C#数据结构-红黑树实现

参考网址： https://zhuanlan.zhihu.com/p/353948322

二叉查找树，他对于大多数情况下的查找和插入在效率上来说是没有问题的，但是他在最差的情况下效率比较低。

红黑树保证在最坏的情况下插入和查找效率都能保证在对数的时间复杂度内完成。

红黑树的性质：

性质1.节点是红色或黑色
性质2.根是黑色
性质3.所有叶子都是黑色（叶子是NIL节点）
性质4.如果一个节点是红的，则它的两个子节点都是黑的(从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点)
性质5.从任一节点到其叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。

注：清晰理解红黑树的性质，对红黑树算法的实现有非常重要的作用。

最近发现一个旧金山大学计算机系的一个网站，可以根据你输入的插入、删除和查找的的值，提供非常直观的插入、删除和查找动画展示，删除选取的左子树的最大节点作为删除节点的替换节点。超链接地址

简述一下，红黑树的查找和删除的实现原理：

红黑树的查找：

将要查找的value和节点的value比较，如果小于，那么就在Left Node节点查找；如果大于，则在Right Node节点查找，如果相等，更新Value。

红黑树的删除：

1.如果删除节点没有子节点，直接返回null

2.如果只有一个子节点，返回其子节点代替删除节点即可

3.当左右子节点都不为空时，找到其右子树中的最小节点，替换删除节点的位置

在实现原理上，红黑树的查找和删除，跟二叉查找树是一致的。不过，为了保证树在插入、删除完成之后，保持红黑树的平衡状态，需要实现更多更复杂的逻辑。

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace StructScript
{
    /// 红黑树定义：
    /// 性质1.节点是红色或黑色
    /// 性质2.根是黑色
    /// 性质3.所有叶子都是黑色（叶子是NIL节点）
    /// 性质4.如果一个节点是红的，则它的两个子节点都是黑的(从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点)
    /// 性质5.从任一节点到其叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。
    public class RedBlackTree<T>
    {
        //根节点
        private RedBlackTreeNode<T> mRoot;
        //比较器
        private Comparer<T> mComparer;
        private const bool RED = true;
        private const bool BLACK = false;

        public RedBlackTree()
        {
            mRoot = null;
            mComparer = Comparer<T>.Default;
        }

        public bool Contains(T value)
        {
            RedBlackTreeNode<T> node;
            return Contain(value, out node);
        }

        public bool Contain(T value, out RedBlackTreeNode<T> newNode)
        {
            if (value == null)
            {
                throw new ArgumentNullException();
            }
            newNode = null;
            RedBlackTreeNode<T> node = mRoot;
            while (node != null)
            {
                int comparer = mComparer.Compare(value, node.Data);
                if (comparer > 0)
                {
                    node = node.RightChild;
                }
                else if (comparer < 0)
                {
                    node = node.LeftChild;
                }
                else
                {
                    newNode = node;
                    return true;
                }
            }
            return false;
        }

        public void Add(T value)
        {
            if (mRoot == null)
            {
                // 根节点是黑色的
                mRoot = new RedBlackTreeNode<T>(value, BLACK);
            }
            else
            {
                // 新插入节点是红色的
                Insert1(new RedBlackTreeNode<T>(value, RED), value);
            }
        }

        private void Insert1(RedBlackTreeNode<T> newNode, T value)
        {
            //遍历找到插入位置
            RedBlackTreeNode<T> node = mRoot;
            //插入节点的父节点
            RedBlackTreeNode<T> parent = null;
            while (node != null)
            {
                parent = node;
                int comparer = mComparer.Compare(value, node.Data);
                if (comparer > 0)
                {
                    node = node.RightChild;
                }
                else if (comparer < 0)
                {
                    node = node.LeftChild;
                }
                else
                {
                    node.Data = value;
                    return;
                }
            }
            //找到插入位置，设置新插入节点的父节点为current
            newNode.Parent = parent;
            //比较插入节点的值跟插入位置的值的大小, 插入新节点
            int comparer1 = mComparer.Compare(value, parent.Data);
            if (comparer1 > 0)
            {
                parent.RightChild = newNode;
            }
            else if (comparer1 < 0)
            {
                parent.LeftChild = newNode;
            }
            //将它重新修整为一颗红黑树
            InsertFixUp(newNode);
        }

        private void InsertFixUp(RedBlackTreeNode<T> newNode)
        {
            RedBlackTreeNode<T> parent = newNode.Parent; //插入节点的父节点
            RedBlackTreeNode<T> gParent = null; //插入节点的祖父节点
            //父节点的颜色是红色,并且不为空
            while (IsRed(parent) && parent != null)
            {
                //获取祖父节点，这里不用判空，
                //因为如果祖父节点为空，parent就是根节点，根节点是黑色，不会再次进入循环
                gParent = parent.Parent;
                //若父节点是祖父节点的左子节点 
                if (parent == gParent.LeftChild)
                {
                    RedBlackTreeNode<T> uncle = gParent.RightChild; //获得叔叔节点  

                    //case1: 叔叔节点也是红色  
                    if (uncle != null && IsRed(uncle))
                    {
                        //把父节点和叔叔节点涂黑,祖父节点涂红
                        parent.Color = BLACK;
                        uncle.Color = BLACK;
                        gParent.Color = RED;
                        //把祖父节点作为插入节点，向上继续遍历
newNode = gParent;
                        parent = newNode.Parent;
                        continue; //继续while，重新判断  
}

                    //case2: 叔叔节点是黑色，且当前节点是右子节点  
if (newNode == parent.RightChild)
                    {
                        //从父节点处左旋
//当这种情况时，只能左旋，因为父亲节点和祖父节点变色，无论左旋还是右旋，都会违背红黑树的基本性质
RotateLeft(parent);
                        //当左旋后，红黑树变成case3的情况，区别就是插入节点是父节点
//所以，将父节点和插入节点调换一下，为下面右旋做准备
RedBlackTreeNode<T> tmp = parent;
                        parent = newNode;
                        newNode = tmp;
                    }

                    //case3: 叔叔节点是黑色，且当前节点是左子节点
// 父亲和祖父节点变色，从祖父节点处右旋
parent.Color = BLACK;
                    gParent.Color = RED;
                    RotateRight(gParent);
                }
                else
                {
                    //若父节点是祖父节点的右子节点,与上面的完全相反
RedBlackTreeNode<T> uncle = gParent.LeftChild;

                    //case1: 叔叔节点也是红色  
if (uncle != null & IsRed(uncle))
                    {
                        //把父节点和叔叔节点涂黑,祖父节点涂红
parent.Color = BLACK;
                        uncle.Color = BLACK;
                        gParent.Color = RED;
                        //把祖父节点作为插入节点，向上继续遍历
newNode = gParent;
                        parent = newNode.Parent;
                        continue;//继续while，重新判断
}

                    //case2: 叔叔节点是黑色的，且当前节点是左子节点  
if (newNode == parent.LeftChild)
                    {
                        //从父节点处右旋
//当这种情况时，只能右旋，因为父亲节点和祖父节点变色，无论左旋还是右旋，都会违背红黑树的基本性质
RotateRight(parent);
                        RedBlackTreeNode<T> tmp = parent;
                        parent = newNode;
                        newNode = tmp;
                    }

                    //case3: 叔叔节点是黑色的，且当前节点是右子节点  
// 父亲和祖父节点变色，从祖父节点处右旋
parent.Color = BLACK;
                    gParent.Color = RED;
                    RotateLeft(gParent);
                }
            }
            //将根节点设置为黑色
mRoot.Color = BLACK;
        }

        public bool IsRed(RedBlackTreeNode<T> node)
        {
            if (node == null)
            {
                return false;
            }
            if (node.Color == RED)
            {
                return true;
            }
            return false;
        }

        public bool IsBlack(RedBlackTreeNode<T> node)
        {
            if (node == null)
            {
                return false;
            }
            if (node.Color == BLACK)
            {
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 左旋转,逆时针旋转
/*************对红黑树节点x进行左旋操作 ******************/
        /* 
         * 左旋示意图：对节点x进行左旋 
         *     p                       p 
         *    /                       / 
         *   x                       y 
         *  /                      /  
         * lx  y                   x  ry 
         *    /                  /  
         *   ly ry               lx ly 
         * 左旋做了三件事： 
         * 1. 将y的左子节点赋给x的右子节点,并将x赋给y左子节点的父节点(y左子节点非空时) 
         * 2. 将x的父节点p(非空时)赋给y的父节点，同时更新p的子节点为y(左或右) 
         * 3. 将y的左子节点设为x，将x的父节点设为y 
         */
        private void RotateLeft(RedBlackTreeNode<T> x)
        {
            //1. 将y的左子节点赋给x的右子节点，并将x赋给y左子节点的父节点(y左子节点非空时)  
RedBlackTreeNode<T> y = x.RightChild;
            x.RightChild = y.LeftChild;

            if (y.LeftChild != null)
            {
                y.LeftChild.Parent = x;
            }

            //2. 将x的父节点p(非空时)赋给y的父节点，同时更新p的子节点为y(左或右) 
if (x.Parent != null)
            {
                y.Parent = x.Parent;
            }

            if (x.Parent == null)
            {
                mRoot = y; //如果x的父节点为空，则将y设为父节点
y.Parent = null;//设置y的父节点为空  
}
            else
            {
                //如果x是左子节点  
if (x == x.Parent.LeftChild)
                {
                    //则也将y设为左子节点  
x.Parent.LeftChild = y;
                }
                else
                {
                    //否则将y设为右子节点 
x.Parent.RightChild = y;
                }
            }

            //3. 将y的左子节点设为x，将x的父节点设为y  
y.LeftChild = x;
            x.Parent = y;
        }

        // 右旋转,顺时针旋转
/*************对红黑树节点y进行右旋操作 ******************/
        /* 
         * 左旋示意图：对节点y进行右旋 
         *        p                   p 
         *       /                   / 
         *      y                   x 
         *     /                  /  
         *    x  ry               lx  y 
         *   /                      /  
         * lx  rx                   rx ry 
         * 右旋做了三件事： 
         * 1. 将x的右子节点赋给y的左子节点,并将y赋给x右子节点的父节点(x右子节点非空时) 
         * 2. 将y的父节点p(非空时)赋给x的父节点，同时更新p的子节点为x(左或右) 
         * 3. 将x的右子节点设为y，将y的父节点设为x 
         */
        private void RotateRight(RedBlackTreeNode<T> y)
        {
            //1.将x的右子节点赋值给y的左子节点，同时将y赋值给x的右子节点的父节点(如果x的右子节点非空)
RedBlackTreeNode<T> x = y.LeftChild;
            y.LeftChild = x.RightChild;

            if (x.RightChild != null)
            {
                x.RightChild.Parent = y;
            }

            //2.如果y的父节点非空时，将y的父节点赋值给x的父节点，同时更新p的子节点为x
if (y.Parent != null)
            {
                x.Parent = y.Parent;
            }
            //如果y的父节点为空，则将x设为父节点
if (y.Parent == null)
            {
                mRoot = x;
                x.Parent = null;//设置x的父节点为空
}
            else
            {
                //如果y是右子节点
if (y == y.Parent.RightChild)
                {
                    //则也将y设为右子节点  
y.Parent.RightChild = x;
                }
                else
                {
                    //否则将x设为左子节点
y.Parent.LeftChild = x;
                }
            }

            //3.将x的右子节点设为y，y的父节点设置为x
x.RightChild = y;
            y.Parent = x;
        }

        public int Count
        {
            get
            {
                return CountLeafNode(mRoot);
            }
        }

        private int CountLeafNode(RedBlackTreeNode<T> root)
        {
            if (root == null)
            {
                return 0;
            }
            else
            {
                return CountLeafNode(root.LeftChild) + CountLeafNode(root.RightChild) + 1;
            }
        }

        public int Depth
        {
            get
            {
                return GetHeight(mRoot);
            }
        }

        private int GetHeight(RedBlackTreeNode<T> root)
        {
            if (root == null)
            {
                return 0;
            }
            int leftHight = GetHeight(root.LeftChild);
            int rightHight = GetHeight(root.RightChild);
            return leftHight > rightHight ? leftHight + 1 : rightHight + 1;
        }

        public T Max
        {
            get
            {
                RedBlackTreeNode<T> node = mRoot;
                while (node.RightChild != null)
                {
                    node = node.RightChild;
                }
                return node.Data;
            }
        }

        public T Min
        {
            get
            {
                if (mRoot != null)
                {
                    RedBlackTreeNode<T> node = GetMinNode(mRoot);
                    return node.Data;
                }
                else
                {
                    return default(T);
                }
            }
        }

        public void DelMin()
        {
            mRoot = DelMin(mRoot);
        }

        private RedBlackTreeNode<T> DelMin(RedBlackTreeNode<T> node)
        {
            if (node.LeftChild == null)
            {
                return node.RightChild;
            }
            node.LeftChild = DelMin(node.LeftChild);
            return node;
        }

        public void Remove(T value)
        {
            mRoot = Delete(mRoot, value);
        }

        private RedBlackTreeNode<T> Delete(RedBlackTreeNode<T> node, T value)
        {
            if (node == null)
            {
                Console.WriteLine("没有找到要删除的节点: " + value);
                return null;
            }
            int comparer = mComparer.Compare(value, node.Data);
            if (comparer > 0)
            {
                node.RightChild = Delete(node.RightChild, value);
            }
            else if (comparer < 0)
            {
                node.LeftChild = Delete(node.LeftChild, value);
            }
            else
            {
                // a.如果删除节点没有子节点，直接返回null
// b.如果只有一个子节点，返回其子节点代替删除节点即可
if (node.LeftChild == null)
                {
                    if (node.RightChild != null)
                    {
                        node.RightChild.Parent = node.Parent;
                    }
                    return node.RightChild;
                }
                else if (node.RightChild == null)
                {
                    if (node.LeftChild != null)
                    {
                        node.LeftChild.Parent = node.Parent;
                    }
                    return node.LeftChild;
                }
                else
                {
                    // c.被删除的节点“左右子节点都不为空”的情况  
RedBlackTreeNode<T> child;
                    RedBlackTreeNode<T> parent;
                    bool color;
                    // 1. 先找到“删除节点的右子树中的最小节点”，用它来取代被删除节点的位置
// 注意：这里也可以选择“删除节点的左子树中的最大节点”作为被删除节点的替换节点
RedBlackTreeNode<T> replace = node;
                    replace = GetMinNode(replace.RightChild);

                    // 2. 更新删除父节点及其子节点
// 要删除的节点不是根节点  
if (node.Parent != null)
                    {
                        // 要删除的节点是：删除节点的父节点的左子节点 
if (node == node.Parent.LeftChild)
                        {
                            // 把“删除节点的右子树中的最小节点”赋值给“删除节点的父节点的左子节点” 
node.Parent.LeftChild = replace;
                        }
                        else
                        {
                            // 把“删除节点的右子树中的最小节点”赋值给“删除节点的父节点的右子节点”
node.Parent.RightChild = replace;
                        }
                    }
                    else
                    {
                        // 要删除的节点是根节点
// 如果只有一个根节点，把mRoot赋值为null，这时replace为null
// 如果不止一个节点，返回根节点的右子树中的最小节点
mRoot = replace;
                    }

                    // 记录被删除节点的右子树中的最小节点的右子节点，父亲节点及颜色，没有左子节点
child = replace.RightChild;
                    parent = replace.Parent;
                    color = replace.Color;

                    // 3. 删除“被删除节点的右子树中的最小节点”，同时更新替换节点的左右子节点，父亲节点及颜色
// 替换节点 也就是 最小节点
if (parent == node)
                    {
                        // 被删除节点的右子树中的最小节点是被删除节点的子节点
parent = replace;
                    }
                    else
                    {
                        //如果最小节点的右子节点不为空，更新其父节点
if (child != null)
                        {
                            child.Parent = parent;
                        }
                        //更新最小节点的父节点的左子节点，指向最小节点的右子节点
parent.LeftChild = child;
                        //更新替换节点的右子节点
replace.RightChild = node.RightChild;
                        //更新删除节点的右子节点的父节点
node.RightChild.Parent = replace;
                    }
                    //更新替换节点的左右子节点，父亲节点及颜色
replace.Parent = node.Parent;
                    //保持原来位置的颜色
replace.Color = node.Color;
                    replace.LeftChild = node.LeftChild;
                    //更新删除节点的左子节点的父节点
node.LeftChild.Parent = replace;

                    //红黑树平衡修复
//如果删除的最小节点颜色是黑色，需要重新平衡红黑树
//如果删除的最小节点颜色是红色，只需要替换删除节点后，涂黑即可
//上面的保持原来位置的颜色已经处理了这种情况，这里只需要判断最小节点是黑色的情况
if (color == BLACK)
                    {
                        //将最小节点的child和parent传进去
RemoveFixUp(child, parent);
                    }
                    return replace;
                }
            }
            return node;
        }

        private void RemoveFixUp(RedBlackTreeNode<T> node, RedBlackTreeNode<T> parent)
        {
            RedBlackTreeNode<T> brother;
            // 被删除节点的右子树中的最小节点 不是 被删除节点的子节点的情况
while ((node == null || IsBlack(node)) && (node != mRoot))
            {
                if (parent.LeftChild == node)
                {
                    //node是左子节点，下面else与这里的刚好相反  
brother = parent.RightChild; //node的兄弟节点  
if (IsRed(brother))
                    {
                        //case1: node的兄弟节点brother是红色的 
brother.Color = BLACK;
                        parent.Color = RED;
                        RotateLeft(parent);
                        brother = parent.RightChild;
                    }

                    //case2: node的兄弟节点brother是黑色的，且brother的两个子节点也都是黑色的
//继续向上遍历  
if ((brother.LeftChild == null || IsBlack(brother.LeftChild)) &&
                        (brother.RightChild == null || IsBlack(brother.RightChild)))
                    {
                        //把兄弟节点设置为黑色，平衡红黑树
brother.Color = RED;
                        node = parent;
                        parent = node.Parent;
                    }
                    else
                    {
                        //case3: node的兄弟节点brother是黑色的，且brother的左子节点是红色，右子节点是黑色  
if (brother.RightChild == null || IsBlack(brother.RightChild))
                        {
                            brother.LeftChild.Color = BLACK;
                            brother.Color = RED;
                            RotateRight(brother);
                            brother = parent.RightChild;
                        }

                        //case4: node的兄弟节点brother是黑色的，且brother的右子节点是红色，左子节点任意颜色  
brother.Color = parent.Color;
                        parent.Color = BLACK;
                        brother.RightChild.Color = BLACK;
                        RotateLeft(parent);
                        node = mRoot;
                        break;
                    }
                }
                else
                {
                    //与上面的对称  
brother = parent.LeftChild;
                    if (IsRed(brother))
                    {
                        // Case 1: node的兄弟brother是红色的   
brother.Color = BLACK;
                        parent.Color = RED;
                        RotateRight(parent);
                        brother = parent.LeftChild;
                    }
                    // Case 2: node的兄弟brother是黑色，且brother的俩个子节点都是黑色的 
if ((brother.LeftChild == null || IsBlack(brother.LeftChild)) &&
                        (brother.RightChild == null || IsBlack(brother.RightChild)))
                    {
                        //把兄弟节点设置为黑色，平衡红黑树
brother.Color = RED;
                        node = parent;
                        parent = node.Parent;
                    }
                    else
                    {
                        // Case 3: node的兄弟brother是黑色的，并且brother的左子节点是红色，右子节点为黑色。
if (brother.LeftChild == null || IsBlack(brother.LeftChild))
                        {
                            brother.RightChild.Color = BLACK;
                            brother.Color = RED;
                            RotateLeft(brother);
                            brother = parent.LeftChild;
                        }

                        // Case 4: node的兄弟brother是黑色的；并且brother的左子节点是红色的，右子节点任意颜色  
brother.Color = parent.Color;
                        parent.Color = BLACK;
                        brother.LeftChild.Color = BLACK;
                        RotateRight(parent);
                        node = mRoot;
                        break;
                    }
                }
            }
            //如果删除的最小节点的右子节点是红色，只需要替换最小节点后，涂黑即可
if (node != null)
            {
                node.Color = BLACK;
            }
        }

        private RedBlackTreeNode<T> GetMinNode(RedBlackTreeNode<T> node)
        {
            while (node.LeftChild != null)
            {
                node = node.LeftChild;
            }
            return node;
        }

        // 中序遍历：首先遍历其左子树，然后访问根结点，最后遍历其右子树。
// 递归方法实现体内再次调用方法本身的本质是多个方法的简写，递归一定要有出口
public void ShowTree()
        {
            ShowTree(mRoot);
        }

        private void ShowTree(RedBlackTreeNode<T> node)
        {
            if (node == null)
            {
                return;
            }
            ShowTree(node.LeftChild);
            string nodeColor = node.Color == RED ? "red" : "black";
            string log;
            if (node.Parent != null)
            {
                log = node.Data + " " + nodeColor + " parent= " + node.Parent.Data;
            }
            else
            {
                log = node.Data + " " + nodeColor + " parent= null";
            }
            //打印节点数据
Console.WriteLine(log);
            ShowTree(node.RightChild);
        }
    }

    public class RedBlackTreeNode<T>
    {
        //数据
public T Data { get; set; }

        //左子节点
public RedBlackTreeNode<T> LeftChild { get; set; }

        //右子节点
public RedBlackTreeNode<T> RightChild { get; set; }

        //父节点
public RedBlackTreeNode<T> Parent { get; set; }

        //该节点颜色
public bool Color { get; set; }

        public RedBlackTreeNode(T value, bool color)
        {
            Data = value;
            LeftChild = null;
            RightChild = null;
            Color = color;
        }
    }
}