玩转数据结构从入门到进阶(五 平衡二叉树,2-3树,红黑树)

平衡二叉树:
定义:对于平衡二叉树来说,任意一个节点的子树的高度差不超过一。条件比完全二叉树和满二叉树更为宽松。叶子

节点的高度就是1.计算平衡因子。左子树减去右子树高度。
当插入元素在不平衡节点的左侧的左侧的时候,需要进行右旋转。反之,当插入元素在不平衡节点的右侧的右侧的时

候,需要进行左旋转。
当插入元素在不平衡节点的左侧的右侧的时候,先将不平衡节点的左侧节点进行左旋转,转化为上面的那种情况。
红黑树:
每个节点是红色的或者是黑色的。
根节点是黑色的。
每一个叶子节点:最后的空节点是黑色的。
如果一个节点是红色的,那么他的孩子节点都是黑色的。
从任意一个节点到叶子节点,经过的黑色节点是一样的。
2-3树:
每个节点有两个或者三个孩子,满足二分搜索树的基本性质。是一种绝对平衡的树:从根节点到任意一个节点所经过的节点数是相同的。添加元素时永远不会添加到空的位置上,先跟叶子节点进行融合。
对于红黑树,任何不平衡都会在三次旋转内解决?
可能很多同学看面经,会看到关于红黑树的这样一条性质:对于红黑树,任何不平衡都会在三次旋转内解决。但是,看过这一章所介绍的红黑树,肯定很多同学发现了,我们这个课程所实现的红黑树是没有这个性质的。但是,更优化的红黑树实现可以有这个性质!

任务

在这里,关键在于,这个课程中所介绍的红黑树(包括《算法4》所介绍的红黑树),是一种特殊的红黑树——左倾红黑树。但是红黑树本身并不需要“左倾”性质。也就是说,我们在这一章实现的左倾红黑树一定是红黑树;但是红黑树不一定全是左倾红黑树。换句话说,我们的代码为了维护“左倾”这个性质,做了额外的事情,消耗了性能,使得我们在这个课程中的实现,没有“任何不平衡都可以在三次旋转内解决”这么好的性能优势。

在这个课程中,我们也提及了红黑树的五个性质。只要满足着五个性质,就是红黑树!这五个性质是红黑树的标准定义。

这五个性质再罗列一下,是:

所有节点非红即黑;

根节点为黑;

最后的NULL节点为黑;

红节点的孩子一定为黑;

黑平衡
仔细观察这五个性质,大家就会发现,红黑树的标准定义中没有规定红节点一定左倾:)

换句话说,以下的两种形状,是满足红黑树的性质的!(其中B代表黑节点;R代表红节点):

B
/ \
B R

B
/
R R
但是,由于在我们这个课程的实现中,以上两种情况并不满足“左倾”的性质,我们就需要额外的操作,将这两种情况转换成“左倾”的样子。这也就是我在课程中说的,红黑树有更优的实现。当我们放宽限制,让红黑树也可以包含上面两种样子的时候,我们需要的旋转调整将减少,并且有对于任何不平衡,三次旋转即可解决!

印象里,更多资源联系qq2503961206《算法导论》中红黑树的实现,是满足这个性质的。有兴趣的同学,不妨找来《算法导论》,好好研究一下:)

那么如果以上的两个样子也符合红黑树的定义,意味着什么呢?

我们可以仔细观察一下其中的第二种样子:

B
/
R R
根据我们课程中介绍的红黑树和2-3树的关系,这其实意味着红黑树不仅仅是和2-3树等价的,还和2-4树等价(包含2-node,3-node,4-node)。但是,对于其中的4-node,我们只能用以上的样子表示,而不能使用以下两种形状:

B    B   

/
R R
/
R R
这是因为以上两种形状,他们破坏了红黑树的性质4!

在这里,请大家再回顾一下红黑树的五个性质!

所有节点非红即黑;

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