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服務器之家 - 編程語言 - C/C++ - C++實現紅黑樹應用實例代碼

C++實現紅黑樹應用實例代碼

2022-02-17 16:43去偽存真 C/C++

紅黑樹它一種特殊的二叉查找樹,這意味著它滿足二叉查找樹的特征,但是也有許多自己的特性,這篇文章主要給大家介紹了關于C++實現紅黑樹的相關資料,需要的朋友可以參考下

紅黑樹的應用:

1、利用key_value對,快速查找,O(logn)

  1. socket與客戶端id之間,形成映射關系(socket, id)
  2. 內存分配管理
    1. 一整塊內存,不斷分配小塊
    2. 每分配一次,就加入到紅黑樹
    3. 釋放的時候,在紅黑樹找到相應的塊,然后去釋放

2、利用紅黑樹中序遍歷是順序的特性

  1. 進程的調度
    1. 進程處于等待狀態,每個進程都有等待的時間,在未來某個時刻會運行,將這些進程利用紅黑樹組織起來
    2. 在某個時刻,找到對應時刻的節點,然后中序遍歷,就可以把該節點之前的節點全部運行到。

3、nginx定時器

為什么使用紅黑樹不使用哈希表?

  • 極少情況下,需要key是有序的,如定時器

二叉排序樹(bstree)

  1. 左子樹 < 根 < 右子樹
  2. 中序遍歷結果是順序的
  3. 極端情況下,如果順序插入,結果就成了鏈表
    1. 為了解決這個問題,引入了紅黑樹

紅黑樹性質

  1. 每個節點是紅色的或黑色的
  2. 根節點是黑色的
  3. 葉子節點是黑色的
  4. 紅色節點的兩個子節點必須是黑色的
  5. 對每個節點,該節點到其子孫節點的所有路徑上的包含相同數目的黑節點(黑高相同)
    1. 最短路徑就是全黑
    2. 最長路徑就是黑紅相間

如何證明紅黑樹的正確性?

  • 采用歸納法

左旋與右旋

  • 改變三個方向,六根指針

紅黑樹的插入:

  1. 插入節點的時候,原先的樹是滿足紅黑樹性質的
  2. 插入節點的顏色是紅色更容易滿足紅黑樹的性質
  3. 插入的節點是紅色,且其父節點也是紅色的時候,需要調整

插入有三種情況:

  1. 叔父節點是紅色
  2. 叔父節點是黑色,且祖父節點,父節點和插入節點不是一條直線
  3. 叔父節點是黑色,且祖父節點,父節點和插入節點是一條直線

平衡二叉樹:

  • 內部不是color,而是一個high記錄高度,如果左右子樹高度相差超過1,就需要調整。

紅黑樹的刪除:

  1. 什么是刪除節點? y-> y是z的后繼節點
  2. 什么是軸心節點? x是y的右子樹
    1. 如果x是紅色,把x變成黑色
    2. 如果x是黑色,需要進行調整

刪除y節點,是什么顏色的時候需要調整?

  • 黑色需要調整,刪除黑色破壞了黑高
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
#define RED                1
#define BLACK             2
 
typedef int KEY_TYPE;
 
typedef struct _rbtree_node {
    unsigned char color;
    struct _rbtree_node *right;
    struct _rbtree_node *left;
    struct _rbtree_node *parent;
    KEY_TYPE key;
    void *value;
} rbtree_node;
 
typedef struct _rbtree {
    rbtree_node *root;
    rbtree_node *nil;
} rbtree;
 
rbtree_node *rbtree_mini(rbtree *T, rbtree_node *x) {
    while (x->left != T->nil) {
        x = x->left;
    }
    return x;
}
 
rbtree_node *rbtree_maxi(rbtree *T, rbtree_node *x) {
    while (x->right != T->nil) {
        x = x->right;
    }
    return x;
}
 
rbtree_node *rbtree_successor(rbtree *T, rbtree_node *x) {
    rbtree_node *y = x->parent;
 
    if (x->right != T->nil) {
        return rbtree_mini(T, x->right);
    }
 
    while ((y != T->nil) && (x == y->right)) {
        x = y;
        y = y->parent;
    }
    return y;
}
 
 
void rbtree_left_rotate(rbtree *T, rbtree_node *x) {
 
    rbtree_node *y = x->right;  // x  --> y  ,  y --> x,   right --> left,  left --> right
 
    x->right = y->left; //1 1
    if (y->left != T->nil) { //1 2
        y->left->parent = x;
    }
 
    y->parent = x->parent; //1 3
    if (x->parent == T->nil) { //1 4
        T->root = y;
    } else if (x == x->parent->left) {
        x->parent->left = y;
    } else {
        x->parent->right = y;
    }
 
    y->left = x; //1 5
    x->parent = y; //1 6
}
 
 
void rbtree_right_rotate(rbtree *T, rbtree_node *y) {
 
    rbtree_node *x = y->left;
 
    y->left = x->right;
    if (x->right != T->nil) {
        x->right->parent = y;
    }
 
    x->parent = y->parent;
    if (y->parent == T->nil) {
        T->root = x;
    } else if (y == y->parent->right) {
        y->parent->right = x;
    } else {
        y->parent->left = x;
    }
 
    x->right = y;
    y->parent = x;
}
 
void rbtree_insert_fixup(rbtree *T, rbtree_node *z) {
 
    while (z->parent->color == RED) { //z ---> RED
        if (z->parent == z->parent->parent->left) {
            rbtree_node *y = z->parent->parent->right;
            if (y->color == RED) {
                z->parent->color = BLACK;
                y->color = BLACK;
                z->parent->parent->color = RED;
 
                z = z->parent->parent; //z --> RED
            } else {
 
                if (z == z->parent->right) {
                    z = z->parent;
                    rbtree_left_rotate(T, z);
                }
 
                z->parent->color = BLACK;
                z->parent->parent->color = RED;
                rbtree_right_rotate(T, z->parent->parent);
            }
        }else {
            rbtree_node *y = z->parent->parent->left;
            if (y->color == RED) {
                z->parent->color = BLACK;
                y->color = BLACK;
                z->parent->parent->color = RED;
 
                z = z->parent->parent; //z --> RED
            } else {
                if (z == z->parent->left) {
                    z = z->parent;
                    rbtree_right_rotate(T, z);
                }
 
                z->parent->color = BLACK;
                z->parent->parent->color = RED;
                rbtree_left_rotate(T, z->parent->parent);
            }
        }
        
    }
 
    T->root->color = BLACK;
}
 
 
void rbtree_insert(rbtree *T, rbtree_node *z) {
 
    rbtree_node *y = T->nil;
    rbtree_node *x = T->root;
 
    while (x != T->nil) {
        y = x;
        if (z->key < x->key) {
            x = x->left;
        } else if (z->key > x->key) {
            x = x->right;
        } else { //Exist
            return ;
        }
    }
 
    z->parent = y;
    if (y == T->nil) {
        T->root = z;
    } else if (z->key < y->key) {
        y->left = z;
    } else {
        y->right = z;
    }
 
    z->left = T->nil;
    z->right = T->nil;
    z->color = RED;
 
    rbtree_insert_fixup(T, z);
}
 
void rbtree_delete_fixup(rbtree *T, rbtree_node *x) {
 
    while ((x != T->root) && (x->color == BLACK)) {
        if (x == x->parent->left) {
 
            rbtree_node *w= x->parent->right;
            if (w->color == RED) {
                w->color = BLACK;
                x->parent->color = RED;
 
                rbtree_left_rotate(T, x->parent);
                w = x->parent->right;
            }
 
            if ((w->left->color == BLACK) && (w->right->color == BLACK)) {
                w->color = RED;
                x = x->parent;
            } else {
 
                if (w->right->color == BLACK) {
                    w->left->color = BLACK;
                    w->color = RED;
                    rbtree_right_rotate(T, w);
                    w = x->parent->right;
                }
 
                w->color = x->parent->color;
                x->parent->color = BLACK;
                w->right->color = BLACK;
                rbtree_left_rotate(T, x->parent);
 
                x = T->root;
            }
 
        } else {
 
            rbtree_node *w = x->parent->left;
            if (w->color == RED) {
                w->color = BLACK;
                x->parent->color = RED;
                rbtree_right_rotate(T, x->parent);
                w = x->parent->left;
            }
 
            if ((w->left->color == BLACK) && (w->right->color == BLACK)) {
                w->color = RED;
                x = x->parent;
            } else {
 
                if (w->left->color == BLACK) {
                    w->right->color = BLACK;
                    w->color = RED;
                    rbtree_left_rotate(T, w);
                    w = x->parent->left;
                }
 
                w->color = x->parent->color;
                x->parent->color = BLACK;
                w->left->color = BLACK;
                rbtree_right_rotate(T, x->parent);
 
                x = T->root;
            }
 
        }
    }
 
    x->color = BLACK;
}
 
rbtree_node *rbtree_delete(rbtree *T, rbtree_node *z) {
 
    rbtree_node *y = T->nil;
    rbtree_node *x = T->nil;
 
    if ((z->left == T->nil) || (z->right == T->nil)) {
        y = z;
    } else {
        y = rbtree_successor(T, z);
    }
 
    if (y->left != T->nil) {
        x = y->left;
    } else if (y->right != T->nil) {
        x = y->right;
    }
 
    x->parent = y->parent;
    if (y->parent == T->nil) {
        T->root = x;
    } else if (y == y->parent->left) {
        y->parent->left = x;
    } else {
        y->parent->right = x;
    }
 
    if (y != z) {
        z->key = y->key;
        z->value = y->value;
    }
 
    if (y->color == BLACK) {
        rbtree_delete_fixup(T, x);
    }
 
    return y;
}
 
rbtree_node *rbtree_search(rbtree *T, KEY_TYPE key) {
 
    rbtree_node *node = T->root;
    while (node != T->nil) {
        if (key < node->key) {
            node = node->left;
        } else if (key > node->key) {
            node = node->right;
        } else {
            return node;
        }   
    }
    return T->nil;
}
 
 
void rbtree_traversal(rbtree *T, rbtree_node *node) {
    if (node != T->nil) {
        rbtree_traversal(T, node->left);
        printf("key:%d, color:%d\n", node->key, node->color);
        rbtree_traversal(T, node->right);
    }
}
 
int main() {
 
    int keyArray[20] = {24,25,13,35,23, 26,67,47,38,98, 20,19,17,49,12, 21,9,18,14,15};
 
    rbtree *T = (rbtree *)malloc(sizeof(rbtree));
    if (T == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        return -1;
    }
    
    T->nil = (rbtree_node*)malloc(sizeof(rbtree_node));
    T->nil->color = BLACK;
    T->root = T->nil;
 
    rbtree_node *node = T->nil;
    int i = 0;
    for (i = 0;i < 20;i ++) {
        node = (rbtree_node*)malloc(sizeof(rbtree_node));
        node->key = keyArray[i];
        node->value = NULL;
 
        rbtree_insert(T, node);
        
    }
 
    rbtree_traversal(T, T->root);
    printf("----------------------------------------\n");
 
    for (i = 0;i < 20;i ++) {
 
        rbtree_node *node = rbtree_search(T, keyArray[i]);
        rbtree_node *cur = rbtree_delete(T, node);
        free(cur);
 
        rbtree_traversal(T, T->root);
        printf("----------------------------------------\n");
    }
  
}

總結

到此這篇關于C++實現紅黑樹的文章就介紹到這了,更多相關C++實現紅黑樹內容請搜索服務器之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持服務器之家!

原文鏈接:https://www.cnblogs.com/ZGreMount/p/15488553.html

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