赤黒木の原理と特性、および Python でのコード実装
赤黒ツリーは、B ツリーと同様に、バランスのとれた二分探索ツリーです。赤黒の木の各節は赤または黒に色付けされていますが、木の根元は黒く、根元の葉も黒です。また、赤黒ツリー内の任意のノードから葉への直接パスには、同じ数の黒いノードが含まれることに注意してください。
#赤黒の木はどのようにして自己平衡特性を維持しているのでしょうか? 赤と黒のツリー ノードの色に関する制限により、ルートからリーフまでの最長パスが最短パスの 2 倍を超えないようになります。 赤黒ツリーでは、新しく挿入されたノードが常に赤くなるのはなぜですか? これは、赤色のノードを挿入しても、赤黒ツリーの黒色ノードの数量プロパティに違反しないためです。また、新しい赤いノードが元の赤いノードに挿入された場合でも、この問題の解決は黒いノードの違反によって引き起こされる問題よりも簡単です。 赤黒ツリーの Python コード実装 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()ログイン後にコピー
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)
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