zoukankan      html  css  js  c++  java
  • 数据结构拾遗(2) --红黑树的设计与实现(中)

    Insert完善

        根据规则4, 新增节点必须为红; 根据规则3, 新增节点之父节点必须为黑.

     

    示例:

        (1)插入16(红色)/55(红色), 则既不用旋转, 也不用重新染色

        (2)插入82(红色), 则违反了红黑规则, 需要进行动态的调整;

     

    红黑树所需的处理

    1.单旋转


         新插入的X与其父P都是红色的, 而且X还是G的外部孙子;

     

    2.双旋转


        新插入的X与其父P都是红色的, 而且X还是G的内部孙子;

     

    3.还需要处理有两个红色孩子的节点, 将右儿子变成黑色的, 我们只允许左儿子是红色的;方法: 旋转+重新染色

     

    insert完整实现代码:

    /**注意带有 ++ 注释的为新添加的代码**/
    template <typename Comparable>
    void RedBlackTree<Comparable>::insert(const Comparable &x)
    {
        current = parent = grand = great = header;
        nullNode->element = x;
    
        while (current->element != x)
        {
            //让祖父成为曾祖父, 父亲成为祖父, 自己成为父亲
            //每个人都长了一辈
            great = grand;
            grand = parent;
            parent = current;
    
            current = (x < current->element) ? current->left
                      : current->right;
    
            // ++
            //+ 处理1. 如果current节点有两个红孩子
            if ((current->left->color == RED) && (current->right->color == RED))
                handleReorient( x );
        }
    
        //如果树中包含相同的元素
        if (current != nullNode)
            throw DuplicateItemException();
    
        current = new Node(x, nullNode, nullNode);
        if (x < parent->element)
            parent->left = current;
        else
            parent->right = current;
    
        // ++
        //+ 处理2. 如果新插入的节点破坏了红黑规则, 则还需做一次处理
        handleReorient( x );
    }
    /**自动平衡函数:
        [1]重新染色
        [2]自动旋转
    */
    template <typename Comparable>
    void RedBlackTree<Comparable>::handleReorient(const Comparable & item)
    {
        // 将current节点染成红色
        current->color = RED;
        // 将current的left和right节点染成黑色
        current->left->color = current->right->color = BLACK;
    
        // 如果current节点的父节点也是红的 -> 单旋转 or 双旋转
        if( parent->color == RED )
        {
            //则将其祖父(爷爷)的颜色染成红色
            grand->color = RED;
    
            //然后判断新插入的节点是否是内部孙子?
            //如果是, 则增加一次旋转->构成双旋转
    
            //if注释: 如果该节点小于爷爷, 小于爸爸, 这两种情况不同时满足
            //则说明其是爷爷的内孙子
            if( (item < grand->element) != (item < parent->element) )
            {
                // 则依grand(祖父)节点进行旋转
                parent = rotate( item, grand );  // Start double rotate
            }
            // 则依great(曾祖父)节点进行旋转
            current = rotate( item, great );
    
            //令当前节点为黑色
            current->color = BLACK;
        }
    
        //根节点必须是黑色的
        header->right->color = BLACK; // Make root black
    }
    // 自动判断并进行旋转函数
    template <typename Comparable>
    typename RedBlackTree<Comparable>::Node *
    RedBlackTree<Comparable>::rotate(const Comparable &item,
                                     Node *theParent )
    {
        //位于theParent的左子树
        if( item < theParent->element )
        {
            //如果为真, 则说明theParent->left有左孩子,
            //否则, 有右孩子
            item < theParent->left->element ?
            //如果theParent左边有一棵子树, 则以theParent->left
            //为轴, 向右转
            rotateWithLeftChild( theParent->left )  :  // LL
            //如果theParent右边有一棵子树, 则以theParent->left
            //为轴, 向左转
            rotateWithRightChild( theParent->left ) ;  // LR
    
            return theParent->left;     //返回左子树
        }
        else    //位于右子树
        {
            //如果为真, 则说明theParent->right有左孩子,往右转
            //否则, 有右孩子, 往左转
            item < theParent->right->element ?
            rotateWithLeftChild( theParent->right ) :  // RL
            rotateWithRightChild( theParent->right );  // RR
    
            return theParent->right;    //返回右子树
        }
    }

    测试代码:

    int main()
    {
        //用NEG_INF来代表负无穷大
        const int NEG_INF = -999999;
        RedBlackTree<int> tree(NEG_INF);
    
        tree.insert(50);
        cout << tree.header->right->element << " " << tree.header->right->nodeColor() << endl;
        cout << endl;
        tree.insert(40);
        cout << tree.header->right->left->element << " " << tree.header->right->left->nodeColor() << endl << endl;
    
        //此时需要进行旋转和重新染色
        tree.insert(30);
        cout << tree.header->right->element << " " << tree.header->right->nodeColor() << endl ;
        cout << tree.header->right->left->element << " " << tree.header->right->left->nodeColor() << endl;
        cout << tree.header->right->right->element << " " << tree.header->right->right->nodeColor() << endl;
    
        return 0;
    }

    //由于需要用到nodeColor成员函数, 因此我们将RedBlackNode类改造如下:
    template <typename Comparable>
    class RedBlackNode
    {
        friend class RedBlackTree<Comparable>;
    public:
        RedBlackNode(const Comparable &theElement = Comparable(),
                     RedBlackNode *theLeft = NULL,
                     RedBlackNode *theRight = NULL,
                     int theColor = RedBlackTree<Comparable>::BLACK)
            : element(theElement), left(theLeft), right(theRight), color(theColor) {}
    
    public:
        //返回当前节点的颜色, 以作测试
        std::string nodeColor() const
        {
            return (color == RedBlackTree<Comparable>::BLACK) ? "black" : "red";
        }
    
    public:
        Comparable element;
        RedBlackNode *left;
        RedBlackNode *right;
        int color;
    };

    红黑树其他操作

    template <typename Comparable>
    class RedBlackTree
    {
        ...
        bool isEmpty() const;
        void makeEmpty();
    
        Gref<Comparable> find(const Comparable & x) const;
        Gref<Comparable> findMin() const;
        Gref<Comparable> findMax() const;
    
        //递归删除所有节点
        void reclainMemory(Node *t) const;
        ...
    };


    //析构函数完善版本
    template <typename Comparable>
    RedBlackTree<Comparable>::~RedBlackTree()
    {
        if (!isEmpty())
            makeEmpty();
    
        delete nullNode;
        delete header;
    }

    //红黑树查找:与二叉查找树类似
    template <typename Comparable>
    Gref<Comparable> RedBlackTree<Comparable>::find(const Comparable &x) const
    {
        if (isEmpty())
            return Gref<Comparable>();
    
        nullNode->element = x;
        Node *iter = header->right;
    
        while (true)
        {
            if (x < iter->element)
                iter = iter->left;
            else if (x > iter->element)
                iter = iter->right;
    
            //如果 x == iter->element
            else if (iter != nullNode)
                return Gref<Comparable>(iter->element) ;
            else
                return Gref<Comparable>();
        }
    }

    //查找最大值: 一路向右
    template <typename Comparable>
    Gref<Comparable> RedBlackTree<Comparable>::findMax() const
    {
        if (isEmpty())
            return Gref<Comparable>();
    
        Node *iter = header->right;
        while (iter->right != nullNode)
        {
            // 一直向右走
            iter = iter->right;
        }
    
        return Gref<Comparable>(iter->element);
    }

    //查找最小值: 一路向左
    template <typename Comparable>
    Gref<Comparable> RedBlackTree<Comparable>::findMin() const
    {
        if (isEmpty())
            return Gref<Comparable>();
    
        Node *iter = header->right;
        while (iter->left != nullNode)
        {
            // 一直向左走
            iter = iter->left;
        }
    
        return Gref<Comparable>(iter->element);
    }

    template <typename Comparable>
    bool RedBlackTree<Comparable>::isEmpty() const
    {
        if (header->right == nullNode)
            return true;
        return false;
    }
    
    template <typename Comparable>
    void RedBlackTree<Comparable>::makeEmpty()
    {
        reclainMemory(header->right);
        header->right = nullNode;
    }
    
    template <typename Comparable>
    void RedBlackTree<Comparable>::reclainMemory(Node *t) const
    {
        //t == t->left的时候, 是当t==nullNode时
        if (t != t->left)
        {
            reclainMemory(t->left);
            reclainMemory(t->right);
            delete t;
        }
    }

    Gref设计与实现

    //一个包装器: 将指针封装成为引用
    template <typename Object>
    class Gref
    {
    public:
        Gref(): obj(NULL) {}
        explicit Gref(const Object &x)
            : obj(& x) {}
    
        const Object &get() const
        {
            if (isNull())
                throw NullPointerException();
            else
                return * obj;
        }
    
        bool isNull() const
        {
            if (obj == NULL)
                return true;
            return false;
        }
    
    private:
        const Object * obj;
    };

  • 相关阅读:
    python while循环语句 结合 if else pass temp语句求触发的余数 的练习题
    IF函数多个条件判断及嵌套
    Python 字符串 加减乘除
    Python条件语句 -- if ,else ( 如果 ,那么)
    input 变量名命名规则
    Python解释器的头部编码用途
    switch留个爪,之后还需要再研究下
    面向对象+JAVA基础
    爱因斯坦台阶
    成功的拆开了SELECT里JOIN个SELECT是啥
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/itrena/p/5926982.html
Copyright © 2011-2022 走看看