红黑树原理详解

本文深入探讨了红黑树的插入与删除操作,详细分析了各种情况下如何维护红黑树的性质,包括父节点和兄弟节点的状态变化。通过转换视角至(2,4)树,清晰解释了操作背后的原理。

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本篇文章主要讲述的是红黑树的插入以及删除的具体操作,而在此之前,我们将先简要介绍一下红黑树的基本特征:

1、若由红黑两种颜色结点组成的二叉搜索树满足以下条件,则称为红黑树。
(1)树根节点始终为黑色
(2)外部节点均为黑色
(3)其余节点若为红色,则其孩子节点必然为黑色
(4)任意外部节点的黑深度相同

2、所有红黑树都可转化为一个4阶b-树(具体来说是一颗(2,4)树),具体转化的依据是将所有红节点向上移,于其父节点共同形成一个b-树节点

接下来我们将具体分析红黑树的插入以及删除操作,因为涉及的情况较多,所以将采取一二三级标题的形式来具体阐述。

红黑树的插入

因为红黑树的插入的新节点只会出现在叶子结点,所以分类讨论的依据只有插入结点以及它父类节点的颜色;
插入的新节点设置为红色,则可满足上述1、2、4条,只需讨论是否满足第3条即可。
(下图中插入节点均为x,其父结点为p,叔结点为u)

一、父节点为黑色

直接插入节点即可,恒满足以上四个条件。

二、父节点为红色

2.1父节点为红色&&叔节点为黑色

只需将插入节点以及它的父节点爷节点这红红黑三个节点进行zig-zag重排序(局部“3 + 4”重构)即可恢复。
在这里插入图片描述
此时红黑树条件(3)的违反,从B-树角度等效地看,即同一节点不应包含紧邻的红色关键码。 故如图 (c’)所示,只需令黑色关键码与紧邻的红色关键码互换颜色。从图©红黑树的角度看,这等效于按中序遍历次序,对节点x、p和g及其四棵子树,做一次zig-zag重排序(局部“3 + 4”重构)。

2.2父节点为红色&&叔节点为红色

转化为(2,4)树即可发现,此时该节点会发生上溢,然而,上溢节点需选择一个红节点,否则以上的节点可能会违反1、4条
在这里插入图片描述
从图©红黑树的角度来看,只需将红节点p和u转为黑色,黑节点g转 为红色,x保持红色。从图(c’)B-树的角度来看,等效于上溢节点的一次分裂。当然,上溢的红节点g可能会继续导致上层的节点继续上溢,具体方法同理。最坏的情况为一直上溢至根节点。

有且仅有这种情况,使得红黑树删除操作退化为AVL树删除操作。

红黑树的删除

不同于插入操作,删除操作可能会在任何一个节点,所以现在分类讨论的依据会涉及待删除节点的父辈节点、子辈节点以及兄弟节点的颜色
因为是节点的删除,所以与之对应的(2,4)树可能会有节点的旋转或下溢
(下图中删除节点均为x,其父结点为p,兄弟节点为s,侄子节点为t)

一、删除节点为红色

直接删除节点即可,恒满足以上四个条件。

二、删除节点为黑色

2.1删除节点为黑色&&兄弟节点为黑色

2.1.1删除节点为黑色&&兄弟节点为黑色&&兄弟节点的子节点为红色

删除的节点的兄弟节点因为有一个红色孩子节点,所以从与之对应的(2,4)树来看,它的兄弟节点就会有多余的节点借给该节点进行旋转(具体可参考b-树删除节点的旋转),然后将兄弟节点的孩子节点转化为黑色,即可满足上述四条条件
在这里插入图片描述

2.1.2删除节点为黑色&&兄弟节点为黑色&&兄弟节点的子节点为黑色
2.1.2(a)删除节点为黑色&&兄弟节点为黑色&&兄弟节点的子节点为黑色&&父节点为红色

分析同2.1.1,但此时删除的节点的兄弟节点因为没有一个红色孩子节点,所以对应的(2,4)树中其兄弟节点并没有多余的节点供它进行旋转,所以需要进行节点的下溢(具体可参考b-树删除节点的旋转及下溢)。而关于下溢过程,就是将对应的(2,4)树中的删除节点于其兄弟节点进行合并,而在红黑树中,要想完成这个步骤就是将原来的s节点由黑节点转化为红节点,并且将p节点转化为由黑色红色。在此之前,它的兄弟节点的黑高度会高于x节点的黑高度,但进行颜色转换后,它就会满足第4条。
在这里插入图片描述

2.1.2(b)删除节点为黑色&&兄弟节点为黑色&&兄弟节点的子节点为黑色&&父节点为黑色

在这里插入图片描述
从该图中我们可以看出与a情况的不同,这种情况就不用转变p节点的颜色,直接改变s节点的颜色,使s的黑高度同x一样减一。(改变颜色即可对应b-树种的下溢)
但此时整个p节点的黑高度都将减一,此时p节点的兄弟节点的黑高度将比p节点的黑高度高,所以需要接续上述操作(对应于b-树中就是节点的继续下溢),最坏情况是一直延续到根节点。
此时删除操作调整树的拓扑结构的复杂度与AVL树相当。

2.2删除节点为黑色&&兄弟节点为红色

在这里插入图片描述
从图中我们可以很清楚的看出,这样转换虽然没有满足第3条,但是却将情况转换为2.1.2(a)中的情况,然后可按照具体的方法继续转化。
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本文参考书籍:邓俊辉 数据结构(C++语言版) 清华大学出版社

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