基于《算法》一书的红黑树的插入和删除。看过不同的教材,也有不同的实现方式,但是最终的结果也大致相同,感觉这个比较容易理解,就采用这种的方式来进行简单实现。
定义树节点的实体类型
1 | private static final boolean RED = true; |
这里简单的定义了一下红黑树,并且只有节点,并不是map这样的k-v结构。如果定义k-v结构到时比较的时候比较k即可。
用了泛型,并且要支持比较(继承自Comparable),不然无法比较大小进行插入。
然后定义了一个值,左节点和右节点,然后颜色默认为红色。
再增加一个构造函数即可
定义公共方法
主要做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
1 | public class RedBlackTree<E extends Comparable<E>> { |
定义这些公共方法来对外部调用,具体实现可以放到私有方法中。
变换操作
在红黑树的变换中主要有三个:左旋,右旋,变色。接下来我们就来实现这三个方法。
旋转操作可以保持红黑树的两个重要性质:有序性和完美平衡性
左旋
1 | private RedBlackTreeNode<E> rotateLeft(RedBlackTreeNode<E> node) { |
当右节点为红色, 左节点为空或者黑色时,需要进行左旋操作。
首先定义一个变量存储右节点,然后将右节点的左节点作为父节点(传入参数)的右节点。这时与右节点(定义的变量)断开了关联。
然后将定义的变量(右节点)的左节点设置为参数节点(左节点之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(不影响上一级的操作),然后将父节点设置为红色。
将定义的变量作为父节点返回。
右旋
1 | private RedBlackTreeNode<E> rotateRight(RedBlackTreeNode<E> node) { |
当左节点为红色,左节点的左节点也为红色时,需要进行右旋操作。
这个与左旋基本类似,将左节点作为父节点返回,然后对其他节点也要确保不丢失,还有换色操作不能影响红黑树的特性。
换色
1 | private void flipColor(RedBlackTreeNode<E> node) { |
当两个子节点都为红色时,需要进行换色
让两个子节点变为黑色,父节点变为红色
完成公共方法的实现
刚才我们在上面有提到,需要判断节点的颜色,虽然我们在节点的类型中定义了color
属性,但是考虑到其他情况还是写一个方法来完成判断颜色的功能:
isRed(Node)
1 | private boolean isRed(RedBlackTreeNode<E> node) { |
当节点为空时返回false即为黑色,不然判断节点的color属性是否为红色。
还有一个中序打印的方法
printTree()
1 | public void printTree() { |
在对外部的方法中调用了内部方法,传入了头结点。
由于是中序遍历,所以需要先遍历左节点,然后打印自己,然后遍历右节点。这是一个递归操作,所以需要定义终止条件:当节点为空时就返回。
具体实现
add()
1 | public void add(E val) throws IllegalAccessException { |
在公共方法中首先进行了一个参数校验,如果为空则无法比较所以就抛出一个异常。
然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,如果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还是右子树上,然后递归调用当前方法,传入要添加的值和左节点或右节点,如果相等则直接返回当期节点即可(不是map不用重新改变value)。并且添加后可能会进行调整,所以需要重新赋值。
接下来就是判断是否符合红黑树的规定,然后进行左旋,右旋,变色等操作。这时也会进行重新调整,所以需要重新赋值。
操作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。
remove()
1 | public void remove(E val) throws IllegalAccessException { |
在公共方法中进行参数校验,如果删除的是null,则抛出异常。
然后当树为空时也不能进行删除操作。删除操作也可能会进行结构修改,所以也需要进行重新赋值。
用参数与当前节点比较,如果小则递归传入左节点,如果大则递归传入右节点,当节点为空时表示要删除的节点不再树中,我在这里是抛出了异常,可能有些不太妥当。
如果与当前节点相同,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如果进行删除。其实这也分为几种情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即可。
将右子节点的最小节点作为当前节点的替代,然后删除这个最小节点。
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21/**
* 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作为当前节点的替代,然后删除这个最大节点。
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14private 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,需要检查是否符合红黑树的特性是否需要左旋,右旋,变色等操作。
验证
1 | public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException { |
首先我们依次添加[1,3,5,7,9,2,4]。然后将树打印,按照预期结果打印出的结果应该是顺序的1~9。然后我们删除2节点,如果我们将插入过程画出来会发现如果删除2,则会造成1,3两个红节点的连接,这不符合红黑树的规定,所以需要进行调整。然后再次进行打印查看结果是否为有误。
最后我们删除一个不存在的值,看它是否会报错。
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通过输出可以看出结果符合我们的要求,然后也可以通过debug的方法查看删除2节点后的节点情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节点后的情况