【模板】普通平衡树

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int N=100010,INF=1e8;
int n;
struct Node
{
    int l,r;
    int key,val;
    int cnt,size;   
}tr[N];
int root,idx;
void pushup(int p)
{
    tr[p].size=tr[tr[p].l].size+tr[tr[p].r].size+tr[p].cnt;
}
int get_node(int key)
{
    tr[++idx].key=key;
    tr[idx].val=rand();
    tr[idx].cnt=tr[idx].size=1;
    return idx;
}
void build()
{
    get_node(-INF),get_node(INF);
    root=1,tr[1].r=2;
    pushup(root);
}
void zig(int &p)
{
    int q=tr[p].l;
    tr[p].l=tr[q].r,tr[q].r=p,p=q;
    pushup(tr[p].r),pushup(p);
}
void zag(int &p)
{
    int q=tr[p].r;
    tr[p].r=tr[q].l,tr[q].l=p,p=q;
    pushup(tr[p].l),pushup(p);
}
void insert(int &p,int key)
{
    if(!p) p=get_node(key);
    else if(tr[p].key==key) tr[p].cnt++;
    else if(tr[p].key>key)
    {
        insert(tr[p].l,key);
        if(tr[tr[p].l].val>tr[p].val) zig(p);
    }
    else
    {
        insert(tr[p].r,key);
        if(tr[tr[p].r].val>tr[p].val) zag(p);
    }
    pushup(p);
}
void remove(int &p,int key)
{
    if(!p) return;
    if(tr[p].key==key)
    {
        if(tr[p].cnt>1) tr[p].cnt--;
        else if(tr[p].l or tr[p].r)
        {
            if(!tr[p].r or tr[tr[p].l].val>tr[tr[p].r].val)
            {
                zig(p);
                remove(tr[p].r,key);
            }
            else
            {
                zag(p);
                remove(tr[p].l,key);
            }
        }
        else p=0;
    }
    else if(tr[p].key>key) remove(tr[p].l,key);
    else remove(tr[p].r,key);
    pushup(p);
}
int get_rank_by_key(int p,int key)
{
    if(!p) return 0;
    if(tr[p].key==key) return tr[tr[p].l].size+1;
    if(tr[p].key>key) return get_rank_by_key(tr[p].l,key);
    return tr[tr[p].l].size+tr[p].cnt+get_rank_by_key(tr[p].r,key);
}
int get_key_by_rank(int p,int rank)
{
    if(!p) return INF;
    if(tr[tr[p].l].size>=rank) return get_key_by_rank(tr[p].l,rank);
    if(tr[tr[p].l].size+tr[p].cnt>=rank) return tr[p].key;
    return get_key_by_rank(tr[p].r,rank-tr[tr[p].l].size-tr[p].cnt);
}
int get_prev(int p,int key)
{
    if(!p) return -INF;
    if(tr[p].key>=key) return get_prev(tr[p].l,key);
    return max(tr[p].key,get_prev(tr[p].r,key));
}
int get_next(int p,int key)
{
    if(!p) return INF;
    if(tr[p].key<=key) return get_next(tr[p].r,key);
    return min(tr[p].key,get_next(tr[p].l,key));
}
int main()
{
    build();
    scanf("%d",&n);
    while(n--)
    {
        int opt,x;
        scanf("%d%d",&opt,&x);
        if(opt==1) insert(root,x);
        else if(opt==2) remove(root,x);
        else if(opt==3) printf("%d\n",get_rank_by_key(root,x)-1);
        else if(opt==4) printf("%d\n",get_key_by_rank(root,x+1));
        else if(opt==5) printf("%d\n",get_prev(root,x));
        else printf("%d\n",get_next(root,x));
    }
    return 0;
}
### 平衡树与红黑树概述 平衡树是一类特殊的二叉搜索树,其特性在于维持树的高度尽可能低,从而保证了较好的性能。为了防止最坏情况下退化成链表的情况发生,平衡树引入了一定的约束条件来保持树形结构的良好形态[^3]。 #### 红黑树的特点及其优势 作为一种具体的平衡树形式,红黑树具备如下几个显著特征: - **颜色属性**:每个节点要么是红色,要么是黑色; - **根节点规定**:根总是黑色; - **叶子节点(NIL指针)**:所有的叶节点都是黑色; - **路径一致性**:从任一给定节点出发到达任意后代叶节点所经历的黑色节点数目相同; - **无连续红色节点原则**:不存在两个相邻接的红色节点;即如果一个节点为红色,则它的孩子必然是黑色[^5]。 这些规则共同作用使得红黑树能够在接近理想的状态下运作,既不会像完全严格的AVL树那样频繁旋转维护高度绝对均衡,又能在一定程度上抑制极端不平衡现象的发生,实现了相对宽松而有效的自我调节机制。 ### 插入和删除操作的时间复杂度分析 对于红黑树而言,无论是插入还是删除操作都涉及到了可能打破原有平衡状态的情形,为此设计了一系列修复策略用于恢复应有的秩序。得益于上述提到的颜色编码以及相应的调整法则,这类变动可以在常数级别内完成,最终确保整体时间开销稳定在\(O(\log n)\)[^1]。 具体来说,在执行插入或移除动作之后,可能会触发一系列局部修正措施,比如重新着色或是实施单次或多级旋转变换等手段,直至整个体系重归和谐为止。值得注意的是,尽管存在额外处理环节,但由于每一步骤均能迅速达成目标,故此并未对总体效能造成明显影响。 ```python def insert(node, key): # 基本插入逻辑类似于普通二叉查找树... # ...随后进行必要的再平衡工作 pass def delete(node, key): # 删除过程同样先遵循常规流程... # 接下来针对可能出现的问题作出相应调整 pass ``` ### 应用实例展示 实际开发过程中,许多高级编程环境已经内置支持基于红黑树构建的数据容器类型。例如C++标准模板库里的`std::map`和`std::set`就采用了这种技术方案,以此提供高效的键值关联存储服务;而在Java领域里也有类似的实现方式体现在`TreeMap`之中[^1]。 通过这种方式不仅简化了开发者的工作量,同时也保障了程序运行期间各项基础运算都能获得令人满意的响应速度,特别是在面对大规模动态变化的数据集时尤为突出。
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