二叉树原理及编程详解(二)红黑树|二叉搜索树

雨点打透心脏的1/2处 2021-11-11 06:46 541阅读 0赞

**目录**

一、红黑树

1.1 定义

1.2 性质

1.3 基本操作

左旋

右旋

变色

1.4 操作

查找

插入

直接插入

插入后需要变形与递归

1.5 一个插入实例

二、二叉搜索树

2.1 定义与性质

2.2 判断二叉搜索树

三、两道编程题及思路

3.1 是排序二叉树

3.2 带有指向父节点的指针

3.3 没有父指针

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# 一、红黑树 #

## 1.1 定义 ##

[https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%A2%E9%BB%91%E6%A0%91/2413209?fr=aladdin][https_baike.baidu.com_item_E7_BA_A2_E9_BB_91_E6_A0_91_2413209_fr_aladdin]

红黑树（Red Black Tree） 是一种自平衡二叉查找树，典型的用途是实现[关联数组][Link 1]。它虽然是复杂的，但它的最坏情况运行时间也是非常良好的，并且在实践中是高效的： 它可以在O(log n)时间内做查找，插入和删除，这里的n 是树中元素的数目。

## 1.2 性质 ##

[https://www.jianshu.com/p/e136ec79235c][https_www.jianshu.com_p_e136ec79235c]

一层红，一层黑。也叫二叉查找树

*  性质1：每个节点要么是黑色，要么是红色。
 *  性质2：根节点是黑色。
 *  性质3：每个叶子节点（NIL）是黑色。（根与叶子必是黑色）
 *  性质4：每个红色结点的**两个子结点一定都是黑色。**
 *  **性质5：任意一结点到每个叶子结点的路径都包含数量相同的黑结点。**

![20190923103422810.png][]

红黑树并不是一个*完美*平衡二叉查找树，例如上面，左子树比右子树高2，但是根据性质5，**性质5：任意一结点到每个叶子结点的路径都包含数量相同的黑结点。**所以我们叫红黑树这种平衡为**黑色完美平衡**。

## 1.3 基本操作 ##

排序二叉树左旋或者右旋操作之后，依然是排序二叉树？是的。

### 左旋 ###

*  以某节点作为支点F
 *  F的右节点R变为支点的父节点
 *  右子结点R的左子结点L变为旋转结点的右子结点
 *  左子结点保持不变

### 右旋 ###

*  以某个结点作为支点(旋转结点)，
 *  其左子结点变为旋转结点的父结点，
 *  左子结点的右子结点变为旋转结点的左子结点，
 *  右子结点保持不变。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**左旋**只影响旋转结点和其**右子树**的结构，把右子树的结点往左子树挪了。  
**右旋**只影响旋转结点和其**左子树**的结构，把左子树的结点往右子树挪了。

### 变色 ###

结点的颜色由红变黑或由黑变红。

## 1.4 操作 ##

### 查找 ###

因为红黑树是一颗二叉平衡树，并且查找不会破坏树的平衡，所以查找跟二叉平衡树的查找无异：

1.  从根结点开始查找，把根结点设置为当前结点；
2.  若当前结点为空，返回null；
3.  若当前结点不为空，用当前结点的key跟查找key作比较；
4.  若当前结点key等于查找key，那么该key就是查找目标，返回当前结点；
5.  若当前结点key大于查找key，把当前结点的左子结点设置为当前结点，重复步骤2；
6.  若当前结点key小于查找key，把当前结点的右子结点设置为当前结点，重复步骤2；

### 插入 ###

### 直接插入 ###

两步。1.查找插入位置。2.插入后的自平衡。

直接插入的情况：

*  空树：直接插入（不需自平衡）。
 *  插入节点值已经存在：且插入节点父节点为黑色：直接插入（不需自平衡）。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### 插入后需要变形与递归 ###

存在下面两种基本情况，此后的情况可根据下面两种进行变形。

**1. 插入节点父节点的父节点为红色，叔节点存在且为红色：**

红黑树自底向上进行生长，所以插入节点为红，自底向上到祖父节点依次进行变色。（最复杂的情况，增加了路径中黑色节点的数目）

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

此时，相当于插入了祖父节点PP，往下递归。

**2. 插入节点叔节点不存在：插入，自底向上父节点、祖父节点进行旋转操作（即可完成平衡，相对简单）。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

详见：

[https://www.jianshu.com/p/e136ec79235c][https_www.jianshu.com_p_e136ec79235c]

## 1.5 一个插入实例 ##

步骤1：需要插入21，相当于红色子节点的左子树。（叔节点存在且为红色）

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

步骤2：变色，插入之后，不能满足红色节点不能相邻，所以插入节点的父节点与祖父节点变色。

步骤3：变色后相当于在祖父位置插入节点25，节点25的叔节点存在且红节点，需要向上变色。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

步骤4：变色后，根节点为红色，需要左旋转操作把根节点换位黑色。

步骤5， 因为不满足一层红色一层黑色，向下递归一个节点右旋。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjQ3NDgwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

# 二、二叉搜索树 #

## 2.1 定义与性质 ##

[https://blog.csdn.net/hh66\_\_66hh/article/details/82947113][https_blog.csdn.net_hh66_66hh_article_details_82947113]

二叉查找树（Binary Search Tree），也叫二叉排序树。

*  左子树节点均小于根节点，
 *  右子树节点均大于根节点，
 *  左右子树也构成儿叉搜索树。

**最小值与最大值**

查找最小值：因为二叉搜索树中，左节点比父节点小，故最小值肯定在树的左下角。从根节点开始，判断它的左节点存不存在。如果存在，继续找这个左节点的左节点，如此类推，**直到找到某个节点的左节点不存在时，此节点就是最小值。**

查找最大值：因为二叉搜索树中，右节点比父节点大，故最大值肯定在树的右下角。从根节点开始，判断它的右节点存不存在。如果存在，继续找这个右节点的右节点，如此类推，**直到找到某个节点的右节点不存在时，此节点就是最大值。**

## 2.2 判断二叉搜索树 ##

输入一个整数数组，判断该数组是不是某二叉搜索树的后序遍历的结果。如果是则输出Yes,否则输出No。假设输入的数组的任意两个数字都互不相同。

class Solution {
    public:
    	bool VerifySquenceOfBST(vector<int> sequence) {
    		int vector_size = sequence.size();
    		if (vector_size < 1)return false;
    		int root = sequence[vector_size - 1];
    		int location = 0;
    		vector<int> left_sequence, right_sequence;
    		while (sequence[location] < root){
    			left_sequence.push_back(sequence[location]);
    			location++;
    		}
    		while ((sequence[location] > root)){
    			right_sequence.push_back(sequence[location]);
    			location++;
    		}
    		if (location < vector_size - 1)
    			return false;
    		else{
    			bool left = true;
    			if (left_sequence.size()>1)left = VerifySquenceOfBST(left_sequence);
    			bool right = true;
    			if (right_sequence.size()>1)right = VerifySquenceOfBST(right_sequence);
    			return left&&right;
    		}
    	}
    };

# 三、两道编程题及思路 #

剑指offer后面P345

题干：已经知道两个节点，如何求他们的公共祖先？

## 3.1 是排序二叉树 ##

从根向下遍历，如果值介于两个节点值之间，则这个结点必然是两个值的公共祖先。

## 3.2 带有指向父节点的指针 ##

则相当于判断两个链表的第一个公共节点的问题。

## 3.3 没有父指针 ##

如果没有父指针：

找到根节点到通过的节点回归一个链表，然后找到两个链表的公共节点。

这个问题就转换成了两个问题：

1.  如何从根节点找到到一个节点的路径？
2.  如何找链表的最后公共节点？

[https_baike.baidu.com_item_E7_BA_A2_E9_BB_91_E6_A0_91_2413209_fr_aladdin]: https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%A2%E9%BB%91%E6%A0%91/2413209?fr=aladdin
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E5%85%B3%E8%81%94%E6%95%B0%E7%BB%84/3317025
[https_www.jianshu.com_p_e136ec79235c]: https://www.jianshu.com/p/e136ec79235c
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[https_blog.csdn.net_hh66_66hh_article_details_82947113]: https://blog.csdn.net/hh66__66hh/article/details/82947113