Les principes et caractéristiques des arbres rouge-noir et leur implémentation de code en Python

L'arbre rouge-noir, comme l'arbre B+, est un arbre de recherche binaire équilibré. Chaque nœud d'un arbre rouge-noir est coloré, rouge ou noir, mais les racines de l'arbre sont noires et les feuilles du bas sont également noires. Notez également que le chemin direct de n'importe quel nœud vers une feuille dans un arbre rouge-noir contient le même nombre de nœuds noirs.

Comment les arbres rouge-noir conservent-ils leurs caractéristiques d'auto-équilibrage ?

La restriction des couleurs rouge-noir des nœuds d'arbre garantit que le chemin le plus long de la racine à la feuille n'est pas plus de deux fois le chemin le plus court.

Pourquoi les nœuds nouvellement insérés sont-ils toujours rouges dans les arbres rouge-noir ?

En effet, l'insertion de nœuds rouges ne viole pas la propriété de quantité de nœuds noirs des arbres rouge-noir. Et même si un nouveau nœud rouge est inséré dans le nœud rouge d'origine, résoudre ce problème sera plus facile que le problème causé par la violation du nœud noir.

Implémentation du code Python de l'arbre rouge-noir

import sys
# 创建节点
class Node():
    def __init__(self, item):
        self.item = item
        self.parent = None
        self.left = None
        self.right = None
        self.color = 1

class RedBlackTree():
    def __init__(self):
        self.TNULL = Node(0)
        self.TNULL.color = 0
        self.TNULL.left = None
        self.TNULL.right = None
        self.root = self.TNULL

    # 前序
    def pre_order_helper(self, node):
        if node != TNULL:
            sys.stdout.write(node.item + " ")
            self.pre_order_helper(node.left)
            self.pre_order_helper(node.right)

    # 中序
    def in_order_helper(self, node):
        if node != TNULL:
            self.in_order_helper(node.left)
            sys.stdout.write(node.item + " ")
            self.in_order_helper(node.right)

# 后根
    def post_order_helper(self, node):
        if node != TNULL:
            self.post_order_helper(node.left)
            self.post_order_helper(node.right)
            sys.stdout.write(node.item + " ")

    # 搜索树
    def search_tree_helper(self, node, key):
        if node == TNULL or key == node.item:
            return node

        if key < node.item:
            return self.search_tree_helper(node.left, key)
        return self.search_tree_helper(node.right, key)

    # 删除后平衡树
    def delete_fix(self, x):
        while x != self.root and x.color == 0:
            if x == x.parent.left:
                s = x.parent.right
                if s.color == 1:
                    s.color = 0
                    x.parent.color = 1
                    self.left_rotate(x.parent)
                    s = x.parent.right

                if s.left.color == 0 and s.right.color == 0:
                    s.color = 1
                    x = x.parent
                else:
                    if s.right.color == 0:
                        s.left.color = 0
                        s.color = 1
                        self.right_rotate(s)
                        s = x.parent.right

                    s.color = x.parent.color
                    x.parent.color = 0
                    s.right.color = 0
                    self.left_rotate(x.parent)
                    x = self.root
            else:
                s = x.parent.left
                if s.color == 1:
                    s.color = 0
                    x.parent.color = 1
                    self.right_rotate(x.parent)
                    s = x.parent.left

                if s.right.color == 0 and s.right.color == 0:
                    s.color = 1
                    x = x.parent
                else:
                    if s.left.color == 0:
                        s.right.color = 0
                        s.color = 1
                        self.left_rotate(s)
                        s = x.parent.left

                    s.color = x.parent.color
                    x.parent.color = 0
                    s.left.color = 0
                    self.right_rotate(x.parent)
                    x = self.root
        x.color = 0

    def __rb_transplant(self, u, v):
        if u.parent == None:
            self.root = v
        elif u == u.parent.left:
            u.parent.left = v
        else:
            u.parent.right = v
        v.parent = u.parent

    # 节点删除
    def delete_node_helper(self, node, key):
        z = self.TNULL
        while node != self.TNULL:
            if node.item == key:
                z = node

            if node.item <= key:
                node = node.right
            else:
                node = node.left

        if z == self.TNULL:
            print("Cannot find key in the tree")
            return

        y = z
        y_original_color = y.color
        if z.left == self.TNULL:
            x = z.right
            self.__rb_transplant(z, z.right)
        elif (z.right == self.TNULL):
            x = z.left
            self.__rb_transplant(z, z.left)
        else:
            y = self.minimum(z.right)
            y_original_color = y.color
            x = y.right
            if y.parent == z:
                x.parent = y
            else:
                self.__rb_transplant(y, y.right)
                y.right = z.right
                y.right.parent = y

            self.__rb_transplant(z, y)
            y.left = z.left
            y.left.parent = y
            y.color = z.color
        if y_original_color == 0:
            self.delete_fix(x)

    # 插入后平衡树
    def fix_insert(self, k):
        while k.parent.color == 1:
            if k.parent == k.parent.parent.right:
                u = k.parent.parent.left
                if u.color == 1:
                    u.color = 0
                    k.parent.color = 0
                    k.parent.parent.color = 1
                    k = k.parent.parent
                else:
                    if k == k.parent.left:
                        k = k.parent
                        self.right_rotate(k)
                    k.parent.color = 0
                    k.parent.parent.color = 1
                    self.left_rotate(k.parent.parent)
            else:
                u = k.parent.parent.right

                if u.color == 1:
                    u.color = 0
                    k.parent.color = 0
                    k.parent.parent.color = 1
                    k = k.parent.parent
                else:
                    if k == k.parent.right:
                        k = k.parent
                        self.left_rotate(k)
                    k.parent.color = 0
                    k.parent.parent.color = 1
                    self.right_rotate(k.parent.parent)
            if k == self.root:
                break
        self.root.color = 0

    # Printing the tree
    def __print_helper(self, node, indent, last):
        if node != self.TNULL:
            sys.stdout.write(indent)
            if last:
                sys.stdout.write("R----")
                indent += "     "
            else:
                sys.stdout.write("L----")
                indent += "|    "

            s_color = "RED" if node.color == 1 else "BLACK"
            print(str(node.item) + "(" + s_color + ")")
            self.__print_helper(node.left, indent, False)
            self.__print_helper(node.right, indent, True)

    def preorder(self):
        self.pre_order_helper(self.root)

    def inorder(self):
        self.in_order_helper(self.root)

    def postorder(self):
        self.post_order_helper(self.root)

    def searchTree(self, k):
        return self.search_tree_helper(self.root, k)

    def minimum(self, node):
        while node.left != self.TNULL:
            node = node.left
        return node

    def maximum(self, node):
        while node.right != self.TNULL:
            node = node.right
        return node

    def successor(self, x):
        if x.right != self.TNULL:
            return self.minimum(x.right)

        y = x.parent
        while y != self.TNULL and x == y.right:
            x = y
            y = y.parent
        return y

    def predecessor(self,  x):
        if (x.left != self.TNULL):
            return self.maximum(x.left)

        y = x.parent
        while y != self.TNULL and x == y.left:
            x = y
            y = y.parent

        return y

    def left_rotate(self, x):
        y = x.right
        x.right = y.left
        if y.left != self.TNULL:
            y.left.parent = x

        y.parent = x.parent
        if x.parent == None:
            self.root = y
        elif x == x.parent.left:
            x.parent.left = y
        else:
            x.parent.right = y
        y.left = x
        x.parent = y

    def right_rotate(self, x):
        y = x.left
        x.left = y.right
        if y.right != self.TNULL:
            y.right.parent = x

        y.parent = x.parent
        if x.parent == None:
            self.root = y
        elif x == x.parent.right:
            x.parent.right = y
        else:
            x.parent.left = y
        y.right = x
        x.parent = y

    def insert(self, key):
        node = Node(key)
        node.parent = None
        node.item = key
        node.left = self.TNULL
        node.right = self.TNULL
        node.color = 1

        y = None
        x = self.root

        while x != self.TNULL:
            y = x
            if node.item < x.item:
                x = x.left
            else:
                x = x.right

        node.parent = y
        if y == None:
            self.root = node
        elif node.item < y.item:
            y.left = node
        else:
            y.right = node

        if node.parent == None:
            node.color = 0
            return

        if node.parent.parent == None:
            return

        self.fix_insert(node)

    def get_root(self):
        return self.root

    def delete_node(self, item):
        self.delete_node_helper(self.root, item)

    def print_tree(self):
        self.__print_helper(self.root, "", True)


if __name__ == "__main__":
    bst = RedBlackTree()

    bst.insert(55)
    bst.insert(40)
    bst.insert(65)
    bst.insert(60)
    bst.insert(75)
    bst.insert(57)

    bst.print_tree()

    print("\nAfter deleting an element")
    bst.delete_node(40)
    bst.print_tree()

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