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【算法漫畫】什麼是紅黑樹?(下篇)

上周,我們初步介紹了紅黑樹存在的意義,以及紅黑樹的插入操作,沒看過的小夥伴可以點選下面連結:

​​漫畫:什麼是紅黑樹?​​

今天,我們來繼續介紹紅黑樹的删除操作,以及紅黑樹和其他平衡二叉樹的比較。

【算法漫畫】什麼是紅黑樹?(下篇)
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二叉查找樹是如何進行删除操作的呢?可以分成三種情況。

情況1,待删除的結點沒有子結點:

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上圖中,待删除的結點12是葉子結點,沒有孩子,是以直接删除即可:

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情況2,待删除的結點有一個孩子:

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上圖中,待删除的結點13隻有左孩子,于是我們讓左孩子結點11取代被删除的結點,結點11以下的結點關系無需變動:

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情況3,待删除的結點有兩個孩子:

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上圖中,待删除的結點5有兩個孩子,這種情況比較複雜。此時,我們需要選擇與待删除結點最接近的結點來取代它。

上面的例子中,結點3僅小于結點5,結點6僅大于結點5,兩者都是合适的選擇。但習慣上我們選擇僅大于待删除結點的結點,也就是結點6來取代它。

于是我們複制結點6到原來結點5的位置:

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被選中的結點6,僅大于結點5,是以一定沒有左孩子。是以我們按照情況1或情況2的方式,删除多餘的結點6:

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紅黑樹的特性(規則)如下:

1.結點是紅色或黑色。

2.根結點是黑色。

3.每個葉子結點都是黑色的空結點(NIL結點)。

4.每個紅色結點的兩個子結點都是黑色。(從每個葉子到根的所有路徑上不能有兩個連續的紅色結點)

5.從任一結點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色結點。

下面我們通過一個例子,來看一看删除紅黑樹的結點會對規則産生怎樣的影響:

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上圖的這顆紅黑樹,待删除的是黑色結點1,有一個右孩子。根據二叉查找樹的删除流程,我們讓右孩子結點6直接取代結點1:

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顯然,這顆新的二叉樹打破了兩個規則:

規則4. 每個紅色結點的兩個子結點都是黑色。

規則5. 從任一結點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色結點。

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第一步:如果待删除結點有兩個非空的孩子結點,轉化成待删除結點隻有一個孩子(或沒有孩子)的情況。

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上面例子是一顆紅黑樹的局部,标數字的三角形代表任意形态的子樹,假設結點8是待删除結點。

根據上文講解的二叉查找樹删除流程,由于結點8有兩個孩子,我們選擇僅大于8的結點10複制到8的位置,結點顔色變成待删除結點的顔色:

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接下來我們需要删除紅色的結點10:

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紅色結點10能成為僅大于8的結點,必定沒有左孩子結點,是以問題轉換成了待删除結點隻有一個右孩子(或沒有孩子)的情況。接下來我們進入第二步。

第二步:根據待删除結點和其唯一子結點的顔色,分情況處理。

情況1,自身是紅色,子結點是黑色:

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這種情況最簡單,按照二叉查找樹的删除操作,删除結點1即可:

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情況2,自身是黑色,子結點是紅色:

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這種情況也很簡單,首先按照二叉查找樹的删除操作,删除結點1:

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此時,這條路徑憑空減少了一個黑色結點,那麼我們把結點2變成黑色即可:

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情況3,自身是黑色,子結點也是黑色,或者子結點是空葉子結點:

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這種情況最複雜,涉及到很多變化。首先我們還是按照二叉查找樹的删除操作,删除結點1:

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顯然,這條路徑上減少了一個黑色結點,而且結點2再怎麼變色也解決不了。

這時候我們進入第三步,專門解決父子雙黑的情況。

第三步:遇到雙黑結點,在子結點頂替父結點之後,分成6種子情況處理。

子情況1,結點2是紅黑樹的根結點:

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此時所有路徑都減少了一個黑色結點,并未打破規則,不需要調整。

子情況2,結點2的父親、兄弟、侄子結點都是黑色:

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此時,我們直接把結點2的兄弟結點B改為紅色:

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這樣一來,原本結點2所在的路徑少了一個黑色結點,現在結點B所在的路徑也少了一個黑色結點,兩邊“扯平”了。

可是,結點A以下的每一條路徑都減少了一個黑色結點,與結點A之外的其他路徑又造成了新的不平衡啊?

沒關系,我們讓結點A扮演原先結點2的角色,進行遞歸操作,重新判斷各種情況。

子情況3,結點2的兄弟結點是紅色:

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首先以結點2的父結點A為軸,進行左旋:

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然後結點A變成紅色、結點B變成黑色:

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這樣的意義是什麼呢?結點2所在的路徑仍然少一個黑色結點呀?

别急,這樣的變化有可能轉換成子情況4、5、6中的任意一種,在子情況4、5、6當中會進一步解決。

子情況4,結點2的父結點是紅色,兄弟和侄子結點是黑色:

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這種情況,我們直接讓結點2的父結點A變成黑色,兄弟結點B變成紅色:

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這樣一來,結點2的路徑補充了黑色結點,而結點B的路徑并沒有減少黑色結點,重新符合了紅黑樹的規則。

子情況5,結點2的父結點随意,兄弟結點B是黑色右孩子,左侄子結點是紅色,右侄子結點是黑色:

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這種情況下,首先以結點2的兄弟結點B為軸進行右旋:

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接下來結點B變為紅色,結點C變為黑色:

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這樣的變化轉換成了子情況6。

子情況6,結點2的父結點随意,兄弟結點B是黑色右孩子,右侄子結點是紅色:

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首先以結點2的父結點A為軸左旋:

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接下來讓結點A和結點B的顔色交換,并且結點D變為黑色:

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這樣是否解決了問題呢?

經過結點2的路徑由(随意+黑)變成了(随意+黑+黑),補充了一個黑色結點;

經過結點D的路徑由(随意+黑+紅)變成了(随意+黑),黑色結點并沒有減少。

是以,這時候重新符合了紅黑樹的規則。

以上就是紅黑樹删除的全過程。

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給定下面這顆紅黑樹,待删除的是結點17:

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第一步,由于結點17有兩個孩子,子樹當中僅大于17的結點是25,是以把結點25複制到17位置,保持黑色:

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接下來,我們需要删除原本的結點25:

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這個情況正好對應于第二步的情況三,即待删除結點是黑色,子結點是空葉子結點。

于是我們删除框框中結點25,進入第三步:

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此時,框框中的結點雖然是空葉子結點,但仍然可以用于判斷局面,目前局面符合子情況5的鏡像:

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于是我們通過左旋和變色,把子樹轉換成情況6的鏡像:

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再經過右旋、變色,子樹最終成為了下面的樣子:

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這樣一來,整顆二叉樹又重新符合了紅黑樹的規則。

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