8分钟，复习一遍红黑树

简单介绍

什么是红黑树？

红黑树（Red Black Tree）是一种平衡二叉搜索树。红黑树是一种特化的AVL树（平衡二叉树），都是在进行插入和删除操作时通过特定操作保持二叉查找树的平衡，从而获得较高的查找性能。

关于AVL树可以查看我的博客:juejin.cn/post/713638…

为什么使用红黑树？

红黑树相比AVL树，在检索的时候效率其实差不多，都是通过平衡来二分查找。但对于插入删除等操作效率提高很多。

其次红黑树不像AVL树一样追求绝对的平衡，他允许局部很少的不完全平衡，这样对于效率影响不大，但省去了很多没有必要的调平衡操作，AVL树调平衡有时候代价较大，所以效率不如红黑树。红黑树只是做到了近似平衡，并不严格的平衡，所以在维护的成本上，要比AVL树要低。

红黑树的高度只比高度平衡的AVL树的高度（log2n）仅仅大了一倍，在性能上却好很多。

红黑树的插入、删除、查找各种操作性能都比较稳定。对于工程应用来说，要面对各种异常情况，为了支撑这种工业级的应用，我们更倾向于这种性能稳定的平衡二叉查找树。

红黑树的前身 234树（4阶B树）

它的效率不如红黑树

234树：是一种多叉树，它的每个节点最多有3个数据项和四个子节点。

节点分为3类：

• 2节点：存储1个数据项，2个子节点

 3节点：存储2个数据项，3个子节点

 

- 4节点：存储3个数据项，4个子节点 

插入操作

我们将1~10依次插入到234树中，观察如何平衡调整。

首先是1~3的插入，插完以后已经变成一个4节点了。

 

接着我们插入4，但是234树最多就是4节点，不能直接接在后面了。我们需要进行一步节点上溢操作。上溢中间的节点2，形成一个新的二节点，然后4就接在3后面。接着插入5就直接接在4后面形成4节点了。

 

接着插入6，由于不能超过4节点又要进行节点上溢了，这里4上溢，然后形成的新树和2要进行合并。

 

同理插入到8的时候也一样。

 

最后插入10的时候，将8进行上溢。

 

上溢并合并以后发现一久大于4节点，于是再将4进行上溢。

 

最终我们的234树为

 

234树与红黑树的关联

左边是一棵红黑树，我们将红色节点上移到和他们的父节点同一高度上，实际上就是一棵234树。

 

所以红黑树和234树是具有等价性的。

红黑树的黑色节点个数=234树的节点数

234树的每一个节点中：

黑色节点必为父节点，红色节点为子节点（黑色中间，红色两边）

那么红黑树的每一种插入情况我们都可以转换为234树来理解。

23树

根据234树的逻辑我们可以完美套用到23树上，只需要知道234树最大是4节点，23树最大是3节点就行了。

红黑树的性质

红黑树是每个结点都带有颜色属性的二叉查找树，颜色或红色或黑色。在二叉搜索树的基础上，对于任何有效的红黑树有如下性质:

• 性质1. 结点是红色或黑色。
• 性质2. 根结点是黑色。
• 性质3. 所有叶子都是黑色，且都为空。
• 性质4. 每个红色结点的父节点 and 子结点都是黑色。（从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色结点）
• 性质5. 从任一结点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色结点

234树思维理解红黑树的操作

下面我们采用234树来辅助理解红黑树的插入操作和删除操作。

红黑树的插入操作

如果插入的是根节点，则为黑色。

其余情况插入的节点最开始一定为红色。（如果插入红色节点，仅有一种冲突状况，就是可能出现连续两个红色节点，这时候只需要旋转和变色进行调整。）

红黑树的插入操作分为12种情况：

• 插入节点的父节点为黑色（4种）：直接插入，不做调整。因为不会影响到它红黑树的性质。

叔父节点不是红色（4种）：变色+旋转。

 

对于（6)RR型 以234树的思维进行构想，我们会把13加在12的后面，但是红黑树不能有两个一样的红节点，所以我们需要进行变色，将中间的12变成黑色，两边的节点变成红色。

 

光变色还是不行的，因为黑色节点必须是父节点。我们得进行一次左旋操作。

 

对于（7)LL型 同理上面的RR型，直接染色加右旋即可。 对于（5）RL型 我们实际上希望11是在10和12中间的，这样的话一次旋转操作是不够的，需要做两次旋转。

 

首先插入节点染成黑色，然后插入节点的祖父节点也就是10染成红色。

 

染色到此为止，接下来是旋转操作 首先是父节点12进行一次右旋

 

然后祖父节点10进行一次左旋。最终到了下图所示的状态，这个是满足红黑树的性质的。

 

• 对于（8)LR型 和上面的RL型同理，染色然后对父节点进行一次左旋，然后对祖父节点进行一次右旋。

• 叔父节点是红色（4种上溢）：变色。

我们依旧用234树的思维来理解，这里无论是哪种情况都是肯定需要上溢的（将4抬高)

 

然后开始染色，将插入节点的父节点和叔父节点染成黑色。上溢节点4作为新节点染成红色插入到上面一层。

 

接着由于上溢节点在逻辑上是新插入到上一层的，于是依旧需要再用上面的方式再处理一次4这个节点。从整体上来看就是一种递归的形式。

其他的情况实际上都是一样的，首先将父节点和叔父节点染黑，将祖父节点染红，祖父作为新插入节点上溢，然后递归处理。（写代码的时候需要将4种情况写明，毕竟位置不同。）

红黑树的删除操作

什么是下溢？

讲删除之前首先还是讲下溢，上溢情况我们知道是超过了4节点了需要把中间节点抬高。下溢则是原来是一个2||3||4节点，但是删除掉下面一层的节点后子节点数目和2||3||4节点需要的数目对不上了。

讲完下溢之后我们开始正式讲删除操作<