如何生成红黑树？一步一步画给你看（从二叉查找树到2-3树再到红黑树）
直接进入正题：暂时只讨论了节点的插入，节点删除还未纳入。
一、如何从数组生成一个二叉查找树
假设数组为：{ 30, 13, 7, 43, 23, 12, 9, 33, 42, 21, 18, 6, 3, 50 }，我们不对数组排序，直接生成二叉查找树。
创建流程：
1.将第一数作为根节点：
2.插入13,13小于30，放在30的左边子节点。
3.插入7,7小于30,7小于13，放在13的左边子节点。
4.插入43,43大于30，放在30的右边子节点。
5.放入23,23小于30,23大于13，放入13的右边子节点。
6.放入12,12小于30,12小于13,12大于7，放入7的右边子节点。
7.放入9,9小于30,9小于13,9大于7,9小于12，放入12的左边子节点。
8.中间省略，最后生成的二叉查找树为如下：
9.由上图可以看出，普通二叉查找树是不平衡的，最坏的情况可能会形成以下情况：
在这种情况下，当我们需要查找1的时候，时间复杂度就是O(n)。
普通二叉查找树的查找时间复杂度为[O(log2n)，O(n)]之间。如果让其始终保持为O(log2n)的时间复杂度呢，我们就要创建平衡二叉树。
2-3树和红黑树都是平衡二叉树，我们先看2-3树，然后再由2-3树引出红黑树的原理。
二、二叉树的遍历
二叉树的遍历的几种方式：
如何理解先序、中序和后序？假设我们有一个一共三个节点的二叉树：
- 先序遍历：根节点作为第一位，然后左孩子、右孩子。遍历顺序是A->B->C。
- 中序遍历：先左孩子，根节点作为中间位，然后右孩子。遍历顺序是B->A->C。
- 后序遍历：先左孩子，再右孩子，最后根节点。遍历顺序是B->C->A。
总结：遍历的顺序是根据根节点所在的遍历顺序来定义的，除了根节点所处位置的变化，其他子节点遍历顺序是不变的。
我们以一个简单二叉树作为例子，如图：
我们根据遍历顺序不同，将各节点的值（圆圈里的字母）打印出来：
1.前序遍历
打印结果：A->B->D->G->C->E->F
前序遍历递归方法的代码如下：
//前序递归遍历 void PreOrder(Node * nd) { if (nd != NULL) { cout << nd->data << endl; PreOrder(nd->lchild); PreOrder(nd->rchild); } }
前序遍历非递归方法的代码如下：
//先序非递归遍历 void NonRecPreOrder(Node * nd) { //定义一个栈 stack<Node*> s; Node * p = nd; //当根节点不为空时，先打印其值（先序） while (p != NULL) { cout << p->data << endl; //该节点被压如栈 s.push(p); //遍历其左子节点（左子树） p = p->lchild; } //所有左子树的左节点都遍历完后，开始通过栈回退到根节点，并开始遍历右子树。 while (!s.empty()) { //取栈顶的节点指针 p = s.top(); //取他的右子树，然后重复两个while循环。 p = p->rchild; //弹出 s.pop(); } }
2.中序遍历
打印结果：D->G->B->A->E->C->F
中序遍历递归方法的代码如下：
//中序递归遍历 void MedOrder(Node * nd) { if (nd != NULL) { PreOrder(nd->lchild); cout << nd->data << endl; PreOrder(nd->rchild); } }
中序遍历非递归方法的代码如下：
//中序非递归遍历 void NonRecPreOrder(Node * nd) { //定义一个栈 stack<Node*> s; Node * p = nd; while(p || !s.empty()){ //当根节点不为空时，继续往左边走 while (p != NULL) { //该节点被压如栈 s.push(p); //遍历其左子节点（左子树） p = p->lchild; } //所有左子树的左节点都遍历完后，开始通过栈回退到根节点，并开始遍历右子树。 while (!s.empty()) { //取栈顶的节点指针 p = s.top(); //中序，打印完左节点值，回来的时候打印根节点值 cout << p->data << endl; //取他的右子树，然后重复两个while循环。 p = p->rchild; //弹出 s.pop(); } } }
3.后续遍历
打印结果：G->D->B->E->F->C->A
后序遍历递归方法的代码如下：
//后序递归遍历 void PostOrder(Node * nd) { if (nd != NULL) { PreOrder(nd->lchild); PreOrder(nd->rchild); cout << nd->data << endl; } }
后序遍历非递归方法的代码如下：
//后序非递归遍历 void NonRecPreOrder(Node * nd) { //定义一个栈 stack<Node*> s; Node * p = nd; //定义一个指针r，用来记录是否访问过右子节点 Node * r = NULL; while (p || !s.empty()) { if (p) { s.push(p); p = p->lchild; } else { //获取栈顶部元素，注意不是弹出 p = s.top(); //判断右子节点的状态，1.为NULL，2.已经被访问 if (p->rchild && p->rchild != r) { p = p->rchild; } else { //如果右子节点不存在，或已经被访问了（r已经记录），打印子树根节点值 cout << p->data << endl; s.pop(); r = p; //将辅助指针指向访问过的右子树根节点 p = NULL; //将p置为空，从而继续访问栈顶 } } } }
4.层次遍历
层次遍历也是非递归的一种遍历方法，遍历的结果是非有序的，顺序为A->B->C->D->E->F，即从上到下一层一层遍历。代码如下：
//层次遍历（非递归） void LevelOrder(Node * nd) { queue<Node *> q; Node * p = nd; //先将根节点入队列 q.push(p); while (!q.empty()) { //从队列中获取最先压如的节点 p = q.front(); //打印值 cout << p->data << endl; //弹出 q.pop(); //判断该节点是否存在左右子节点，如果存在，就压入队列 if (p->lchild != NULL) q.push(p->lchild); if (p->rchild != NULL) q.push(p->rchild); } }
5.总结
前序遍历、中序遍历、后序遍历的递归写法很类似，唯一的不同就是遍历左子树、遍历右子树、打印当前节点值三者之间的顺序不同。
非递归遍历方法，特别需要注意后序遍历，需要依靠一个辅助指针记录右节点是否已经访问。
层次遍历需要借助队列来实现，即每一层在遍历的时候，就检查其下一层元素是否存在，存在的话压入队列，这样就能实现一层一层遍历的结果。
三、平衡二叉树 2-3树
1.什么是2-3树
2-3树的意思就是，某个节点有两种可能：
一是正常的2-节点，包含一个值（或键），包含左右两个子节点。二是3-节点，包含两个值，包含左中右三个子节点。
如图所示：
左边为2-节点，右边为3-节点。
2.2-3树插入基本操作
向一个2-3树的节点中插入一个新的元素有以下几种基础操作：
1.插入一个比2-节点值小的元素，例如对值为30的2-节点插入20：
2.插入一个比2-节点值大的元素，例如对值为30的2-节点插入40：
3.插入一个比3-节点左边值更小的值，例如对值为20 30的3-节点插入15：
注意，这里对3-节点插入数据后，形成了一个4-节点，可以分解为最右边的二叉子树。
4.插入一个比3-节点左边值更大、比右边值更小的值，例如对值为20 30的3-节点插入25：
5.插入一个比3-节点右边值更大的值，例如对值为20 30的3-节点插入40：
6.当下面一层的元素形成了4-节点，将4-节点的中间数往上层升级（分左右方向）：
3.创建2-3树流程
有了上述6个基本操作，我们开始使用前面的数组来创建2-3树：
数组为{ 30, 13, 7, 43, 23, 12, 9, 33, 42, 21, 18, 6, 3, 50 }。
创建流程：
1.将30作为根节点。
2.插入13,13比30小，形成一个值为13 30的3-节点。
3.插入7,7比13小，形成一个值为7 13 30的4-节点，然后分解。
4.插入43,43大于13,43大于30，与30一起形成3-节点。
5.插入23,23大于13,23小于30，与30 43形成4-节点，然后分解。
6.插入12,12小于13,12大于7，与7组成3-节点
7.插入9,9小于13,9大于7,9小于12，与7 12组成4-节点，然后分解。分解后9升级到上一层，与13 30形成4-节点，再次分解。
8.插入33,33大于13,33大于30,33小于43，与43组成3-节点。
9.插入42,42大于13,42大于30,42大于33,42小于43，与33 43形成4-节点，然后分解。
10.省略后面过程，最终生成结果为：
至此，我们创建了一颗2-3树，可以看出2-3树的平衡性还是很好的。
4.将2-3树转换为红黑树
得到2-3树以后，我们可以将其进行结构上的一些变化：
1.将其中的所有3-节点，变换为以下形状，以左边子树为例：
2.将所有的3-节点进行变换：
3.得到的就是一颗红黑树，所以2-3树和红黑树是可以一一对应的，但是需满足三个条件：
- 红链接均为左链接。
- 没有任何一个节点同时和两条红链接相连。
- 任意空链接到根节点路径上的黑色连接数目相同。
从图中可以看出，我们的红连接都是左链接，满足条件一。没有节点同时链接两条红线，满足条件二。每个叶子节点下得空链接到根节点30的路径中黑连接数量都是2，所以满足条件三。
四、红黑树
红黑树的红和黑主要指红黑连接，而不是指节点是红色和黑色，但是一般可以将红连接下面的子节点图为红色。
我们先将上面的2-3树转换为真正的红黑树：
1.红黑树插入的基本动作
注意：新插入的节点都使用红线连接，我们将节点也表示为红色，方便观察。
1.向一个黑色节点插入一个元素比他小的元素：
2.向一个黑色节点插入一个元素比他大的元素，要进行一次左旋：
3.向一个已经有一个子节点（红色）的黑色节点插入一个大于他的元素：
在这种情况下，节点6同时存在左右两条红色连接，那么直接将其都变为黑色。
如果这个黑色节点有父节点，则需要将与父节点之间的连接也变为红色，自己变为红色：
4.向一个已经有一个子节点（红色）的黑色节点插入一个小于红色子节点的元素：
5.向一个已经有一个子节点（红色）的黑色节点插入一个大于红色子节点的元素：
2.创建红黑树流程
有了以上5个基本动作，我们就可以开始构建一颗红黑树了：
数组为{ 30, 13, 7, 43, 23, 12, 9, 33, 42, 21, 18, 6, 3, 50 }。
创建流程：
1.将第一个数30作为根节点：
只有一个节点，直接变黑。
2.插入13,13小于30，放在左边子节点，颜色为红色，连接为红色：
3.插入7,7小于30,7小于13，放在13的左边子节点，红色。然后右旋，再进行变色：
4.插入43,43大于13,43大于30，放在30的右边子节点，然后局部左旋：
5.插入23,23大于13,23小于43,23小于30，放在30的左边子节点，红色，然后右旋，变色，再左旋：
6.插入12,12小于30,12小于13,12大于7，放在7的右边子节点，然后左旋：
7.插入9，9小于30,9小于13,9小于12,9大于7，放在7的右边，左旋，右旋，变色，右旋，变色：
8.插入33，33大于13,33大于30,33小于43，放在43的左边子节点：
9.插入42,42大于13,42大于30,42小于43,42大于33，放在33右边子节点，左旋，右旋，变色，左旋：
10.插入21，21大于13,21小于42，,21小于30，21小于23，放在23左边子节点：
11.插入18，18大于13,18小于42,18小于30,18小于23,18小于21，放在21左边子节点，右旋，变色，右旋，变色，左旋：
12.插入6，6小于30,6小于13,6小于9,6小于7，放在7的左边子节点：
13.插入3，3小于30,3小于13,3小于9,3小于7,3小于6，放在6的左边子节点，右旋，变色：
14.插入50，50大于30，,50大于42,50大于43，放在43的右边子节点，左旋：
15.红黑树生成完毕，检查一下几个点：
- 每个节点不存在同时链接两条红线。
- 所有红线都是左连接。
- 不存在两条连续的红连接。
- 每个叶节点的空连接到根节点经过的黑连接数量相同（这里都是2）。
