18. C++使用一棵红黑树同时封装出map和set
封装方式
使用KV模型的红黑树进行封装，同时模拟实现出C++STL库当中的map和set
红黑树模板参数的控制
用一棵KV模型的红黑树同时实现map和set，现在将红黑树第二个模板参数的名字改为T
template<class K, class T>
class RBTree
T模板参数可能只是键值Key，也可能是由Key和Value共同构成的键值对。如果是set容器，那么它传入底层红黑树的模板参数就是Key和Key
template<class K>
class set
{
public:
//...
private:
RBTree<K, K> _t;
};
- 但如果是map容器，那么它传入底层红黑树的模板参数就是Key以及Key和Value构成的键值对：
template<class K, class V>
class map
{
public:
//...
private:
RBTree<K, pair<K, V>> _t;
};
那能不能不要红黑树的第一个模板参数，只保留第二个模板参数呢？
对于set容器来说，省略红黑树的第一个参数当然没问题，因为set传入红黑树的第二个参数与第一个参数是一样的。但是对于map容器来说就不行了，因为map容器所提供的接口当中有些是只要求给出键值Key的，比如find和erase。
红黑树结点当中存储的数据
set容器：K和T都代表键值Key。
map容器：K代表键值Key，T代表由Key和Value构成的键值对。
- 对于set容器来说，底层红黑树结点当中存储K和T都是一样的，但是对于map容器来说，底层红黑树就只能存储T了。由于底层红黑树并不知道上层容器到底是map还是set，因此红黑树的结点当中直接存储T。
- 当上层容器是set的时候，结点当中存储的是键值Key；当上层容器是map的时候，结点当中存储的就是
<Key, Value>键值对。
//红黑树结点的定义
template<class T>
struct RBTreeNode
{
//三叉链
RBTreeNode<T>* _left;
RBTreeNode<T>* _right;
RBTreeNode<T>* _parent;
//存储的数据
T _data;
//结点的颜色
Colour _col; //红/黑
//构造函数
RBTreeNode(const T& data)
:_left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _data(data)
, _col(RED)
{}
};
模板参数中仿函数的增加
当上层容器是set的时候T就是键值Key，直接用T进行比较即可，但当上层容器是map的时候就不行了，此时我们需要从<Key, Value>键值对当中取出键值Key后，再用Key值进行比较。
因此，上层容器map需要向底层红黑树提供一个仿函数，用于获取T当中的键值Key，这样一来，当底层红黑树当中需要比较两个结点的键值时，就可以通过这个仿函数来获取T当中的键值了。
由于map中的pair中的first是不可修改的key，所以这里就可以增加上const。
template<class K, class V>
class map
{
//仿函数
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<K, V>& kv) //返回键值对当中的键值Key
{
return kv.first;
}
};
public:
//...
private:
RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};
- 但是对于底层红黑树来说，它并不知道上层容器是map还是set，因此当需要进行两个结点键值的比较时，底层红黑树都会通过传入的仿函数来获取键值Key，进而进行两个结点键值的比较。
- set容器也需要向底层红黑树传入一个仿函数。
- set中的key也是不可以修改的，可以加上const。
template<class K>
class set
{
//仿函数
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key) //返回键值Key
{
return key;
}
};
public:
//...
private:
RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
};
- set容器传入底层红黑树的就是set的仿函数，map容器传入底层红黑树的就是map的仿函数。
- 当底层红黑树需要进行两个结点之间键值的比较时，都会通过传入的仿函数来获取相应结点的键值，然后再进行比较
- 注意： 所有进行结点键值比较的地方，均需要通过仿函数获取对应结点的键值后再进行键值的比较。
普通迭代器和const迭代器的实现
思路
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树不为空，代表当前结点已经访问完了，要访问下一个结点是右子树的中序第一个，一棵树中序第一个是最左结点，所以直接找右子树的最左结点即可。
迭代器++时，如果it指向的结点的右子树空，代表当前结点已经访问完了且当前结点所在的子树也访问完了，要访问的下一个结点在当前结点的祖先里面，所以要沿着当前结点到根的祖先路径向上找。
- 如果当前结点是父亲的左，根据中序左子树->根结点->右子树，那么下一个访问的结点就是当前结点的父亲。
- 如果当前结点是父亲的右，根据中序左子树->根结点->右子树，当前当前结点所在的子树访问完了，当前结点所在父亲的子树也访问完了，那么下一个访问的需要继续往根的祖先中去找，直到找到孩子是父亲左的那个祖先就是中序要问题的下一个结点。
end()如何表示呢？如下图：当it指向50时，++it时，50是40的右，40是30的右，30是18的右，18到根没有父亲，没有找到孩子是父亲左的那个祖先，这是父亲为空了，那我们就把it中的结点指针置为nullptr，我们用nullptr去充当end。需要注意的是stl源码空，红黑树增加了一个哨兵位头结点做为end()，这哨兵位头结点和根互为父亲，左指向最左结点，右指向最右结点。相比我们用nullptr作为end()，差别不大，他能实现的，我们也能实现。只是–end()判断到结点时空，特殊处理一下，让迭代器结点指向最右结点。
迭代器–的实现跟++的思路完全类似，逻辑正好反过来即可，因为他访问顺序是右子树->根结点->左子树。
set的iterator也不支持修改，我们把set的第二个模板参数改成const K即可，RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
map的iterator不支持修改key但是可以修改value，我们把map的第二个模板参数pair的第一个参数改成const K即可， RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
myMap.h
#pragma once
#include"RBTree.h"
namespace lsl //防止命名冲突
{
template<class K, class V>
class map
{
public:
//仿函数
struct MapKeyOfT
{
const K& operator()(const pair<K, V>& kv) //返回键值对当中的键值Key
{
return kv.first;
}
};
// 对类模板取内嵌类型，加typename告诉编译器这里是类型
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::const_iterator const_iterator; // const迭代器
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
const_iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
const_iterator end() const
{
return _t.end();
}
//插入函数
pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
{
return _t.Insert(kv);
}
//[]运算符重载函数
V& operator[](const K& key)
{
pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
return ret.first->second;
}
//查找函数
iterator find(const K& key)
{
return _t.Find(key);
}
private:
RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
};
}
mySet.h
#pragma once
#include "RBTree.h"
namespace lsl //防止命名冲突
{
template<class K>
class set
{
public:
//仿函数
struct SetKeyOfT
{
const K& operator()(const K& key) //返回键值Key
{
return key;
}
};
// 对类模板取内嵌类型，加typename告诉编译器这里是类型
typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::const_iterator iterator;
typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::const_iterator const_iterator;//const迭代器
iterator begin()
{
return _t.begin();
}
iterator end()
{
return _t.end();
}
const_iterator begin() const
{
return _t.begin();
}
const_iterator end() const
{
return _t.end();
}
//插入函数
pair<iterator, bool> insert(const K& key)
{
return _t.Insert(key);
}
//查找函数
iterator find(const K& key)
{
return _t.Find(key);
}
private:
RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
};
}
RBTree.h
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
//枚举定义结点的颜色
enum Colour
{
RED,
BLACK
};
//红黑树结点的定义
template<class T>
struct RBTreeNode
{
//三叉链
RBTreeNode<T>* _left;
RBTreeNode<T>* _right;
RBTreeNode<T>* _parent;
//存储的数据
T _data;
//结点的颜色
Colour _col; //红/黑
//构造函数
RBTreeNode(const T& data)
:_left(nullptr)
, _right(nullptr)
, _parent(nullptr)
, _data(data)
, _col(RED)
{}
};
//正向迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __TreeIterator
{
typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
typedef __TreeIterator<T, Ref, Ptr> Self; //正向迭代器的类型
Node* _node; //正向迭代器所封装结点的指针
Node* _root; //根节点
//构造函数
__TreeIterator(Node* node, Node* root)
:_node(node) //根据所给结点指针构造一个正向迭代器
,_root(root)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_data; //返回结点数据的引用
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data; //返回结点数据的指针
}
//判断两个正向迭代器是否不同
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
}
//判断两个正向迭代器是否相同
bool operator==(const Self& s) const
{
return _node == s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
}
//前置++
/*
1. it指向的节点，右子树不为空，下一个右子树的最左节点
2. it指向的节点，右子树为空，it中的节点所在的子树访问完了，往上找孩子是父亲左的那个祖先
*/
Self& operator++()
{
if (_node->_right) //结点的右子树不为空
{
//寻找该结点右子树当中的最左结点
Node* left = _node->_right;
while (left->_left)
{
left = left->_left;
}
_node = left; //++后变为该结点
}
else //结点的右子树为空
{
//寻找孩子不在父亲右的祖先
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && cur == parent->_right)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent; //++后变为该结点
}
return *this;
}
//前置--
Self& operator--()
{
if (_node == nullptr) // end()
{
// --end()，特殊处理，走到中序最后一个结点，整棵树的最右结点
Node* rightMost = _root;
while (rightMost && rightMost->_right)
{
rightMost = rightMost->_right;
}
_node = rightMost;
}
else if (_node->_left) //结点的左子树不为空
{
//寻找该结点左子树当中的最右结点
Node* right = _node->_left;
while (right->_right)
{
right = right->_right;
}
_node = right; //--后变为该结点
}
else //结点的左子树为空
{
//寻找孩子不在父亲左的祖先
Node* cur = _node;
Node* parent = cur->_parent;
while (parent && cur == parent->_left)
{
cur = parent;
parent = parent->_parent;
}
_node = parent; //--后变为该结点
}
return *this;
}
};
//红黑树的实现
template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
KeyOfT kot; // 用于比较
typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
public:
typedef __TreeIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __TreeIterator<T, const T&, const T*> const_iterator; //const迭代器
iterator begin()
{
//寻找最左结点
Node* left = _root;
while (left && left->_left)
{
left = left->_left;
}
//返回最左结点的正向迭代器
return iterator(left, _root);
}
iterator end()
{
//返回由nullptr构造得到的正向迭代器（不严谨）
return iterator(nullptr, _root);
}
const_iterator begin()const
{
//寻找最左结点
Node* left = _root;
while (left && left->_left)
{
left = left->_left;
}
//返回最左结点的正向迭代器
return const_iterator(left, _root);
}
const_iterator end()const
{
//返回由nullptr构造得到的正向迭代器（不严谨）
return const_iterator(nullptr, _root);
}
//构造函数
RBTree()
:_root(nullptr)
{}
//拷贝构造
RBTree(const RBTree<K, T, KeyOfT>& t)
{
_root = _Copy(t._root, nullptr);
}
//赋值运算符重载（现代写法）
RBTree<K, T, KeyOfT>& operator=(RBTree<K, T, KeyOfT> t)
{
swap(_root, t._root);
return *this; //支持连续赋值
}
//析构函数
~RBTree()
{
_Destroy(_root);
_root = nullptr;
}
//查找函数
iterator Find(const K& key)
{
KeyOfT kot;
Node* cur = _root;
while (cur)
{
if (key < kot(cur->_data)) //key值小于该结点的值
{
cur = cur->_left; //在该结点的左子树当中查找
}
else if (key > kot(cur->_data)) //key值大于该结点的值
{
cur = cur->_right; //在该结点的右子树当中查找
}
else //找到了目标结点
{
return iterator(cur); //返回该结点
}
}
return end(); //查找失败
}
//插入函数
pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
{
if (_root == nullptr) //若红黑树为空树，则插入结点直接作为根结点
{
_root = new Node(data);
_root->_col = BLACK; //根结点必须是黑色
return std::make_pair(iterator(_root, _root), true);
//return { iterator(_root, _root), true }; //插入成功
}
//1、按二叉搜索树的插入方法，找到待插入位置
Node* cur = _root;
Node* parent = nullptr;
while (cur)
{
if (kot(data) < kot(cur->_data)) //待插入结点的key值小于当前结点的key值
{
//往该结点的左子树走
parent = cur;
cur = cur->_left;
}
else if (kot(data) > kot(cur->_data)) //待插入结点的key值大于当前结点的key值
{
//往该结点的右子树走
parent = cur;
cur = cur->_right;
}
else //待插入结点的key值等于当前结点的key值
{
return std::make_pair(iterator(cur, _root), false);
//return { iterator(cur, _root), false }; //插入成功
}
}
//2、将待插入结点插入到树中
cur = new Node(data); //根据所给值构造一个结点
Node* newnode = cur; //记录新插入的结点（便于后序返回）
if (kot(data) < kot(parent->_data)) //新结点的key值小于parent的key值
{
//插入到parent的左边
parent->_left = cur;
cur->_parent = parent;
}
else //新结点的key值大于parent的key值
{
//插入到parent的右边
parent->_right = cur;
cur->_parent = parent;
}
//3、若插入结点的父结点是红色的，则需要对红黑树进行调整
while (parent && parent->_col == RED)
{
Node* grandfather = parent->_parent; //parent是红色，则其父结点一定存在
if (parent == grandfather->_left) //parent是grandfather的左孩子
{
Node* uncle = grandfather->_right; //uncle是grandfather的右孩子
if (uncle && uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
{
//颜色调整
parent->_col = uncle->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else //情况2+情况3：uncle不存在 + uncle存在且为黑
{
if (cur == parent->_left)
{
RotateR(grandfather); //右单旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
else //cur == parent->_right
{
RotateLR(grandfather); //左右双旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
cur->_col = BLACK;
}
break; //子树旋转后，该子树的根变成了黑色，无需继续往上进行处理
}
}
else //parent是grandfather的右孩子
{
Node* uncle = grandfather->_left; //uncle是grandfather的左孩子
if (uncle && uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
{
//颜色调整
uncle->_col = parent->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
//继续往上处理
cur = grandfather;
parent = cur->_parent;
}
else //情况2+情况3：uncle不存在 + uncle存在且为黑
{
if (cur == parent->_left)
{
RotateRL(grandfather); //右左双旋
//颜色调整
cur->_col = BLACK;
grandfather->_col = RED;
}
else //cur == parent->_right
{
RotateL(grandfather); //左单旋
//颜色调整
grandfather->_col = RED;
parent->_col = BLACK;
}
break; //子树旋转后，该子树的根变成了黑色，无需继续往上进行处理
}
}
}
_root->_col = BLACK; //根结点的颜色为黑色（可能被情况一变成了红色，需要变回黑色）
return std::make_pair(iterator(newnode, _root), true); //插入成功
//return { iterator(newnode, _root), true }; //插入成功
}
private:
//拷贝树
Node* _Copy(Node* root, Node* parent)
{
if (root == nullptr)
{
return nullptr;
}
Node* copyNode = new Node(root->_data);
copyNode->_parent = parent;
copyNode->_left = _Copy(root->_left, copyNode);
copyNode->_right = _Copy(root->_right, copyNode);
return copyNode;
}
//析构函数子函数
void _Destroy(Node* root)
{
if (root == nullptr)
{
return;
}
_Destroy(root->_left);
_Destroy(root->_right);
delete root;
}
//左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
Node* subR = parent->_right;
Node* subRL = subR->_left;
Node* parentParent = parent->_parent;
//建立subRL与parent之间的联系
parent->_right = subRL;
if (subRL)
subRL->_parent = parent;
//建立parent与subR之间的联系
subR->_left = parent;
parent->_parent = subR;
//建立subR与parentParent之间的联系
if (parentParent == nullptr)
{
_root = subR;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == parentParent->_left)
{
parentParent->_left = subR;
}
else
{
parentParent->_right = subR;
}
subR->_parent = parentParent;
}
}
//右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
Node* subL = parent->_left;
Node* subLR = subL->_right;
Node* parentParent = parent->_parent;
//建立subLR与parent之间的联系
parent->_left = subLR;
if (subLR)
subLR->_parent = parent;
//建立parent与subL之间的联系
subL->_right = parent;
parent->_parent = subL;
//建立subL与parentParent之间的联系
if (parentParent == nullptr)
{
_root = subL;
_root->_parent = nullptr;
}
else
{
if (parent == parentParent->_left)
{
parentParent->_left = subL;
}
else
{
parentParent->_right = subL;
}
subL->_parent = parentParent;
}
}
//左右双旋
void RotateLR(Node* parent)
{
RotateL(parent->_left);
RotateR(parent);
}
//右左双旋
void RotateRL(Node* parent)
{
RotateR(parent->_right);
RotateL(parent);
}
Node* _root; //红黑树的根结点
};
浙公网安备 33010602011771号