            if (other->color == RED)   //情况1:x的兄弟w是红色的  
            {
                other->color = BLACK;
                parent->color = RED;   //上俩行,改变颜色,w->黑、p[x]->红。  
                root = rb_rotate_left(parent, root);  //再对p[x]做一次左旋  
                other = parent->right;  //x的新兄弟new w 是旋转之前w的某个孩子。其实就是左旋后的效果。
            }
            if ((!other->left  || other->left->color == BLACK) &&
                (!other->right || other->right->color == BLACK))
                //情况2:x的兄弟w是黑色,且w的俩个孩子也都是黑色的

            {                         //由于w和w的俩个孩子都是黑色的,则在x和w上得去掉一黑色,  
                other->color = RED;   //于是,兄弟w变为红色。  
                node = parent;    //p[x]为新结点x  
                parent = node->parent;  //x<-p[x]  
            }
            else                       //情况3:x的兄弟w是黑色的,  
            {                          //且,w的左孩子是红色,右孩子为黑色。  
                if (!other->right || other->right->color == BLACK)
                {
                    if ((o_left = other->left))   //w和其左孩子left[w],颜色交换。  
                    {
                        o_left->color = BLACK;    //w的左孩子变为由黑->红色  
                    }
                    other->color = RED;           //w由黑->红  
                    root = rb_rotate_right(other, root);  //再对w进行右旋,从而红黑性质恢复。  
                    other = parent->right;        //变化后的,父结点的右孩子,作为新的兄弟结点w。
                }
                //情况4:x的兄弟w是黑色的  

                other->color = parent->color;  //把兄弟节点染成当前节点父节点的颜色。  
                parent->color = BLACK;  //把当前节点父节点染成黑色  
                if (other->right)      //且w的右孩子是红  
                {
                    other->right->color = BLACK;  //兄弟节点w右孩子染成黑色  
                }
                root = rb_rotate_left(parent, root);  //并再做一次左旋  
                node = root;   //并把x置为根。  
                break;
            }
        }
        //下述情况与上述情况,原理一致。分析略。  
        else
        {
            other = parent->left;
            if (other->color == RED)
            {
                other->color = BLACK;
                parent->color = RED;
                root = rb_rotate_right(parent, root);
                other = parent->left;
            }
            if ((!other->left  || other->left->color == BLACK) &&
                (!other->right || other->right->color == BLACK))
            {
                other->color = RED;
                node = parent;
                parent = node->parent;
            }
            else
            {
                if (!other->left || other->left->color == BLACK)
                {
                    if ((o_right = other->right))
                    {
                        o_right->color = BLACK;
                    }
                    other->color = RED;
                    root = rb_rotate_left(other, root);
                    other = parent->left;
                }
                other->color = parent->color;
                parent->color = BLACK;
                if (other->left)
                {
                    other->left->color = BLACK;
                }
                root = rb_rotate_right(parent, root);
                node = root;
                break;
            }
        }
    }
    if (node)
    {
        node->color = BLACK;  //最后将node[上述步骤置为了根结点],改为黑色。  
    }
    return root;  //返回root  
}

//六、红黑树的删除   
rb_node_t* rb_erase(key_t key, rb_node_t *root)
{
    rb_node_t *child = NULL, *parent, *old, *left, *node;
    color_t color;
    if (!(node = rb_search_auxiliary(key, root, NULL)))  //调用rb_search_auxiliary查找要删除的结点
    {
        printf(“key %d is not exist!/n”);
        return root;
    }
    old = node;
    if (node->left && node->right)
    {
        node = node->right;
        while ((left = node->left) != NULL)
        {
            node = left;
        }
        child = node->right;
        parent = node->parent;
        color = node->color;
        if (child)
        {
            child->parent = parent;
        }
        if (parent)
        {
            if (parent->left == node)
            {
                parent->left = child;
            }
            else
            {
                parent->right = child;
            }
        }
        else
        {
            root = child;
        }
        if (node->parent == old)
        {
            parent = node;
        }
        node->parent = old->parent;
        node->color = old->color;
        node->right = old->right;
        node->left = old->left;
        if (old->parent)
        {
            if (old->parent->left == old)
            {
                old->parent->left = node;
            }
            else
            {
                old->parent->right = node;
            }
        }
        else
        {
            root = node;
        }

        old->left->parent = node;
        if (old->right)
        {
            old->right->parent = node;
        }
    }
    else
    {
        if (!node->left)
        {
            child = node->right;
        }
        else if (!node->right)
        {
            child = node->left;
        }
        parent = node->parent;
        color = node->color;

        if (child)
        {
            child->parent = parent;
        }
        if (parent)
        {
            if (parent->left == node)
            {
                parent->left = child;
            }
            else
            {
                parent->right = child;
            }
        }
        else
        {
            root = child;
        }
    }
    free(old);
    if (color == BLACK)
    {
        root = rb_erase_rebalance(child, parent, root); //调用rb_erase_rebalance来恢复红黑树性质
    }
    return root;
}
//八、测试用例//主函数  
int main()
{
    int i, count = 100;
    key_t key;
    rb_node_t* root = NULL, *node = NULL;
    srand(time(NULL));
    for (i = 1; i < count; ++i)
    {
        key = rand() % count;
        if ((root = rb_insert(key, i, root)))
        {
            printf(“[i = %d] insert key %d success!\n”, i, key);
        }
        else
        {
            printf(“[i = %d] insert key %d error!\n”, i, key);
            exit(-1);
        }
        if ((node = rb_search(key, root)))
        {
            printf(“[i = %d] search key %d success!\n”, i, key);
        }
        else
        {
            printf(“[i = %d] search key %d error!\n”, i, key);
            exit(-1);
        }
        if (!(i % 10))
        {
            if ((root = rb_erase(key, root)))
            {
                printf(“[i = %d] erase key %d success\n”, i, key);
            }
            else
            {
                printf(“[i = %d] erase key %d error\n”, i, key);
            }
        }
    }
    return 0;
}

    原文作者:红黑树
    原文地址: https://my.oschina.net/wangdong2017/blog/735197
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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