史上最详细的二叉树、B树，看不懂怨我

今天咱们要说的红黑树就是就是一棵非严格均衡的二叉树，均衡二叉树又是在二叉搜索树的基础上增长了自动维持平衡的性质，插入、搜索、删除的效率都比较高。红黑树也是实现 TreeMap 存储结构的基石。

1.二叉搜索树

二叉搜索树又叫二叉查找树、二叉排序树，咱们先看一下典型的二叉搜索树，这样的二叉树有何规则特色呢？

二叉搜索树有以下几个特色：

• 节点的左子树小于节点自己
• 节点的右子树大于节点自己
• 左右子树一样为二叉搜索树

下图就是一棵典型的二叉搜索树：

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二叉搜索树是均衡二叉树的基础，咱们看一下它的搜索步骤如何。咱们要从二叉树中找到值为 58 的节点。

 

第一步：首先查找到根节点，值为 60 的节点。

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第二步：比较咱们要找的值 58 与该节点的大小。

 

若是等于，那么恭喜，已经找到；若是小于，继续找左子树；若是大于，那么找右子树。

很明显 58<60，所以咱们找到左子树的节点 56，此时咱们已经定位到了节点 56。

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第三步：按照第二步的规则继续找。

58>56 咱们须要继续找右子树，定位到了右子树节点 58，恭喜，此时咱们已经找到了。

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咱们通过三步就已经找到了，其实就是咱们平时所说的二分查找，这种二叉搜索树好像查找效率很高，但一样它也有缺陷，以下面这样的二叉搜索树。

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看到这样的二叉搜索树是否很别扭，典型的大长腿瘸子，但它也是二叉搜索树，若是咱们要找值为 50 的节点，基本上和单链表查询没多大区别了，性能将大打折扣。

这个时候咱们的均衡二叉树就粉墨登场了，均衡二叉树就是在二叉搜索树的基础上添加了自动维持平衡的性质。

上面的大长腿瘸子二叉搜索树通过自动平衡后，可能就成为了下面这样的二叉树。

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通过了自动平衡，再去找值为 50 的节点，查找性能将提高不少。红黑树就是非严格均衡的二叉搜索树。

2.红黑树规则特色

红黑树具体有哪些规则特色呢？具体以下：

**1. 节点分为红色或者黑色。

1. 根节点必为黑色。
2. 叶子节点都为黑色，且为 null。
3. 链接红色节点的两个子节点都为黑色（红黑树不会出现相邻的红色节点）。
4. 从任意节点出发，到其每一个叶子节点的路径中包含相同数量的黑色节点。
5. 新加入到红黑树的节点为红色节点。**

规则看着好像挺多，没错，由于红黑树也是均衡二叉树，须要具有自动维持平衡的性质，上面的 6 条就是红黑树给出的自动维持平衡所须要具有的规则。

咱们看一看一个典型的红黑树究竟是什么样儿？

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首先解读一下规则，除了字面上看到的意思，还隐藏了哪些意思呢？

①从根节点到叶子节点的最长路径不大于最短路径的 2 倍

怎么样的路径算最短路径？从规则 5 中，咱们知道从根节点到每一个叶子节点的黑色节点数量是同样的，那么纯由黑色节点组成的路径就是最短路径。

什么样的路径算是最长路径？根据规则 4 和规则 3，如有红色节点，则必然有一个链接的黑色节点，当红色节点和黑色节点数量相同时，就是最长路径，也就是黑色节点（或红色节点）*2。

②为何说新加入到红黑树中的节点为红色节点

从规则 4 中知道，当前红黑树中从根节点到每一个叶子节点的黑色节点数量是同样的，此时假如新的是黑色节点的话，必然破坏规则。

但加入红色节点却不必定，除非其父节点就是红色节点，所以加入红色节点，破坏规则的可能性小一些，下面咱们也会举例来讲明。

什么状况下，红黑树的结构会被破坏呢？破坏后又怎么维持平衡，维持平衡主要经过两种方式【变色】和【旋转】，【旋转】又分【左旋】和【右旋】，两种方式可相互结合。

下面咱们从插入和删除两种场景来举例说明。

3.红黑树节点插入

当咱们插入值为 66 的节点时，红黑树变成了这样：

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很明显，这个时候结构依然遵循着上述 6 大规则，无需启动自动平衡机制调整节点平衡状态。

若是再向里面插入值为 51 的节点，这个时候红黑树变成了这样：

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很明显如今的结构不遵循规则 4 了，这个时候就须要启动自动平衡机制调整节点平衡状态。

4.变色

咱们能够经过变色的方式，使结构知足红黑树的规则：

**1. 首先解决结构不遵循规则 4 这一点（红色节点相连，节点 49-51），需将节点 49 改成黑色。

1. 此时咱们发现又违反了规则 5（56-49-51-XX 路径中黑色节点超过了其余路径），那么咱们将节点 45 改成红色节点。
2. 哈哈，妹的，又违反了规则 4（红色节点相连，节点 56-45-43），那么咱们将节点 56 和节点 43 改成黑色节点。
3. 可是咱们发现此时又违反了规则 5（60-56-XX 路径的黑色节点比 60-68-XX 的黑色节点多），所以咱们须要调整节点 68
   为黑色。
4. 完成！**

最终调整完成后的树为：

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但并非何时都那么幸运，能够直接经过变色就达成目的，大多数时候还须要经过旋转来解决。

如在下面这棵树的基础上，加入节点 65：

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插入节点 65 后进行如下步骤：

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这个时候，你会发现对于节点 64 不管是红色节点仍是黑色节点，都会违反规则 5，路径中的黑色节点始终没法达成一致，这个时候仅经过【变色】已经没法达成目的。

咱们须要经过旋转操做，固然【旋转】操做通常还须要搭配【变色】操做。旋转包括【左旋】和【右旋】。

左旋：逆时针旋转两个节点，让一个节点被其右子节点取代，而该节点成为右子节点的左子节点。

左旋操做步骤以下：首先断开节点 PL 与右子节点 G 的关系，同时将其右子节点的引用指向节点 C2；而后断开节点 G 与左子节点 C2 的关系，同时将 G 的左子节点的应用指向节点 PL。

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右旋：顺时针旋转两个节点，让一个节点被其左子节点取代，而该节点成为左子节点的右子节点。

右旋操做步骤以下：首先断开节点 G 与左子节点 PL 的关系，同时将其左子节点的引用指向节点 C2；而后断开节点 PL 与右子节点 C2 的关系，同时将 PL 的右子节点的应用指向节点 G。

没法经过变色而进行旋转的场景分为如下四种：

左左节点旋转

这种状况下，父节点和插入的节点都是左节点，以下图(旋转原始图1)这种状况下，咱们要插入节点 65。

规则以下：以祖父节点【右旋】，搭配【变色】。

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按照规则，步骤以下：

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左右节点旋转

这种状况下，父节点是左节点，插入的节点是右节点，在旋转原始图 1 中，咱们要插入节点 67。

规则以下：先父节点【左旋】，而后祖父节点【右旋】，搭配【变色】。

按照规则，步骤以下：

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右左节点旋转

这种状况下，父节点是右节点，插入的节点是左节点，以下图（旋转原始图 2）这种状况，咱们要插入节点 68。

规则以下：先父节点【右旋】，而后祖父节点【左旋】，搭配【变色】。

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按照规则，步骤以下：

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右右节点旋转

这种状况下，父节点和插入的节点都是右节点，在旋转原始图 2 中，咱们要插入节点 70。

规则以下：以祖父节点【左旋】，搭配【变色】。

按照规则，步骤以下：

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红黑树插入总结

红黑树插入总结:

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红黑树节点删除

相比较于红黑树的节点插入，删除节点更为复杂，咱们从子节点是否为 null 和红色为思考维度来讨论。

子节点至少有一个为 null

当待删除的节点的子节点至少有一个为 null 节点时，删除了该节点后，将其有值的节点取代当前节点便可。

若都为 null，则将当前节点设置为 null，固然若是违反规则了，则按需调整，如【变色】以及【旋转】。

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子节点都是非 null 节点

这种状况下，第一步：找到该节点的前驱或者后继。

前驱：左子树中值最大的节点（可得出其最多只有一个非 null 子节点，可能都为 null）。

后继：右子树中值最小的节点（可得出其最多只有一个非 null 子节点，可能都为 null）。

前驱和后继都是值最接近该节点值的节点，相似于该节点.prev=前驱，该节点.next=后继。

第二步：将前驱或者后继的值复制到该节点中，而后删掉前驱或者后继。

若是删除的是左节点，则将前驱的值复制到该节点中，而后删除前驱；若是删除的是右节点，则将后继的值复制到该节点中，而后删除后继。

这至关因而一种“取巧”的方法，咱们删除节点的目的是使该节点的值在红黑树上不存在。

所以专一于该目的，咱们并不关注删除节点时是否真是咱们想删除的那个节点，同时咱们也不需考虑树结构的变化，由于树的结构自己就会由于自动平衡机制而常常进行调整。

前面咱们已经说了，咱们要删除的其实是前驱或者后继，所以咱们就之前驱为主线来说解。

后继的学习可参考前驱，包括下面几种状况：

①前驱为黑色节点，而且有一个非 null 子节点

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分析：由于要删除的是左节点 64，找到该节点的前驱 63；而后用前驱的值 63替换待删除节点的值 64，此时两个节点（待删除节点和前驱）的值都为 63；

删除前驱 63，此时成为上图过程当中间环节，但咱们发现其不符合红黑树规则 4，所以须要进行自动平衡调整。这里直接经过【变色】便可完成。

②前驱为黑色节点，同时子节点都为 null

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分析：由于要删除的是左节点 64，找到该节点的前驱 63；而后用前驱的值 63 替换待删除节点的值 64，此时两个节点（待删除节点和前驱）的值都为 63。

删除前驱 63，此时成为上图过程当中间环节，但咱们发现其不符合红黑树规则 5，所以须要进行自动平衡调整。这里直接经过【变色】便可完成。

③前驱为红色节点，同时子节点都为 null

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分析：由于要删除的是左节点 64，找到该节点的前驱 63；而后用前驱的值 63替换待删除节点的值 64，此时两个节点（待删除节点和前驱）的值都为 63；删除前驱 63，树的结构并无打破规则。

红黑树删除总结

红黑树删除的状况比较多，但也就存在如下状况：

1. 删除的是根节点，则直接将根节点置为 null。
2. 待删除节点的左右子节点都为 null，删除时将该节点置为 null。
3. 待删除节点的左右子节点有一个有值，则用有值的节点替换该节点便可。
4. 待删除节点的左右子节点都不为 null，则找前驱或者后继，将前驱或者后继的值复制到该节点中，而后删除前驱或者后继。
5. 节点删除后可能会形成红黑树的不平衡，这时咱们需经过【变色】+【旋转】的方式来调整，使之平衡，上面也给出了例子，建议你们多多练习，而没必要背下来。

总结

本文主要介绍了红黑树的相关原理，首先红黑树的基础二叉搜索树，咱们先简单说了一下二叉搜索树，而且讲了一下搜索的流程。

而后就针对红黑树的六大规则特色，红黑树的插入操做，删除操做，都使用了大量的图形来加以说明。

技术都是练出来的，有时候不少似是而非的地方，当动笔去写的时候，其实很好理解。

红黑树的使用很是普遍，如 TreeMap 和 TreeSet 都是基于红黑树实现的，而 JDK8 中 HashMap 当链表长度大于 8 时也会转化为红黑树。

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