史上最简单清晰的红黑树讲解

史上最简单清晰的红黑树讲解

平衡查找树

 

在一颗含有N个结点的树中，我们希望树高为~lgN，这样我们就能保证所有查找都能在~lgN此比较内结束，就和二分查找一样。不幸的是，在动态插入中保证树的完美平衡的代价太高了。我们放松对完美平衡的要求，使符号表API中所有操作均能够在对数时间内完成。

 

2-3查找树

 

为了保证查找树的平衡性，我们需要一些灵活性，因此在这里我们允许树中的一个结点保存多个键。

2-结点：含有一个键(及值)和两条链接，左链接指向的2-3树中的键都小于该结点，右链接指向的2-3树中的键都大于该结点。

3-结点：含有两个键(及值)和三条链接，左链接指向的2-3树中的键都小于该结点，中链接指向的2-3树中的键都位于该结点的两个键之间，右链接指向的2-3树中的键都大于该结点。

（2-3指的是2叉-3叉的意思）

 

总结：

先找插入结点，若结点有空(即2-结点)，则直接插入。如结点没空(即3-结点)，则插入使其临时容纳这个元素，然后分裂此结点，把中间元素移到其父结点中。对父结点亦如此处理。（中键一直往上移，直到找到空位，在此过程中没有空位就先搞个临时的，再分裂。）

 

 

★2-3树插入算法的根本在于这些变换都是局部的：除了相关的结点和链接之外不必修改或者检查树的其他部分。每次变换中，变更的链接数量不会超过一个很小的常数。所有局部变换都不会影响整棵树的有序性和平衡性。

优点

 

2-3树在最坏情况下仍有较好的性能。每个操作中处理每个结点的时间都不会超过一个很小的常数，且这两个操作都只会访问一条路径上的结点，所以任何查找或者插入的成本都肯定不会超过对数级别。

完美平衡的2-3树要平展的多。例如，含有10亿个结点的一颗2-3树的高度仅在19到30之间。我们最多只需要访问30个结点就能在10亿个键中进行任意查找和插入操作。

 

缺点

 

我们需要维护两种不同类型的结点，查找和插入操作的实现需要大量的代码，而且它们所产生的额外开销可能会使算法比标准的二叉查找树更慢。

平衡一棵树的初衷是为了消除最坏情况，但我们希望这种保障所需的代码能够越少越好。

 

 

红黑二叉查找树

 

【前言：本文所讨论的红黑树之目的在于使读者能更简单清晰地了解红黑树的构造，使读者能在纸上清晰快速地画出红黑树，而不是为了写出红黑树的实现代码。

若是要在代码级理解红黑树，则势必需要记住其复杂的插入和旋转的各种情况，我认为那只有助于增加大家对红黑树的恐惧，实际面试和工作中几乎不会遇到需要自己动手实现红黑树的情况(很多语言的标准库中就有红黑树的实现)。  若对于红黑树的C代码实现有兴趣的，可移步至July的博客。】

 

（理解红黑树一句话就够了：红黑树就是用红链接表示3-结点的2-3树。那么红黑树的插入、构造就可转化为2-3树的问题，即：在脑中用2-3树来操作，得到结果，再把结果中的3-结点转化为红链接即可。而2-3树的插入，前面已有详细图文，实际也很简单：有空则插，没空硬插，再分裂。  这样，我们就不用记那么复杂且让人头疼的红黑树插入旋转的各种情况了。只要清楚2-3树的插入方式即可。  下面图文详细演示。）

 

红黑树的本质：

红黑树是对2-3查找树的改进，它能用一种统一的方式完成所有变换。

 

替换3-结点

 

★红黑树背后的思想是用标准的二叉查找树（完全由2-结点构成）和一些额外的信息（替换3-结点）来表示2-3树。

我们将树中的链接分为两种类型：红链接将两个2-结点连接起来构成一个3-结点，黑链接则是2-3树中的普通链接。确切地说，我们将3-结点表示为由一条左斜的红色链接相连的两个2-结点。

这种表示法的一个优点是，我们无需修改就可以直接使用标准二叉查找树的get()方法。对于任意的2-3树，只要对结点进行转换，我们都可以立即派生出一颗对应的二叉查找树。我们将用这种方式表示2-3树的二叉查找树称为红黑树。