【C++---红黑树】在编程的浩瀚星空中，C++犹如一颗璀璨的星辰，以其独有的韵律和节奏，吟唱着智慧与创造的赞歌。它不仅仅是代码的堆砌，更是思维与艺术的交融，引领着无数追梦者，在数字的世界里翩翩起舞。
红黑树实现
1. 红⿊树的概念
在搜索树的基础上实现红黑树: 红⿊树是⼀棵⼆叉搜索树，他的每个结点增加⼀个存储位来表⽰结点的颜⾊，可以是红⾊或者⿊⾊。 通过对任何⼀条从根到叶⼦的路径上各个结点的颜⾊进⾏约束，红⿊树确保没有⼀条路径会⽐其他路径⻓出2倍， 因⽽是接近平衡的。 1.1红黑树的规则
1.每个结点不是红⾊就是⿊⾊ 2. 根结点是⿊⾊的 3. 如果⼀个结点是红⾊的，则它的两个孩⼦结点必须是⿊⾊的，也就是说任意⼀条路径不会有连续的 红⾊结点。 4. 对于任意⼀个结点，从该结点到其所有NULL结点的简单路径上，均包含相同数量的⿊⾊结点 1.2路径问题
说明：《算法导论》等书籍上补充了⼀条每个叶⼦结点(NIL)都是⿊⾊的规则。他这⾥所指的叶⼦结点不是传统的意义上的叶⼦结点，⽽是我们说的空结点，有些书籍上也把NIL叫做外部结点。NIL是为了⽅便准确的标识出所有路径，《算法导论》在后续讲解实现的细节中也忽略了NIL结点，所以我们知道 ⼀下这个概念即可。
根据上面的图片。
这么看，似乎只有4条路径
实则不然，这颗红黑树的路径有6条路径
1.3 红⿊树如何确保最⻓路径不超过最短路径的2倍的？
• 由规则4可知，从根到NULL结点的每条路径都有相同数量的⿊⾊结点，所以极端场景下，最短路径 就就是全是⿊⾊结点的路径，假设最短路径⻓度为bh(black height)。 • 由规则2和规则3可知，任意⼀条路径不会有连续的红⾊结点，所以极端场景下，最⻓的路径就是⼀ ⿊⼀红间隔组成，那么最⻓路径的⻓度为2*bh。 • 综合红⿊树的4点规则⽽⾔，理论上的全⿊最短路径和⼀⿊⼀红的最⻓路径并不是在每棵红⿊树都 存在的。假设任意⼀条从根到NULL结点路径的⻓度为x，那么bh <= h <= 2*bh。 1.4 红⿊树的效率
对于时间复杂度的计算:
假设N是红⿊树树中结点数量，h最短路径的⻓度，那么 2h-1<=N<22*h-1, 由此推出h ≈ logN
,也就是意味着红⿊树增删查改最坏也就是⾛最⻓路径2 ∗ logN ，那么时间复杂度还是O(logN)。
【说明】： 红⿊树的表达相对AVL树要抽象⼀些，AVL树通过⾼度差直观的控制了平衡。红⿊树通过4条规则的颜⾊约束，间接的实现了近似平衡，他们效率都是同⼀档次，但是相对⽽⾔，插⼊相同数量的结点，红⿊树的旋转次数是更少的，因为他对平衡的控制没那么严格。
一：最短路径（全黑）
二：最长路径（一黑一红）
2 红⿊树的实现
2.1 红黑树大致结构
首先：对于颜色来说，我们可以用枚举实现红和黑
enumColour{ RED, BLACK };其次：对于红黑树的结点，需具备以下结构(假设我们用pair<K,V>类型来实现红黑树):
1.数据：pair<K,V>
2.指针：分别指向右结点、左结点，和父亲节点的指针构成三叉链
3.枚举：区分颜色
//红黑树结点template<classK,classV>structRBTreeNode{// 这里更新控制平衡也要加入parent指针 pair<K, V> _kv; RBTreeNode<K, V>* _left; RBTreeNode<K, V>* _right; RBTreeNode<K, V>* _parent; Colour _col;//构造函数RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv),_left(nullptr),_right(nullptr),_parent(nullptr){}};最后：在实现红黑树的整体结构
enumColour{ RED, BLACK };//红黑树结点template<classK,classV>structRBTreeNode{// 这里更新控制平衡也要加入parent指针 pair<K, V> _kv; RBTreeNode<K, V>* _left; RBTreeNode<K, V>* _right; RBTreeNode<K, V>* _parent; Colour _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv),_left(nullptr),_right(nullptr),_parent(nullptr){}};template<classK,classV>classRBtree{typedef RBTreeNode<K,V> Node;public: 功能实现 ---------------------------------------------------------------------------------private: Node* _root=nullptr;}2.2 红黑树插入
2.2.1 红⿊树树插⼊⼀个值的⼤概过程
1. 插⼊⼀个值按⼆叉搜索树规则进⾏插⼊，插⼊后我们只需要观察是否符合红⿊树的4条规则。
搜索树的插入规则：
boolinsert(const pair<K, V>& kv){if(_root ==nullptr){ _root =newNode(kv); _root->_col = BLACK;returntrue;} Node* cur = _root; Node* parent =nullptr;while(cur){if(cur->_kv.first < kv.first){ parent = cur; cur = cur->_right;}elseif(cur->_kv.first > kv.first){ parent = cur; cur = cur->_left;}else{returnfalse;}} cur =newNode(kv); cur->_col = RED;if(parent->_kv.first < kv.first){ parent->_right = cur;}else{ parent->_left = cur;} cur->_parent = parent;}2. 如果是空树插⼊，新增结点是⿊⾊结点。如果是⾮空树插⼊，新增结点必须红⾊结点，因为⾮空树
插⼊，新增⿊⾊结点就破坏了规则4，规则4是很难维护的。
3. ⾮空树插⼊后，新增结点必须红⾊结点，如果⽗亲结点是⿊⾊的，则没有违反任何规则，插⼊结束
4. ⾮空树插⼊后，新增结点必须红⾊结点，如果⽗亲结点是红⾊的，则违反规则3。进⼀步分析，c是
红⾊，p为红，g必为⿊，这三个颜⾊都固定了，关键的变化看u的情况，需要根据u分为以下⼏种
情况分别处理。
2.2.2 变⾊
说明：下图中假设我们把新增结点标识为c (cur)，c的⽗亲标识为p(parent)，p的⽗亲标识为 g(grandparent)，p的兄弟标识为u（uncle）。
c为红，p为红，g为⿊，u存在且为红，则将p和u变⿊，g变红。在把g当做新的c，继续往上更新。
分析：因为p和u都是红⾊，g是⿊⾊，把p和u变⿊，左边⼦树路径各增加⼀个⿊⾊结点，g再变红，相
当于保持g所在⼦树的⿊⾊结点的数量不变，同时解决了c和p连续红⾊结点的问题，需要继续往上更新
是因为，g是红⾊，如果g的⽗亲还是红⾊，那么就还需要继续处理；如果g的⽗亲是⿊⾊，则处理结束 了；如果g就是整棵树的根，再把g变回⿊⾊。
情况1只变⾊，不旋转。所以⽆论c是p的左还是右，p是g的左还是右，都是上⾯的变⾊处理⽅式。
插入一个新结点c必须为红色，而需要变色的情况为：
parent为红 grandparent为黑 cur为红 这三个结点颜色是固定的 那么就取决于uncle的颜色：
若 uncle 存在且 uncle 为红：那么就变色处理
根据黑色结点个数进行0和1或以上个黑色结点进行变色
hb(黑色结点的个数)：
hb = 0
hb ！= 0
总结：如果uncle存在且为红色,那么就需要变色处理,parent变黑，uncle变黑，grandparent变红 代码实现:
// g// p u Node* uncle = grandparent->_right;if(uncle && uncle->_col == RED){// 变色 parent->_col = uncle->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;// 继续往上处理 cur = grandparent; parent = cur->_parent;}2.2.3 单旋+变⾊
条件：
c为红，p为红，g为⿊，u不存在或者u存在且为⿊，u不存在，则c⼀定是新增结点，u存在且为⿊，则 c⼀定不是新增，c之前是⿊⾊的，是在c的⼦树中插⼊，符合情况1，变⾊将c从⿊⾊变成红⾊，更新上 来的。
分析：p必须变⿊，才能解决，连续红⾊结点的问题，u不存在或者是⿊⾊的，这⾥单纯的变⾊⽆法解 决问题，需要旋转+变⾊。
在左边：
--------------------------g
----------p------------------------------u
c
如果p是g的左，c是p的左，那么以g为旋转点进⾏右单旋，再把p变⿊，g变红即可。p变成课这颗树新 的根，这样⼦树⿊⾊结点的数量不变，没有连续的红⾊结点了，且不需要往上更新，因为p的⽗亲是⿊ ⾊还是红⾊或者空都不违反规则。
在右边：
------------------g
--------u-------------------p
-----------------------------------c
先旋转在变色，parent变黑，grandparent变红
代码实现：
if(cur == parent->_left){// g// p u// cRotateR(grandparent); parent->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}2.2.4 双旋+变⾊
c为红，p为红，g为⿊，u不存在或者u存在且为⿊，u不存在，则c⼀定是新增结点，u存在且为⿊，则
c⼀定不是新增，c之前是⿊⾊的，是在c的⼦树中插⼊，符合情况1，变⾊将c从⿊⾊变成红⾊，更新上
来的。
分析：p必须变⿊，才能解决，连续红⾊结点的问题，u不存在或者是⿊⾊的，这⾥单纯的变⾊⽆法解
决问题，需要旋转+变⾊。
如果p是g的左，c是p的右，那么先以p为旋转点进⾏左单旋，再以g为旋转点进⾏右单旋，再把c变 ⿊，g变红即可。c变成课这颗树新的根，这样⼦树⿊⾊结点的数量不变，没有连续的红⾊结点了，且
不需要往上更新，因为c的⽗亲是⿊⾊还是红⾊或者空都不违反规则。
--------g
----p------u
--------c
如果p是g的右，c是p的左，那么先以p为旋转点进⾏右单旋，再以g为旋转点进⾏左单旋，再把c变
⿊，g变红即可。c变成课这颗树新的根，这样⼦树⿊⾊结点的数量不变，没有连续的红⾊结点了，且
不需要往上更新，因为c的⽗亲是⿊⾊还是红⾊或者空都不违反规
-------g
—u------p
------c
双旋在变色：grandparent变红，cur变黑。
代码实现:
else{// g// u p// c//需双旋+变色RotateR(parent);RotateL(grandparent); cur->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}2.3 红⿊树的插⼊代码实现
enumColour{ RED, BLACK };//红黑树结点template<classK,classV>structRBTreeNode{// 这里更新控制平衡也要加入parent指针 pair<K, V> _kv; RBTreeNode<K, V>* _left; RBTreeNode<K, V>* _right; RBTreeNode<K, V>* _parent; Colour _col;RBTreeNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv),_left(nullptr),_right(nullptr),_parent(nullptr){}};//红黑树template<classK,classV>classRBtree{typedef RBTreeNode<K, V> Node;public:boolinsert(const pair<K, V>& kv){if(_root ==nullptr){ _root =newNode(kv); _root->_col = BLACK;returntrue;} Node* cur = _root; Node* parent =nullptr;while(cur){if(cur->_kv.first < kv.first){ parent = cur; cur = cur->_right;}elseif(cur->_kv.first > kv.first){ parent = cur; cur = cur->_left;}else{returnfalse;}} cur =newNode(kv); cur->_col = RED;if(parent->_kv.first < kv.first){ parent->_right = cur;}else{ parent->_left = cur;} cur->_parent = parent;while(parent && parent->_col == RED){ Node* grandparent = parent->_parent;if(parent == grandparent->_left){// g// p u Node* uncle = grandparent->_right;if(uncle && uncle->_col == RED){// 变色 parent->_col = uncle->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;// 继续往上处理 cur = grandparent; parent = cur->_parent;}else{if(cur == parent->_left){// g// p u// cRotateR(grandparent); parent->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}else{// g// p u// cRotateL(parent);RotateR(grandparent); cur->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}break;}}else{ Node* uncle = grandparent->_left;if(uncle && uncle->_col == RED){ parent->_col = uncle->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;// 继续往上处理 cur = grandparent; parent = cur->_parent;}else{//旋转+变色if(cur == parent->_right){// g// u p// cRotateL(grandparent); parent->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}else{// g// u p// c//需双旋+变色RotateR(parent);RotateL(grandparent); cur->_col = BLACK; grandparent->_col = RED;}break;//旋转完后根或者部分根是黑色的不用在意根之前是黑或是红或是空}}} _root->_col = BLACK;returntrue;}voidRotateL(Node* parent){ Node* subR = parent->_right; Node* subRL = subR->_left; parent->_right = subRL;if(subRL) subRL->_parent = parent; Node* parentParent = parent->_parent; subR->_left = parent; parent->_parent = subR;if(parent == _root){ _root = subR; subR->_parent =nullptr;}else{if(parent == parentParent->_left){ parentParent->_left = subR;}else{ parentParent->_right = subR;} subR->_parent = parentParent;}}voidRotateR(Node* parent){ Node* subL = parent->_left; Node* subLR = subL->_right; parent->_left = subLR;if(subLR) subLR->_parent = parent; Node* pParent = parent->_parent; subL->_right = parent; parent->_parent = subL;if(parent == _root){ _root = subL; subL->_parent =nullptr;}else{if(pParent->_left == parent){ pParent->_left = subL;}else{ pParent->_right = subL;} subL->_parent = pParent;}}2.4 红⿊树的查找
Node*Find(const K& key){ Node* cur = _root;while(cur){if(cur->_kv.first < key){ cur = cur->_right;}elseif(cur->_kv.first > key){ cur = cur->_left;}else{return cur;}}returnnullptr;}2.5 红⿊树的验证
这⾥获取最⻓路径和最短路径，检查最⻓路径不超过最短路径的2倍是不可⾏的，因为就算满⾜这个条
件，红⿊树也可能颜⾊不满⾜规则，当前暂时没出问题，后续继续插⼊还是会出问题的。所以我们还
是去检查4点规则，满⾜这4点规则，⼀定能保证最⻓路径不超过最短路径的2倍。
- 规则1枚举颜⾊类型，天然实现保证了颜⾊不是⿊⾊就是红⾊。
- 规则2直接检查根即可
- 规则3前序遍历检查，遇到红⾊结点查孩⼦不太⽅便，因为孩⼦有两个，且不⼀定存在，反过来检
查⽗亲的颜⾊就⽅便多了。 - 规则4前序遍历，遍历过程中⽤形参记录跟到当前结点的blackNum(⿊⾊结点数量)，前序遍历遇到
⿊⾊结点就++blackNum，⾛到空就计算出了⼀条路径的⿊⾊结点数量。再任意⼀条路径⿊⾊结点
数量作为参考值，依次⽐较即可。
代码实现：
boolCheck(Node* root,int blackNum,constint refNum){if(root ==nullptr){if(refNum != blackNum){ cout <<"黑节点不一致"<< endl;returnfalse;}returntrue;}if(root->_col == RED && root->_parent->_col == RED){ cout <<"存在连续红节点"<< endl;returnfalse;}if(root->_col == BLACK){ blackNum++;}returnCheck(root->_left, blackNum, refNum)&&Check(root->_right, blackNum, refNum);}再见，并非终点，而是另一段旅程的起点。愿我们在各自的旅途中，都能遇见更美的风景，书写更加精彩的人生篇章！！！
