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            那誰的技術(shù)博客

            感興趣領(lǐng)域:高性能服務(wù)器編程,存儲,算法,Linux內(nèi)核
            隨筆 - 210, 文章 - 0, 評論 - 1183, 引用 - 0
            數(shù)據(jù)加載中……

            [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)

            2008-11-10補充---這份代碼仍然是有問題的, 再次的修正版本在這里:
            http://www.shnenglu.com/converse/archive/2008/11/10/66530.html

            在之前,我曾經(jīng)給出過一份紅黑樹的實現(xiàn)代碼,很多人提出異議,說是代碼有問題,我曾經(jīng)做過一些測試,貌似都沒有出錯,因為這份代碼是在我學(xué)習(xí)紅黑樹之后很久才貼出來的,所以后來沒有再仔細看這份代碼。

            最近,因為工作上的原因,我需要使用紅黑樹結(jié)構(gòu),本以為拿來那份代碼稍加改動就可以了,沒想到代碼調(diào)試了很久都還有問題,于是,我決定重新補習(xí)紅黑樹的知識,仔細查看了原有的代碼,才發(fā)現(xiàn)是有問題的,在這里,給出修正版本的代碼,希望這次是沒有錯誤:) 請大家原諒我的疏忽。

            我就不在原來的頁面修改那份代碼了,只是在上面加上說明那份代碼是有錯誤的。

            /*-----------------------------------------------------------
                RB
            -Tree的插入和刪除操作的實現(xiàn)算法
                參考資料:
                
            1<<Introduction to algorithm>>
                
            2<<STL源碼剖析>>
                
            3) sgi-stl中stl_tree.h中的實現(xiàn)算法
                
            4) http://epaperpress.com/sortsearch/index.html
                
            5) http://www.ececs.uc.edu/~franco/C321/html/RedBlack/redblack.html

                作者:李創(chuàng) (http:
            //www.shnenglu.com/converse/)
                您可以自由的傳播,修改這份代碼,轉(zhuǎn)載處請注明原作者

                紅黑樹的幾個性質(zhì):
                
            1) 每個結(jié)點只有紅和黑兩種顏色
                
            2) 根結(jié)點是黑色的
                
            3)空節(jié)點是黑色的(紅黑樹中,根節(jié)點的parent以及所有葉節(jié)點lchild、rchild都不指向NULL,而是指向一個定義好的空節(jié)點)。 
                
            4) 如果一個結(jié)點是紅色的,那么它的左右兩個子結(jié)點的顏色是黑色的
                
            5) 對于每個結(jié)點而言,從這個結(jié)點到葉子結(jié)點的任何路徑上的黑色結(jié)點
                的數(shù)目相同
            -------------------------------------------------------------*/

            #include 
            <stdio.h>
            #include 
            <stdlib.h>
            #include 
            <time.h>

            typedef 
            int KEY;

            enum NODECOLOR
            {
                BLACK        
            = 0,
                RED          
            = 1
            };

            typedef struct RBTree
            {
                struct        RBTree 
            *parent;
                struct      RBTree 
            *left*right;
                KEY            key;
                NODECOLOR   color;
            }RBTree, 
            *PRBTree;

            PRBTree RB_InsertNode(PRBTree root, KEY key);
            PRBTree RB_InsertNode_Fixup(PRBTree root, PRBTree z);

            PRBTree RB_DeleteNode(PRBTree root, KEY key);
            PRBTree RB_DeleteNode_Fixup(PRBTree root, PRBTree x , PRBTree x_parent);

            PRBTree Find_Node(PRBTree root, KEY key);
            void    Left_Rotate(PRBTree A, PRBTree
            & root);
            void    Right_Rotate(PRBTree A, PRBTree
            & root);
            void    Mid_Visit(PRBTree T);
            void    Mid_DeleteTree(PRBTree T);
            void    Print_Node(PRBTree node);

            /*-----------------------------------------------------------
            |   A              B
            |  
            / \    ==>     / \
            | a   B           A  y
            |    
            / \         / \
            |    b  y        a  b
             
            -----------------------------------------------------------*/
            void Left_Rotate(PRBTree A, PRBTree
            & root)
            {       
                PRBTree B;
                B 
            = A->right;

                A
            ->right  = B->left;
                
            if (NULL != B->left)
                    B
            ->left->parent = A;
                B
            ->parent = A->parent;

                
            // 這樣三個判斷連在一起避免了A->parent = NULL的情況
                
            if (A == root)
                {
                    root 
            = B;
                }
                
            else if (A == A->parent->left)
                {
                    A
            ->parent->left = B;
                }
                
            else
                {
                    A
            ->parent->right = B;
                }
                B
            ->left          = A;
                A
            ->parent = B;
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |    A              B
            |   
            / \            / \
            |  B   y   
            ==>    a   A
            / \                / \
            |a   b              b   y
            -----------------------------------------------------------*/
            void Right_Rotate(PRBTree A, PRBTree
            & root)
            {
                PRBTree B;
                B 
            = A->left;

                A
            ->left   = B->right;
                
            if (NULL != B->right)
                    B
            ->right->parent = A;

                B
            ->parent = A->parent;
                
            // 這樣三個判斷連在一起避免了A->parent = NULL的情況
                
            if (A == root)
                {
                    root 
            = B;
                }
                
            else if (A == A->parent->left)
                {
                    A
            ->parent->left = B;
                }
                
            else
                {
                    A
            ->parent->right = B;
                }
                A
            ->parent = B;
                B
            ->right  = A;
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |        函數(shù)作用:查找key值對應(yīng)的結(jié)點指針
            |        輸入?yún)?shù):根節(jié)點root,待查找關(guān)鍵值key
            |        返回參數(shù):如果找到返回結(jié)點指針,否則返回NULL
            -------------------------------------------------------------*/
            PRBTree Find_Node(PRBTree root, KEY key)
            {
                PRBTree x;

                
            // 找到key所在的node
                x 
            = root;
                
            do
                {
                    
            if (key == x->key)
                        break;
                    
            if (key < x->key)
                    {
                        
            if (NULL != x->left)
                            x 
            = x->left;
                        
            else
                            break;
                    }
                    
            else
                    {
                        
            if (NULL != x->right)
                            x 
            = x->right;
                        
            else
                            break;
                    }
                } 
            while (NULL != x);

                return x;
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |        函數(shù)作用:在樹中插入key值
            |        輸入?yún)?shù):根節(jié)點root,待插入結(jié)點的關(guān)鍵值key
            |        返回參數(shù):根節(jié)點root
            -------------------------------------------------------------*/
            PRBTree RB_InsertNode(PRBTree root, KEY key)
            {
                PRBTree x, y;

                PRBTree z;
                
            if (NULL == (z = (PRBTree)malloc(sizeof(RBTree))))
                {
                    printf(
            "Memory alloc error\n");
                    return 
            NULL;
                }
                z
            ->key = key;

                
            // 得到z的父節(jié)點, 如果KEY已經(jīng)存在就直接返回
                x 
            = root, y = NULL;
                
            while (NULL != x)
                {
                    y 
            = x;
                    
            if (key < x->key)
                    {
                        
            if (NULL != x->left)
                        {
                            x 
            = x->left;
                        }
                        
            else
                        {
                            break;
                        }
                    }
                    
            else if (key > x->key)
                    {
                        
            if (NULL != x->right)
                        {
                            x 
            = x->right;
                        }
                        
            else
                        {
                            break;
                        }
                    }
                    
            else
                    {
                        return root;   
                    }
                }

                
            if (NULL == y || y->key > key)
                {
                    
            if (NULL == y)
                        root 
            = z;
                    
            else
                        y
            ->left = z;
                }
                
            else
                {
                    y
            ->right = z;
                }

                
            // 設(shè)置z的左右子樹為空并且顏色是red,注意新插入的節(jié)點顏色都是red
                z
            ->parent = y;   
                z
            ->left = z->right = NULL;
                z
            ->color = RED;

                
            // 對紅黑樹進行修正
                return RB_InsertNode_Fixup(root, z);
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |        函數(shù)作用:對插入key值之后的樹進行修正
            |        輸入?yún)?shù):根節(jié)點root,插入的結(jié)點z
            |        返回參數(shù):根節(jié)點root
            -------------------------------------------------------------*/
            PRBTree RB_InsertNode_Fixup(PRBTree root, PRBTree z)
            {
                PRBTree y;
                
            while (root != z && RED == z->parent->color)        // 當(dāng)z不是根同時父節(jié)點的顏色是red
                {
                    
            if (z->parent == z->parent->parent->left)        // 父節(jié)點是祖父節(jié)點的左子樹
                    {
                        y 
            = z->parent->parent->right;                        // y為z的伯父節(jié)點
                        
            if (NULL != y && RED == y->color)                // 伯父節(jié)點存在且顏色是red
                        {
                            z
            ->parent->color = BLACK;                        // 更改z的父節(jié)點顏色是B
                            y
            ->color = BLACK;                                        // 更改z的伯父節(jié)點顏色是B
                            z
            ->parent->parent->color = RED;                // 更改z的祖父節(jié)點顏色是B
                            z 
            = z->parent->parent;                                // 更新z為它的祖父節(jié)點
                        }
                        
            else                                                                        // 無伯父節(jié)點或者伯父節(jié)點顏色是b
                        {
                            
            if (z == z->parent->right)                        // 如果新節(jié)點是父節(jié)點的右子樹
                            {
                                z 
            = z->parent;
                                Left_Rotate(z, root);
                            }
                            z
            ->parent->color = BLACK;                        // 改變父節(jié)點顏色是B
                            z
            ->parent->parent->color = RED;                // 改變祖父節(jié)點顏色是R
                            Right_Rotate(z
            ->parent->parent, root);
                        }
                    }
                    
            else                                                                                // 父節(jié)點為祖父節(jié)點的右子樹
                    {
                        y 
            = z->parent->parent->left;                        // y為z的伯父節(jié)點
                        
            if (NULL != y && RED == y->color)                // 如果y的顏色是red
                        {
                            z
            ->parent->color = BLACK;                        // 更改父節(jié)點的顏色為B
                            y
            ->color = BLACK;                                        // 更改伯父節(jié)點的顏色是B
                            z
            ->parent->parent->color = RED;                // 更改祖父節(jié)點顏色是R
                            z 
            = z->parent->parent;                                // 更改z指向祖父節(jié)點
                        }               
                        
            else                                                                        // y不存在或者顏色是B
                        {
                            
            if (z == z->parent->left)                        // 如果是父節(jié)點的左子樹
                            {
                                z 
            = z->parent;
                                Right_Rotate(z, root);
                            }
                            z
            ->parent->color = BLACK;                        // 改變父節(jié)點的顏色是B
                            z
            ->parent->parent->color = RED;                // 改變祖父節(jié)點的顏色是RED
                            Left_Rotate(z
            ->parent->parent, root);
                        }
                    }
                } 
            // while(RED == z->parent->color)

                
            // 根節(jié)點的顏色始終都是B
                root
            ->color = BLACK;

                return root;
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |        函數(shù)作用:在樹中刪除key值
            |        輸入?yún)?shù):根節(jié)點root,待插入結(jié)點的關(guān)鍵值key
            |        返回參數(shù):根節(jié)點root
            -------------------------------------------------------------*/
            PRBTree RB_DeleteNode(PRBTree root, KEY key)
            {
                PRBTree x, y, z, x_parent;

                
            // 首先查找需要刪除的節(jié)點
                z 
            = Find_Node(root, key);
                
            if (NULL == z)
                    return root;

                y 
            = z, x = NULL, x_parent = NULL;

                
            // y是x按照中序遍歷樹的后繼
                
            if (NULL == y->left)
                {
                    x 
            = y->right;
                }
                
            else
                {
                    
            if (NULL == y->right)
                    {
                        x 
            = y->left;
                    }
                    
            else
                    {
                        y 
            = y->right;
                        
            while (NULL != y->left)
                            y 
            = y->left;
                        x 
            = y->right;
                    }
                }

                
            if (y != z)
                {
                    z
            ->left->parent = y;
                    y
            ->left = z->left;
                    
            if (y != z->right)
                    {
                        x_parent 
            = y->parent;
                        
            if (NULL != x)
                            x
            ->parent = y->parent;
                        y
            ->parent->left = x;
                        y
            ->right = z->right;
                        z
            ->right->parent = y;
                    }
                    
            else
                    {
                        x_parent 
            = y;
                    }
                    
            if (root == z)
                    {
                        root 
            = y;
                    }
                    
            else if (z == z->parent->left)
                    {
                        z
            ->parent->left = y;
                    }
                    
            else
                    {
                        z
            ->parent->right = y;
                    }
                    y
            ->parent = z->parent;
                    NODECOLOR color 
            = y->color;
                    y
            ->color = z->color;
                    z
            ->color = color;
                    y 
            = z;
                }
                
            else
                {
                    x_parent 
            = y->parent;
                    
            if (NULL != x)
                        x
            ->parent = y->parent;
                    
            if (root == z)
                    {
                        root 
            = y;
                    }
                    
            else if (z == z->parent->left)
                    {
                        z
            ->parent->left = x;
                    }
                    
            else
                    {
                        z
            ->parent->right = x;
                    }

                }

                
            if (BLACK == y->color)
                {
                    root 
            = RB_DeleteNode_Fixup(root, x, x_parent);
                }
                free(y);

                return root;
            }

            /*-----------------------------------------------------------
            |        函數(shù)作用:對刪除key值之后的樹進行修正
            |        輸入?yún)?shù):根節(jié)點root,刪除的結(jié)點的子結(jié)點x
            |        返回參數(shù):根節(jié)點root
            -------------------------------------------------------------*/
            PRBTree RB_DeleteNode_Fixup(PRBTree root, PRBTree x, PRBTree x_parent)
            {
                PRBTree w;

                
            while (x != root && (NULL == x || BLACK == x->color))
                {
                    
            if (x == x_parent->left)                                                                // 如果x是左子樹
                    {
                        w 
            = x_parent->right;                                                                // w是x的兄弟結(jié)點
                        
            if (RED == w->color)                                                                // 如果w的顏色是紅色
                        {
                            w
            ->color = BLACK;
                            x_parent
            ->color = RED;
                            Left_Rotate(x_parent, root);
                            w 
            = x_parent->right;
                        }
                        
            if ((NULL == w->left  || BLACK == w->left->color) &&
                            (
            NULL == w->right || BLACK == w->right->color))
                        {
                            w
            ->color = RED;
                            x 
            = x_parent;
                            x_parent 
            = x_parent->parent;
                        }
                        
            else
                        {
                            
            if (NULL == w->right || BLACK == w->right->color)
                            {
                                
            if (NULL != w->left)
                                    w
            ->left->color = BLACK;

                                w
            ->color = RED;
                                Right_Rotate(w, root);
                                w 
            = x_parent->right;
                            }

                            w
            ->color = x_parent->color;
                            x_parent
            ->color = BLACK;
                            
            if (NULL != w->right)
                                w
            ->right->color  = BLACK;
                            Left_Rotate(x
            ->parent, root);
                            break;
                        }
                    }
                    
            else
                    {
                        w 
            = x_parent->left;                                                                // w是x的兄弟結(jié)點

                        
            if (RED == w->color)                                                                // 如果w的顏色是紅色                                               
                        {
                            w
            ->color = BLACK;
                            x_parent
            ->color = RED;
                            Right_Rotate(x_parent, root);
                            w 
            = x_parent->left;
                        }
                        
            if ((NULL == w->left  || BLACK == w->left->color) &&
                            (
            NULL == w->right || BLACK == w->right->color))
                        {
                            w
            ->color = RED;
                            x 
            = x_parent;
                            x_parent 
            = x_parent->parent;
                        }
                        
            else
                        {
                            
            if (NULL == w->left || BLACK == w->left->color)
                            {
                                
            if (NULL != w->right)
                                    w
            ->right->color = BLACK;

                                w
            ->color = RED;
                                Left_Rotate(w, root);
                                w 
            = x_parent->left;
                            }

                            w
            ->color = x_parent->color;
                            x_parent
            ->color = BLACK;
                            
            if (NULL != w->left)
                                w
            ->left->color  = BLACK;
                            Right_Rotate(x
            ->parent, root);
                            break;
                        }
                    }
                }

                x
            ->color = BLACK;

                return root;
            }

            void Print_Node(PRBTree node)
            {
                char
            * color[] = {"BLACK""RED"};
                printf(
            "Key = %d,\tcolor = %s", node->key, color[node->color]);
                
            if (NULL != node->parent)
                    printf(
            ",\tparent = %d", node->parent->key);
                
            if (NULL != node->left)
                    printf(
            ",\tleft = %d", node->left->key);
                
            if (NULL != node->right)
                    printf(
            ",\tright = %d", node->right->key);
                printf(
            "\n");
            }

            // 中序遍歷樹, 加了一個判斷, 如果輸出的數(shù)據(jù)不滿足序列關(guān)系就報錯退出
            void Mid_Visit(PRBTree T)
            {
                
            if (NULL != T)
                {
                    
            if (NULL != T->left)
                    {
                        
            if (T->left->key > T->key)
                        {
                            printf(
            "wrong!\n");
                            
            exit(-1);
                        }
                        Mid_Visit(T
            ->left);
                    }
                    Print_Node(T);
                    
            if (NULL != T->right)
                    {
                        
            if (T->right->key < T->key)
                        {
                            printf(
            "wrong\n");
                            
            exit(-1);
                        }
                        Mid_Visit(T
            ->right);
                    }
                }
            }

            // 中序刪除樹的各個節(jié)點
            void Mid_DeleteTree(PRBTree T)
            {
                
            if (NULL != T)
                {
                    
            if (NULL != T->left)
                        Mid_DeleteTree(T
            ->left);
                    PRBTree temp 
            = T->right;
                    free(T);
                    T 
            = NULL;
                    
            if (NULL != temp)
                        Mid_DeleteTree(temp);
                }
            }

            void Create_New_Array(
            int array[], int length)
            {
                
            for (int i = 0; i < length; i++)
                {
                    
            array[i] = rand() % 256;
                }
            }

            int main(int argc, char *argv[])
            {
                srand(
            time(NULL));
                PRBTree root 
            = NULL;
                
            int i;
                
            for (i = 0; i < 100000; i++)
                {
                    root 
            = RB_InsertNode(root, rand() % 10000);
                }

                Mid_Visit(root);

                
            // 刪除整顆樹
                Mid_DeleteTree(root);

                return 
            0;
            }

            posted on 2007-11-28 14:29 那誰 閱讀(8498) 評論(10)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

            評論

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            pretty code, you can take reference of linux kernel rbtree:
            http://lxr.linux.no/source/include/linux/rbtree.h
            http://lxr.linux.no/source/lib/rbtree.c
            2007-11-28 19:34 | 補考少年

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            不要抱著教科書上的經(jīng)典不放了
            去看看現(xiàn)在新的BBST吧
            GOOGLE下“size balanced tree”
            效率高 代碼好寫
            2007-11-28 21:03 | winsty

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            怎么看代碼都有問題,Find_Node,當(dāng)找不到key的時候根本不能返回NULL值.
            2008-02-06 00:24 | vvvvy

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            本人沒測試過,不過怎么看都有錯,建議改為:
            PRBTree Find_Node(PRBTree root, KEY key)
            {
            PRBTree x;

            // 找到key所在的node
            x = root;
            do
            {
            if (key == x->key)
            break;
            if (key < x->key)
            {
            x = x->left;
            }
            else
            {
            x = x->right;
            }
            } while (NULL != x);

            return x;
            }
            2008-02-06 00:46 | vvvvy

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            為了自己學(xué)習(xí)實現(xiàn)red-black-tree, 我仔細研究過你這份代碼.
            經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)里面還是有錯誤.
            PRBTree RB_DeleteNode_Fixup(PRBTree root, PRBTree x, PRBTree x_parent)里傳進來的參數(shù)x可能是NULL, 基于這一點,顯然函數(shù)進去后
            while (x != root && BLACK == x->color)的是有錯誤的.
            參考了SGI STL,應(yīng)改成while(x != root &&
            (NULL ==x || BLACK ==x->color) ).
            2008-08-01 10:39 | 何日喪

            #  [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            還是有錯誤的。
            2008-09-28 17:33 | hello

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            @何日喪
            感謝指出錯誤,已經(jīng)修改,不過這個判斷我改寫成了:
            while (x != root && (NULL == x || BLACK == x->color))
            因為根據(jù)rbtree的定義,空結(jié)點的顏色也是黑色的,我在
            http://lxr.linux.no/linux/lib/rbtree.c
            中看里面的函數(shù)__rb_erase_color就是這么判斷的.

            2008-10-06 14:53 | 創(chuàng)

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            代碼還是有問題,當(dāng)插入幾個樹時構(gòu)成的紅黑樹結(jié)構(gòu)是不對的,還望指點!
            2008-11-03 01:03 | rw

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)[未登錄]  回復(fù)  更多評論   

            刪除的時候有問題
            2009-10-03 23:02 | noname

            # re: [算法]紅黑樹的實現(xiàn)代碼(修訂版)  回復(fù)  更多評論   

            @winsty
            cqf神牛的那個?orz........
            2009-10-06 21:02 | Vincent
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