C++红黑树实现与STL map底层原理

2.2 红黑树的插入

2.2.1 插入的大概过程

1. 按二叉搜索树规则插入新结点。
2. 如果是空树插入，新增结点为黑色；如果是非空树插入，新增结点必须为红色（否则会破坏规则4）。
3. 非空树插入后，如果父亲结点是黑色，则插入结束；如果父亲结点是红色，则违反规则3，需要进一步处理。

约定：c 为当前结点（cur），p 为父亲（parent），g 为祖父（grandfather），u 为叔叔（uncle，即 p 的兄弟）。

2.2.2 情况1：变色

条件：c 为红，p 为红，g 为黑，u 存在且为红。 处理：将 p 和 u 变黑，g 变红，然后把 g 当作新的 c，继续往上更新。

• 无论 c 是 p 的左还是右，p 是 g 的左还是右，处理方法相同。

如果 g 是根，最后再将 g 变回黑色。

2.2.3 情况2：单旋 + 变色

条件：c 为红，p 为红，g 为黑，u 不存在或为黑。

• 如果 u 不存在，c 一定是新增结点。
• 如果 u 存在且为黑，c 一定不是新增，而是由情况1变色更新上来的。

处理：

• p 是 g 的左，c 是 p 的左：以 g 为旋转点进行右单旋，再将 p 变黑，g 变红。
• p 是 g 的右，c 是 p 的右：以 g 为旋转点进行左单旋，再将 p 变黑，g 变红。

2.2.4 情况3：双旋 + 变色

条件：c 为红，p 为红，g 为黑，u 不存在或为黑，且 c 与 p 的方向不一致。

处理：

• p 是 g 的左，c 是 p 的右：先以 p 为旋转点进行左单旋，再以 g 为旋转点进行右单旋，最后将 c 变黑，g 变红。
• p 是 g 的右，c 是 p 的左：先以 p 为旋转点进行右单旋，再以 g 为旋转点进行左单旋，最后将 c 变黑，g 变红。

2.3 红黑树的插入代码实现

bool Insert(const pair<K, V>& kv) {
    if (_root == nullptr) {
        _root = new Node(kv);
        _root->_col = BLACK;
        return true;
    }
    
    Node* parent = nullptr;
    Node* cur = _root;
    while (cur) {
        if (cur->_kv.first < kv.first) {
            parent = cur;
            cur = cur->_right;
        } else if (cur->_kv.first > kv.first) {
            parent = cur;
            cur = cur->_left;
        } else {
            return false;
        }
    }
    
    cur = new Node(kv);
    cur->_col = RED; // 新增结点为红色
    if (parent->_kv.first < kv.first) {
        parent->_right = cur;
    } else {
        parent->_left = cur;
    }
    cur->_parent = parent;

    while (parent && parent->_col == RED) {
        Node* grandfather = parent->_parent;
        if (parent == grandfather->_left) {
            Node* uncle = grandfather->_right;
            if (uncle && uncle->_col == RED) {
                // 情况1：叔叔存在且为红
                parent->_col = uncle->_col = BLACK;
                grandfather->_col = RED;
                cur = grandfather;
                parent = cur->_parent;
            } else {
                // 情况2/3：叔叔不存在或为黑
                if (cur == parent->_left) {
                    // 单旋
                    RotateR(grandfather);
                    parent->_col = BLACK;
                    grandfather->_col = RED;
                } else {
                    // 双旋
                    RotateL(parent);
                    RotateR(grandfather);
                    cur->_col = BLACK;
                    grandfather->_col = RED;
                }
                break;
            }
        } else {
            Node* uncle = grandfather->_left;
            if (uncle && uncle->_col == RED) {
                // 情况1：叔叔存在且为红
                parent->_col = uncle->_col = BLACK;
                grandfather->_col = RED;
                cur = grandfather;
                parent = cur->_parent;
            } else {
                // 情况2/3：叔叔不存在或为黑
                if (cur == parent->_right) {
                    RotateL(grandfather);
                    parent->_col = BLACK;
                    grandfather->_col = RED;
                } else {
                    RotateR(parent);
                    RotateL(grandfather);
                    cur->_col = BLACK;
                    grandfather->_col = RED;
                }
                break;
            }
        }
    }
    _root->_col = BLACK;
    return true;
}

旋转代码与 AVL 树相同，只需调整指针，无需更新平衡因子。

2.4 红黑树的查找

按二叉搜索树逻辑实现，时间复杂度 O(logN)。

Node* Find(const K& key) {
    Node* cur = _root;
    while (cur) {
        if (cur->_kv.first < key) {
            cur = cur->_right;
        } else if (cur->_kv.first > key) {
            cur = cur->_left;
        } else {
            return cur;
        }
    }
    return nullptr;
}

2.5 红黑树的验证

不能简单地通过检查最长路径不超过最短路径2倍来验证，因为即使满足该条件，颜色规则也可能被破坏。必须检查4点规则：

1. 根结点为黑色。
2. 无连续红色结点。
3. 每条路径黑色结点数量相同。

bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum) {
    if (root == nullptr) {
        if (refNum != blackNum) {
            cout << "存在黑色结点数量不相等的路径" << endl;
            return false;
        }
        return true;
    }
    if (root->_col == RED && root->_parent->_col == RED) {
        cout << root->_kv.first << "存在连续的红色结点" << endl;
        return false;
    }
    if (root->_col == BLACK) {
        blackNum++;
    }
    return Check(root->_left, blackNum, refNum) && Check(root->_right, blackNum, refNum);
}

bool IsBalance() {
    if (_root == nullptr) return true;
    if (_root->_col == RED) return false;
    
    // 参考值：最左路径的黑色结点数
    int refNum = 0;
    Node* cur = _root;
    while (cur) {
        if (cur->_col == BLACK) ++refNum;
        cur = cur->_left;
    }
    return Check(_root, 0, refNum);
}