红黑树的c++完整实现源码

红黑树的c++完整实现源码

作者：July、saturnman。
时间：二零一一年三月二十九日。
出处：http://blog.csdn.net/v_JULY_v。
声明：版权所有，侵权必究。
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前言：
    本人的原创作品红黑树系列文章，至此，已经写到第5篇了。虽然第三篇文章：红黑树的c源码实现与剖析，用c语言完整实现过红黑树，但个人感觉，代码还是不够清晰。特此，再奉献出一份c++的完整实现源码，以飨读者。

    此份c++实现源码，代码紧凑了许多，也清晰了不少，同时采取c++类实现的方式，代码也更容易维护以及重用。ok，有任何问题，欢迎指正。

第一部分、红黑树的c++完整实现源码

    本文包含红黑树c++实现的完整源码，所有的解释都含在注释中，所有的有关红黑树的原理及各种插入、删除操作的情况，都已在本人的红黑树系列的前4篇文章中，一一阐述。且在此红黑树系列第五篇文章中：红黑树从头至尾插入和删除结点的全程演示图，把所有的插入、删除情况都一一展示尽了。
    因此，有关红黑树的全部原理，请参考其它文章，重点可参考此文：红黑树算法的实现与剖析。因此，相关原理，本文不再赘述。

    ok，以下，即是红黑树c++实现的全部源码，先是RBTree.h，然后是RBTree.cpp。

RBTree.h//file RBTree.h //written by saturnman，20101008。 //updated by July，20110329。 /*----------------------------------------------- 版权声明： July和saturnman对此份红黑树的c++实现代码享有全部的版权， 谢绝转载，侵权必究。 ------------------------------------------------*/ #ifndef _RB_TREE_H_ #define _RB_TREE_H_ #include<iostream> #include<string> #include<sstream> #include<fstream> using namespace std; template<class KEY,class U> class RB_Tree { private: RB_Tree(const RB_Tree& input){} const RB_Tree& operator=(const RB_Tree& input){} private: enum COLOR{RED,BLACK}; class RB_Node { public: RB_Node() { //RB_COLOR = BLACK; right = NULL; left = NULL; parent = NULL; } COLOR RB_COLOR; RB_Node* right; RB_Node* left; RB_Node* parent; KEY key; U data; }; public: RB_Tree() { this->m_nullNode = new RB_Node(); this->m_root = m_nullNode; this->m_nullNode->right = this->m_root; this->m_nullNode->left = this->m_root; this->m_nullNode->parent = this->m_root; this->m_nullNode->RB_COLOR = BLACK; } bool Empty() { if(this->m_root == this->m_nullNode) { return true; } else { return false; } } //查找key RB_Node* find(KEY key) { RB_Node* index = m_root; while(index != m_nullNode) { if(key<index->key) { index = index->left; //比当前的小，往左 } else if(key>index->key) { index = index->right; //比当前的大，往右 } else { break; } } return index; } //--------------------------插入结点总操作---------------------------------- //全部的工作，都在下述伪代码中： /*RB-INSERT(T, z) 1 y ← nil[T] // y 始终指向 x 的父结点。 2 x ← root[T] // x 指向当前树的根结点， 3 while x ≠ nil[T] 4 do y ← x 5 if key[z] < key[x] //向左，向右.. 6 then x ← left[x] 7 else x ← right[x] //为了找到合适的插入点，x探路跟踪路径，直到x成为NIL 为止。 8 p[z] ← y //y置为 插入结点z 的父结点。 9 if y = nil[T] 10 then root[T] ← z 11 else if key[z] < key[y] 12 then left[y] ← z 13 else right[y] ← z //此 8-13行，置z 相关的指针。 14 left[z] ← nil[T] 15 right[z] ← nil[T] //设为空， 16 color[z] ← RED //将新插入的结点z作为红色 17 RB-INSERT-FIXUP(T, z) */ //因为将z着为红色，可能会违反某一红黑性质， //所以需要调用下面的RB-INSERT-FIXUP(T, z)来保持红黑性质。 bool Insert(KEY key,U data) { RB_Node* insert_point = m_nullNode; RB_Node* index = m_root; while(index!=m_nullNode) { insert_point = index; if(key<index->key) { index = index->left; } else if(key>index->key) { index = index->right; } else { return false; } } RB_Node* insert_node = new RB_Node(); insert_node->key = key; insert_node->data = data; insert_node->RB_COLOR = RED; insert_node->right = m_nullNode; insert_node->left = m_nullNode; if(insert_point==m_nullNode) //如果插入的是一颗空树 { m_root = insert_node; m_root->parent = m_nullNode; m_nullNode->left = m_root; m_nullNode->right = m_root; m_nullNode->parent = m_root; } else { if(key<insert_point->key) { insert_point->left = insert_node; } else { insert_point->right = insert_node; } insert_node->parent = insert_point; } InsertFixUp(insert_node); //调用InsertFixUp修复红黑树性质。 } //---------------------插入结点性质修复-------------------------------- //3种插入情况，都在下面的伪代码中(未涉及到所有全部的插入情况)。 /* RB-INSERT-FIXUP(T, z) 1 while color[p[z]] = RED 2 do if p[z] = left[p[p[z]]] 3 then y ← right[p[p[z]]] 4 if color[y] = RED 5 then color[p[z]] ← BLACK ? Case 1 6 color[y] ← BLACK ? Case 1 7 color[p[p[z]]] ← RED ? Case 1 8 z ← p[p[z]] ? Case 1 9 else if z = right[p[z]] 10 then z ← p[z] ? Case 2 11 LEFT-ROTATE(T, z) ? Case 2 12 color[p[z]] ← BLACK ? Case 3 13 color[p[p[z]]] ← RED ? Case 3 14 RIGHT-ROTATE(T, p[p[z]]) ? Case 3 15 else (same as then clause with "right" and "left" exchanged) 16 color[root[T]] ← BLACK */ //然后的工作，就非常简单了，即把上述伪代码改写为下述的c++代码： void InsertFixUp(RB_Node* node) { while(node->parent->RB_COLOR==RED) { if(node->parent==node->parent->parent->left) // { RB_Node* uncle = node->parent->parent->right; if(uncle->RB_COLOR == RED) //插入情况1，z的叔叔y是红色的。 { node->parent->RB_COLOR = BLACK; uncle->RB_COLOR = BLACK; node->parent->parent->RB_COLOR = RED; node = node->parent->parent; } else if(uncle->RB_COLOR == BLACK ) //插入情况2：z的叔叔y是黑色的，。 { if(node == node->parent->right) //且z是右孩子 { node = node->parent; RotateLeft(node); } else //插入情况3：z的叔叔y是黑色的，但z是左孩子。 { node->parent->RB_COLOR = BLACK; node->parent->parent->RB_COLOR = RED; RotateRight(node->parent->parent); } } } else //这部分是针对为插入情况1中，z的父亲现在作为祖父的右孩子了的情况，而写的。 //15 else (same as then clause with "right" and "left" exchanged) { RB_Node* uncle = node->parent->parent->left; if(uncle->RB_COLOR == RED) { node->parent->RB_COLOR = BLACK; uncle->RB_COLOR = BLACK; uncle->parent->RB_COLOR = RED; node = node->parent->parent; } else if(uncle->RB_COLOR == BLACK) { if(node == node->parent->left) { node = node->parent; RotateRight(node); //与上述代码相比，左旋改为右旋 } else { node->parent->RB_COLOR = BLACK; node->parent->parent->RB_COLOR = RED; RotateLeft(node->parent->parent); //右旋改为左旋，即可。 } } } } m_root->RB_COLOR = BLACK; } //左旋代码实现 bool RotateLeft(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode || node->right==m_nullNode) { return false;//can't rotate } RB_Node* lower_right = node->right; lower_right->parent = node->parent; node->right=lower_right->left; if(lower_right->left!=m_nullNode) { lower_right->left->parent = node; } if(node->parent==m_nullNode) //rotate node is root { m_root = lower_right; m_nullNode->left = m_root; m_nullNode->right= m_root; //m_nullNode->parent = m_root; } else { if(node == node->parent->left) { node->parent->left = lower_right; } else { node->parent->right = lower_right; } } node->parent = lower_right; lower_right->left = node; } //右旋代码实现 bool RotateRight(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode || node->left==m_nullNode) { return false;//can't rotate } RB_Node* lower_left = node->left; node->left = lower_left->right; lower_left->parent = node->parent; if(lower_left->right!=m_nullNode) { lower_left->right->parent = node; } if(node->parent == m_nullNode) //node is root { m_root = lower_left; m_nullNode->left = m_root; m_nullNode->right = m_root; //m_nullNode->parent = m_root; } else { if(node==node->parent->right) { node->parent->right = lower_left; } else { node->parent->left = lower_left; } } node->parent = lower_left; lower_left->right = node; } //--------------------------删除结点总操作---------------------------------- //伪代码，不再贴出，详情，请参考此红黑树系列第二篇文章： //经典算法研究系列：五、红黑树算法的实现与剖析： //http://blog.csdn.net/v_JULY_v/archive/2010/12/31/6109153.aspx。 bool Delete(KEY key) { RB_Node* delete_point = find(key); if(delete_point == m_nullNode) { return false; } if(delete_point->left!=m_nullNode && delete_point->right!=m_nullNode) { RB_Node* successor = InOrderSuccessor(delete_point); delete_point->data = successor->data; delete_point->key = successor->key; delete_point = successor; } RB_Node* delete_point_child; if(delete_point->right!=m_nullNode) { delete_point_child = delete_point->right; } else if(delete_point->left!=m_nullNode) { delete_point_child = delete_point->left; } else { delete_point_child = m_nullNode; } delete_point_child->parent = delete_point->parent; if(delete_point->parent==m_nullNode)//delete root node { m_root = delete_point_child; m_nullNode->parent = m_root; m_nullNode->left = m_root; m_nullNode->right = m_root; } else if(delete_point == delete_point->parent->right) { delete_point->parent->right = delete_point_child; } else { delete_point->parent->left = delete_point_child; } if(delete_point->RB_COLOR==BLACK && !(delete_point_child==m_nullNode && delete_point_child->parent==m_nullNode)) { DeleteFixUp(delete_point_child); } delete delete_point; return true; } //---------------------删除结点性质修复----------------------------------- //所有的工作，都在下述23行伪代码中： /* RB-DELETE-FIXUP(T, x) 1 while x ≠ root[T] and color[x] = BLACK 2 do if x = left[p[x]] 3 then w ← right[p[x]] 4 if color[w] = RED 5 then color[w] ← BLACK ? Case 1 6 color[p[x]] ← RED ? Case 1 7 LEFT-ROTATE(T, p[x]) ? Case 1 8 w ← right[p[x]] ? Case 1 9 if color[left[w]] = BLACK and color[right[w]] = BLACK 10 then color[w] ← RED ? Case 2 11 x p[x] ? Case 2 12 else if color[right[w]] = BLACK 13 then color[left[w]] ← BLACK ? Case 3 14 color[w] ← RED ? Case 3 15 RIGHT-ROTATE(T, w) ? Case 3 16 w ← right[p[x]] ? Case 3 17 color[w] ← color[p[x]] ? Case 4 18 color[p[x]] ← BLACK ? Case 4 19 color[right[w]] ← BLACK ? Case 4 20 LEFT-ROTATE(T, p[x]) ? Case 4 21 x ← root[T] ? Case 4 22 else (same as then clause with "right" and "left" exchanged) 23 color[x] ← BLACK */ //接下来的工作，很简单，即把上述伪代码改写成c++代码即可。 void DeleteFixUp(RB_Node* node) { while(node!=m_root && node->RB_COLOR==BLACK) { if(node == node->parent->left) { RB_Node* brother = node->parent->right; if(brother->RB_COLOR==RED) //情况1：x的兄弟w是红色的。 { brother->RB_COLOR = BLACK; node->parent->RB_COLOR = RED; RotateLeft(node->parent); } else //情况2：x的兄弟w是黑色的， { if(brother->left->RB_COLOR == BLACK && brother->right->RB_COLOR == BLACK) //且w的俩个孩子都是黑色的。 { brother->RB_COLOR = RED; node = node->parent; } else if(brother->right->RB_COLOR == BLACK) //情况3：x的兄弟w是黑色的，w的右孩子是黑色（w的左孩子是红色）。 { brother->RB_COLOR = RED; brother->left->RB_COLOR = BLACK; RotateRight(brother); } else if(brother->right->RB_COLOR == RED) //情况4：x的兄弟w是黑色的，且w的右孩子时红色的。 { brother->RB_COLOR = node->parent->RB_COLOR; node->parent->RB_COLOR = BLACK; brother->right->RB_COLOR = BLACK; RotateLeft(node->parent); node = m_root; } } } else //下述情况针对上面的情况1中，node作为右孩子而阐述的。 //22 else (same as then clause with "right" and "left" exchanged) //同样，原理一致，只是遇到左旋改为右旋，遇到右旋改为左旋，即可。其它代码不变。 { RB_Node* brother = node->parent->left; if(brother->RB_COLOR == RED) { brother->RB_COLOR = BLACK; node->parent->RB_COLOR = RED; RotateRight(node->parent); } else { if(brother->left->RB_COLOR==BLACK && brother->right->RB_COLOR == BLACK) { brother->RB_COLOR = RED; node = node->parent; } else if(brother->left->RB_COLOR==BLACK) { brother->RB_COLOR = RED; brother->right->RB_COLOR = BLACK; RotateLeft(brother); } else if(brother->left->RB_COLOR==RED) { brother->RB_COLOR = node->parent->RB_COLOR; node->parent->RB_COLOR = BLACK; brother->left->RB_COLOR = BLACK; RotateRight(node->parent); node = m_root; } } } } m_nullNode->parent = m_root; //最后将node置为根结点， node->RB_COLOR = BLACK; //并改为黑色。 } // inline RB_Node* InOrderPredecessor(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode) //null node has no predecessor { return m_nullNode; } RB_Node* result = node->left; //get node's left child while(result!=m_nullNode) //try to find node's left subtree's right most node { if(result->right!=m_nullNode) { result = result->right; } else { break; } } //after while loop result==null or result's right child is null if(result==m_nullNode) { RB_Node* index = node->parent; result = node; while(index!=m_nullNode && result == index->left) { result = index; index = index->parent; } result = index; // first right parent or null } return result; } // inline RB_Node* InOrderSuccessor(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode) //null node has no successor { return m_nullNode; } RB_Node* result = node->right; //get node's right node while(result!=m_nullNode) //try to find node's right subtree's left most node { if(result->left!=m_nullNode) { result = result->left; } else { break; } } //after while loop result==null or result's left child is null if(result == m_nullNode) { RB_Node* index = node->parent; result = node; while(index!=m_nullNode && result == index->right) { result = index; index = index->parent; } result = index; //first parent's left or null } return result; } //debug void InOrderTraverse() { InOrderTraverse(m_root); } void CreateGraph(string filename) { //delete } void InOrderCreate(ofstream& file,RB_Node* node) { //delete } void InOrderTraverse(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode) { return; } else { InOrderTraverse(node->left); cout<<node->key<<endl; InOrderTraverse(node->right); } } ~RB_Tree() { clear(m_root); delete m_nullNode; } private: // utility function for destructor to destruct object; void clear(RB_Node* node) { if(node==m_nullNode) { return ; } else { clear(node->left); clear(node->right); delete node; } } private: RB_Node *m_nullNode; RB_Node *m_root; }; #endif /*_RB_TREE_H_*/

 

 RBTree.cpp//file RBTree.cpp //written by saturnman，20101008。 //updated by July，20110329。 //所有的头文件都已补齐，现在您可以直接复制此份源码上机验证了（版权所有，侵权必究）。 //July、updated，2011.05.06。 #include<iostream> #include<algorithm> #include<iterator> #include<vector> #include<sstream> #include"RBTree.h" //如果.h文件，和cpp文件放在一个文件里，此句去掉 using namespace std; int main() { RB_Tree<int,int> tree; vector<int> v; for(int i=0;i<20;++i) { v.push_back(i); } random_shuffle(v.begin(),v.end()); copy(v.begin(),v.end(),ostream_iterator<int>(cout," ")); cout<<endl; stringstream sstr; for(i=0;i<v.size();++i) { tree.Insert(v[i],i); cout<<"insert:"<<v[i]<<endl; //添加结点 } for(i=0;i<v.size();++i) { cout<<"Delete:"<<v[i]<<endl; tree.Delete(v[i]); //删除结点 tree.InOrderTraverse(); } cout<<endl; tree.InOrderTraverse(); return 0; } 

运行效果图（先是一一插入各结点，然后再删除所有的结点）：

第二部分、程序有bug？

2.1、红黑树要求绝对平衡么？   

    据网友鑫反馈，上述c++源码虽说从上面的测试结果来看，没有问题。但程序还是有隐藏的bug，下面，分两个步骤再来测试下此段源码：

    1、首先在RBTree.h的最后里添加下述代码：

public: void PrintTree() { _printNode(m_root); } private: void _printNode(RB_Node *node) { if(node == NULL || node == m_nullNode) return; if(node->parent == NULL || node->parent == m_nullNode){ printf("root:%d/n", node->data); }else if(node->parent->left == node){ printf("left:%d, parent:%d/n", node->data, node->parent->data); }else if(node->parent->right == node){ printf("right:%d, parent:%d/n", node->data, node->parent->data); } _printNode(node->left); _printNode(node->right); }

    2、改写RBTree.cpp文件，如下：

//file RBTree.cpp //written by saturnman，20101008。 //updated by July，20110329。 //所有的头文件都已补齐，现在您可以直接复制此份源码上机验证了（版权所有，侵权必究）。 //July、updated，2011.05.06。 #include<iostream> #include<algorithm> #include<iterator> #include<vector> #include<sstream> //#include"RBTree.h" //如果.h文件，和cpp文件放在一个文件里，此句去掉 using namespace std; int main() { RB_Tree<int,int> tree; tree.Insert(12, 12); tree.Insert(1, 1); tree.Insert(9, 9); tree.Insert(2, 2); tree.Insert(0, 0); tree.Insert(11, 11); tree.Insert(7, 7); tree.Delete(9); tree.PrintTree(); /*vector<int> v; for(int i=0;i<20;++i) { v.push_back(i); } random_shuffle(v.begin(),v.end()); copy(v.begin(),v.end(),ostream_iterator<int>(cout," ")); cout<<endl; stringstream sstr; for(i=0;i<v.size();++i) { tree.Insert(v[i],i); cout<<"insert:"<<v[i]<<endl; //添加结点 } for(i=0;i<v.size();++i) { cout<<"Delete:"<<v[i]<<endl; tree.Delete(v[i]); //删除结点 tree.InOrderTraverse(); } cout<<endl; tree.InOrderTraverse();*/ return 0; }

    后经测试，结果，的确有误，即依次插入以下节点，12，1，9，0，2，11，7后，红黑树变为如下：

然后删除根节点9，经过上述程序运行后，运行结果，如下：

即上述运行结果，所对应的红黑树的状态如下（此时，红黑树已经不再平衡，存在的问题确实已经很明显了）：

    是的，如你所见，上述程序删除根节点9之后，正确的红黑树的状态应该为7代替根节点9，7成为新的根节点，且节点7着为黑色，而上述结果则是完全错误，红黑树已经完全不平衡。至此，终于发现，此c++程序存在隐藏bug了。至于修正，则还得等一段时间。

 

    说明：此程序的bug是经网友鑫指出的，同时，他还发现，网上不少的程序，都存在这个问题，比如这里：http://sd.csdn.net/a/20110506/297285.html的红黑树的flash演示版本，也存在此类的问题。已在原文下发表了以下评论：

很遗憾，经反复测试，红黑树的flash版本有问题（其它的暂还没发现问题）：http://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/flash.html。
如依次往插入这个序列，15,1,9,2,0,12,16,7,11,13,17,14，然后再删除根节点9，严重的错误就出来了。上面的版本只是简单的一个步骤用7代替9，成为根节点，然后把7节点着为黑色。树却没有后续调整，完全不平衡。
特此，把问题指出来，希望，这个红黑树的错误flash版本不致误导更多的人，同时，问题是朋友鑫提出的）。
我会记住这个问题，如果解决了，再发布在博客里。
后续：鑫指出：avl树也有问题。
July、结构之法 算法之道 博主。
2011.05.07。

    但事实是，果真如此么？请看下文2.1节的修正。

2.1、红黑树不要求严格平衡

   修正：本程序没有任何问题。有一点非常之重要，之前就是因为未意识到而造成上述错觉，即：红黑树并非严格意义上的二叉查找树，它只要满足它本身的五点性质即可，不要求严格平衡。所以，上面的例子中，12，1，9，0，2，11，7，然后删除根结点9，只要着色适当，同样不违反红黑树的五点性质。所以，结论是，我庸人自扰了，sorry。

   还是这句话，有任何问题，欢迎任何人提出或指正。

 

第三部分、读者反馈

关于RB_Tree插入删除操作的讨论

July：

你好！关于RB_Tree的完整实现代码，你已经在你的博客中写出了。但我认为，你的代码中有需要改正的地方。

起 因

       我这段时间正好在学习RB_Tree，由于我忽略了RB_Tree的性质(3)：每个叶子结点都是黑色的，导致我对RB_Tree的操作纠结了好几天。在我还没意识到的时候，偶然间看到你的博客，想从中获得答案。然后就发现其中有值得商榷的地方。

错 误

       下图是你写的插入修正函数InsertFixUp的部分截图：

 你的文章地址：http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/6285620

 

                                                         图  1

    正如《算法导论》所言，InsertFixUp 中每一次while循环都要面对3种情况：

case 1：z的叔叔y是红色的；

case 2：z的叔叔y是黑色的，且z是右孩子；

case 3：z的叔叔y是黑色的，且z是左孩子.

并且case 2是落在case 3内的，所以这两种情况不是相互排斥的！而在你的代码中，将case 2和case 3分别放在if和else中，导致它们相互独立。这是不对的。

 

修 正

       所以，在图1中“标记①”处的else是不能加的，应将其删除。

       遗憾的是，我认为你的RB_Tree的删除修正操作DeleteFixUp也出现了类似的错误：对于DeleteFixUp所处理的4种情况也同样不是相互排斥的，而你用一组if…else if…else if…将case 2, 3, 4全部独立开来。

       以上便是鄙人的一点拙见，如果你认为有错误的地方，欢迎再讨论！

                                    杨  超

                                                               CSDN ID: crisischaos

                                                               2011.10.06

    考证：非常感谢杨兄来信指导。从算法导论一书原来的插入情况的修复伪代码来看：

//---------------------插入结点性质修复-------------------------------- //3种插入情况，都在下面的伪代码中(未涉及到所有全部的插入情况)。 /* RB-INSERT-FIXUP(T, z) 1 while color[p[z]] = RED 2 do if p[z] = left[p[p[z]]] 3 then y ← right[p[p[z]]] 4 if color[y] = RED 5 then color[p[z]] ← BLACK ? Case 1 6 color[y] ← BLACK ? Case 1 7 color[p[p[z]]] ← RED ? Case 1 8 z ← p[p[z]] ? Case 1 9 else if z = right[p[z]] 10 then z ← p[z] ? Case 2 11 LEFT-ROTATE(T, z) ? Case 2 12 color[p[z]] ← BLACK ? Case 3 13 color[p[p[z]]] ← RED ? Case 3 14 RIGHT-ROTATE(T, p[p[z]]) ? Case 3 15 else (same as then clause with "right" and "left" exchanged) 16 color[root[T]] ← BLACK */ //然后的工作，就非常简单了，即把上述伪代码改写为下述的c++代码： ....

    确实如杨兄所说，理应如此（包括其后的对删除情况的修复）。日后，再做统一修改，再次谢谢。July、2011.10.06更新。

参考文献，本人的原创作品红黑树系列的前五篇文章：

4、一步一图一代码，R-B Tree

1、教你透彻了解红黑树

5、红黑树插入和删除结点的全程演示

3、红黑树的c源码实现与剖析

2、红黑树算法的实现与剖析

6、致谢：http://saturnman.blog.163.com/。

完。

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违者，必定追究法律责任。谢谢，各位。