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二叉查找樹(BST)具備什麼特性呢?
1.左子樹上所有結點的值均小于或等于它的根結點的值。
2.右子樹上所有結點的值均大于或等于它的根結點的值。
3.左、右子樹也分别為二叉排序樹。
下圖中這棵樹,就是一顆典型的二叉查找樹:
1.檢視根節點9:
2.由于10 > 9,是以檢視右孩子13:
3.由于10 < 13,是以檢視左孩子11:
4.由于10 < 11,是以檢視左孩子10,發現10正是要查找的節點:
假設初始的二叉查找樹隻有三個節點,根節點值為9,左孩子值為8,右孩子值為12:
接下來我們依次插入如下五個節點:7,6,5,4,3。依照二叉查找樹的特性,結果會變成什麼樣呢?
1.節點是紅色或黑色。
2.根節點是黑色。
3.每個葉子節點都是黑色的空節點(NIL節點)。
4 每個紅色節點的兩個子節點都是黑色。(從每個葉子到根的所有路徑上不能有兩個連續的紅色節點)
5.從任一節點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色節點。
下圖中這棵樹,就是一顆典型的紅黑樹:
什麼情況下會破壞紅黑樹的規則,什麼情況下不會破壞規則呢?我們舉兩個簡單的栗子:
1.向原紅黑樹插入值為14的新節點:
2.向原紅黑樹插入值為21的新節點:
由于父節點22是紅色節點,是以這種情況打破了紅黑樹的規則4(每個紅色節點的兩個子節點都是黑色),必須進行調整,使之重新符合紅黑樹的規則。
變色:
為了重新符合紅黑樹的規則,嘗試把紅色節點變為黑色,或者把黑色節點變為紅色。
下圖所表示的是紅黑樹的一部分,需要注意節點25并非根節點。因為節點21和節點22連續出現了紅色,不符合規則4,是以把節點22從紅色變成黑色:
但這樣并不算完,因為憑空多出的黑色節點打破了規則5,是以發生連鎖反應,需要繼續把節點25從黑色變成紅色:
此時仍然沒有結束,因為節點25和節點27又形成了兩個連續的紅色節點,需要繼續把節點27從紅色變成黑色:
左旋轉:
逆時針旋轉紅黑樹的兩個節點,使得父節點被自己的右孩子取代,而自己成為自己的左孩子。說起來很怪異,大家看下圖:
圖中,身為右孩子的Y取代了X的位置,而X變成了自己的左孩子。此為左旋轉。
右旋轉:
順時針旋轉紅黑樹的兩個節點,使得父節點被自己的左孩子取代,而自己成為自己的右孩子。大家看下圖:
圖中,身為左孩子的Y取代了X的位置,而X變成了自己的右孩子。此為右旋轉。
我們以剛才插入節點21的情況為例:
首先,我們需要做的是變色,把節點25及其下方的節點變色:
此時節點17和節點25是連續的兩個紅色節點,那麼把節點17變成黑色節點?恐怕不合适。這樣一來不但打破了規則4,而且根據規則2(根節點是黑色),也不可能把節點13變成紅色節點。
變色已無法解決問題,我們把節點13看做X,把節點17看做Y,像剛才的示意圖那樣進行左旋轉:
由于根節點必須是黑色節點,是以需要變色,變色結果如下:
這樣就結束了嗎?并沒有。因為其中兩條路徑(17 -> 8 -> 6 -> NIL)的黑色節點個數是4,其他路徑的黑色節點個數是3,不符合規則5。
這時候我們需要把節點13看做X,節點8看做Y,像剛才的示意圖那樣進行右旋轉:
最後根據規則來進行變色:
如此一來,我們的紅黑樹變得重新符合規則。這一個例子的調整過程比較複雜,經曆了如下步驟:
變色 -> 左旋轉 -> 變色 -> 右旋轉 -> 變色
幾點說明: