基于《算法》一书的红黑树的插入和删除。看过不一样的教材,也有不一样的实现方式,可是最终的结果也大体相同,感受这个比较容易理解,就采用这种的方式来进行简单实现。java
private static final boolean RED = true; private static final boolean BLACK = false; /** * 红黑树的节点结构 * 保存的值,左节点,右节点以及颜色(true为红色,false为黑色) * 默认添加一个红节点 * * @param <E> */ static final class RedBlackTreeNode<E extends Comparable<E>> { E val; RedBlackTreeNode<E> left; RedBlackTreeNode<E> right; boolean color = RED; RedBlackTreeNode(E val) { this.val = val; } }
这里简单的定义了一下红黑树,而且只有节点,并非map这样的k-v结构。若是定义k-v结构到时比较的时候比较k便可。node
用了泛型,而且要支持比较(继承自Comparable),否则没法比较大小进行插入。算法
而后定义了一个值,左节点和右节点,而后颜色默认为红色。函数
再增长一个构造函数便可优化
主要作的就是插入和删除节点,为了方便查看是否符合添加了一个中序遍历的打印方法this
public class RedBlackTree<E extends Comparable<E>> { RedBlackTreeNode<E> head; public void add(E e) { ... } public void remove(E e){ ... } public void printTree(){ ... } }
定义这些公共方法来对外部调用,具体实现能够放到私有方法中。debug
在红黑树的变换中主要有三个:左旋,右旋,变色。接下来咱们就来实现这三个方法。3d
旋转操做能够保持红黑树的两个重要性质:有序性和完美平衡性code
private RedBlackTreeNode<E> rotateLeft(RedBlackTreeNode<E> node) { //变换位置 RedBlackTreeNode<E> result = node.right; node.right = result.left; result.left = node; //换色 result.color = node.color; node.color = RED; return result; }
当右节点为红色, 左节点为空或者黑色时,须要进行左旋操做。blog
首先定义一个变量存储右节点,而后将右节点的左节点做为父节点(传入参数)的右节点。这时与右节点(定义的变量)断开了关联。
而后将定义的变量(右节点)的左节点设置为参数节点(左节点以前已经赋值到参数节点的右节点上)。
还需进行一步换色,将定义变量的颜色设置为父节点的颜色(不影响上一级的操做),而后将父节点设置为红色。
将定义的变量做为父节点返回。
private RedBlackTreeNode<E> rotateRight(RedBlackTreeNode<E> node) { //变换位置 RedBlackTreeNode<E> result = node.left; node.left = result.right; result.right = node; //变色 result.color = node.color; node.color = RED; return result; }
当左节点为红色,左节点的左节点也为红色时,须要进行右旋操做。
这个与左旋基本相似,将左节点做为父节点返回,而后对其余节点也要确保不丢失,还有换色操做不能影响红黑树的特性。
private void flipColor(RedBlackTreeNode<E> node) { node.left.color = BLACK; node.right.color = BLACK; node.color = RED; }
当两个子节点都为红色时,须要进行换色
让两个子节点变为黑色,父节点变为红色
刚才咱们在上面有提到,须要判断节点的颜色,虽然咱们在节点的类型中定义了color
属性,可是考虑到其余状况仍是写一个方法来完成判断颜色的功能:
private boolean isRed(RedBlackTreeNode<E> node) { if (node == null) { return false; } return node.color; }
当节点为空时返回false即为黑色,否则判断节点的color属性是否为红色。
还有一个中序打印的方法
public void printTree() { print(head); } private void print(RedBlackTreeNode<E> node) { if (node == null) { return; } print(node.left); System.out.print(node.val + " "); print(node.right); }
在对外部的方法中调用了内部方法,传入了头结点。
因为是中序遍历,因此须要先遍历左节点,而后打印本身,而后遍历右节点。这是一个递归操做,因此须要定义终止条件:当节点为空时就返回。
public void add(E val) throws IllegalAccessException { if (val == null) { throw new IllegalAccessException("不能添加null值"); } head = addVal(val, head); //最终将根节点设置为黑色 head.color = BLACK; } private RedBlackTreeNode<E> addVal(E val, RedBlackTreeNode<E> node) { //达到最终的节点,若是为空则新建一个红色的节点 if (node == null) { return new RedBlackTreeNode<E>(val); } if (val.compareTo(node.val) < 0) { //若是小,则左节点为 新建节点返回的节点(可能会通过调整) node.left = addVal(val, node.left); } else if (val.compareTo(node.val) > 0) { //若是大,则右节点为 新建节点后返回的节点(可能会通过调整) node.right = addVal(val, node.right); } else { //值相等 return node; } //判断平衡等操做 if (isRed(node.right) && !isRed(node.left)) { //右节点为红色,左节点为空或者黑色时须要进行左旋 node = rotateLeft(node); } if (isRed(node.left) && isRed(node.left.left)) { //左节点为红色,左节点的左节点也为红色时,须要进行右旋 node = rotateRight(node); } if (isRed(node.left) && isRed(node.right)) { //当两个子节点都为红色时,须要进行变色 flipColor(node); } return node; }
在公共方法中首先进行了一个参数校验,若是为空则没法比较因此就抛出一个异常。
而后调用私有方法进行添加节点:传入的参数为要添加的值,树的头结点。
在私有方法中首先判断了传入的节点是否为空,若是为空则新建一个红色节点返回。
当不为空时进行大小判断,判断是添加在左子树仍是右子树上,而后递归调用当前方法,传入要添加的值和左节点或右节点,若是相等则直接返回当期节点便可(不是map不用从新改变value)。而且添加后可能会进行调整,因此须要从新赋值。
接下来就是判断是否符合红黑树的规定,而后进行左旋,右旋,变色等操做。这时也会进行从新调整,因此须要从新赋值。
操做完成后返回到公共方法中。
在公共方法中将头结点的颜色设置为黑色,保证红黑树的特性。
public void remove(E val) throws IllegalAccessException { if (val == null) { throw new IllegalAccessException("不容许null值操做"); } if (head == null) { throw new IllegalAccessException("树为空"); } head = removeVal(val, head); } private RedBlackTreeNode<E> removeVal(E val, RedBlackTreeNode<E> node) throws IllegalAccessException { if (node == null) { throw new IllegalAccessException("val not exist!"); } if (val.compareTo(node.val) < 0) { node.left = removeVal(val, node.left); } else if (val.compareTo(node.val) > 0) { node.right = removeVal(val, node.right); } else { if (node.right != null) { node = getRightMinNode(node); } else if (node.left != null) { node = getLeftMaxNode(node); } else { node = null; } } //判断平衡等操做 if (node != null) { //判断平衡等操做 if (isRed(node.right) && !isRed(node.left)) { //右节点为红色,左节点为空或者黑色时须要进行左旋 node = rotateLeft(node); } if (isRed(node.left) && isRed(node.left.left)) { //左节点为红色,左节点的左节点也为红色时,须要进行右旋 node = rotateRight(node); } if (isRed(node.left) && isRed(node.right)) { //当两个子节点都为红色时,须要进行变色 flipColor(node); } } return node; }
在公共方法中进行参数校验,若是删除的是null,则抛出异常。
而后当树为空时也不能进行删除操做。删除操做也可能会进行结构修改,因此也须要进行从新赋值。
用参数与当前节点比较,若是小则递归传入左节点,若是大则递归传入右节点,当节点为空时表示要删除的节点再也不树中,我在这里是抛出了异常,可能有些不太稳当。
若是与当前节点相同,则删除当前节点。这时就暴露了一个问题,当当前节点有子节点时若是进行删除。其实这也分为几种状况即上面代码中的第20-26行:
当前节点无子节点,删除当前节点即置为null便可。
将右子节点的最小节点做为当前节点的替代,而后删除这个最小节点。
/** * 获取右侧树的最小节点 * * @param node * @return */ private RedBlackTreeNode<E> getRightMinNode(RedBlackTreeNode<E> node) { RedBlackTreeNode<E> parent = node.right; if (parent.left == null) { node.right = parent.right; return parent; } RedBlackTreeNode<E> result = parent.left; //可能有优化的地方 while (result.left != null) { parent = parent.left; result = parent.left; } parent.left = null; return result; }
当右节点为空时,找到左节点的最大值做为当前节点的替代,而后删除这个最大节点。
private RedBlackTreeNode<E> getLeftMaxNode(RedBlackTreeNode<E> node) { RedBlackTreeNode<E> parent = node.left; if (parent.right == null) { node.right = parent.left; return parent; } RedBlackTreeNode<E> result = parent.right; while (result.right != null) { parent = parent.right; result = parent.right; } parent.right = null; return result; }
进行替换后,须要检查是否符合红黑树的特性是否须要左旋,右旋,变色等操做。
public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException { RedBlackTree<Integer> redBlackTree = new RedBlackTree<Integer>(); redBlackTree.add(1); redBlackTree.add(3); redBlackTree.add(5); redBlackTree.add(7); redBlackTree.add(9); redBlackTree.add(2); redBlackTree.add(4); redBlackTree.printTree(); System.out.println(); redBlackTree.remove(2); redBlackTree.printTree(); System.out.println(); redBlackTree.remove(11); }
首先咱们依次添加[1,3,5,7,9,2,4]。而后将树打印,按照预期结果打印出的结果应该是顺序的1~9。而后咱们删除2节点,若是咱们将插入过程画出来会发现若是删除2,则会形成1,3两个红节点的链接,这不符合红黑树的规定,因此须要进行调整。而后再次进行打印查看结果是否为有误。
最后咱们删除一个不存在的值,看它是否会报错。
1 2 3 4 5 7 9 1 3 4 5 7 9 Exception in thread "main" java.lang.IllegalAccessException: val not exist! at RedBlackTree.removeVal(RedBlackTree.java:33) at RedBlackTree.removeVal(RedBlackTree.java:38) at RedBlackTree.removeVal(RedBlackTree.java:38) at RedBlackTree.removeVal(RedBlackTree.java:38) at RedBlackTree.remove(RedBlackTree.java:28) at Test.main(Test.java:21)
经过输出能够看出结果符合咱们的要求,而后也能够经过debug的方法查看删除2节点后的节点状况发现与在草稿上手画版一致。
给出一个刚才插入的图画过程。
删除2节点后的状况
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