Rot-schwarzer Baum

In diesem Tutorial erfahren Sie, was ein rot-schwarzer Baum ist. Außerdem finden Sie Arbeitsbeispiele für verschiedene Operationen, die an einem rot-schwarzen Baum in C, C ++, Java und Python ausgeführt werden.

Der Rot-Schwarz-Baum ist ein selbstausgleichender binärer Suchbaum, in dem jeder Knoten ein zusätzliches Bit zur Angabe der Farbe des Knotens enthält, entweder rot oder schwarz.

Ein rot-schwarzer Baum erfüllt die folgenden Eigenschaften:

  1. Rot / Schwarz-Eigenschaft: Jeder Knoten ist rot oder schwarz gefärbt.
  2. Root-Eigenschaft: Die Root ist schwarz.
  3. Blatteigenschaft: Jedes Blatt (NIL) ist schwarz.
  4. Rote Eigenschaft: Wenn ein roter Knoten Kinder hat, sind die Kinder immer schwarz.
  5. Tiefeneigenschaft: Für jeden Knoten hat jeder einfache Pfad von diesem Knoten zu einem seiner Nachkommenblätter dieselbe Schwarztiefe (die Anzahl der schwarzen Knoten).

Ein Beispiel für einen rot-schwarzen Baum ist:

Roter schwarzer Baum

Jeder Knoten hat die folgenden Attribute:

  • Farbe
  • Schlüssel
  • leftChild
  • rightChild
  • Eltern (außer Wurzelknoten)

Wie erhält der rot-schwarze Baum die Eigenschaft des Selbstausgleichs?

Die rot-schwarze Farbe dient zum Ausbalancieren des Baumes.

Die Einschränkungen der Knotenfarben stellen sicher, dass ein einfacher Pfad von der Wurzel zu einem Blatt nicht mehr als doppelt so lang ist wie ein anderer Pfad. Es hilft bei der Aufrechterhaltung der selbstausgleichenden Eigenschaft des rot-schwarzen Baums.

Operationen an einem rot-schwarzen Baum

Verschiedene Operationen, die an einem rot-schwarzen Baum ausgeführt werden können, sind:

Drehen der Teilbäume in einem rot-schwarzen Baum

Im Rotationsbetrieb werden die Positionen der Knoten eines Teilbaums vertauscht.

Die Rotationsoperation wird verwendet, um die Eigenschaften eines rot-schwarzen Baums beizubehalten, wenn sie durch andere Operationen wie das Einfügen und Löschen verletzt werden.

Es gibt zwei Arten von Rotationen:

Links drehen

Bei der Linksdrehung wird die Anordnung der Knoten auf der rechten Seite in die Anordnung auf dem linken Knoten umgewandelt.

Algorithmus

  1. Der Anfangsbaum sei: Anfangsbaum
  2. Wenn y einen linken Teilbaum hat, weisen Sie x als übergeordnetes Element des linken Teilbaums von y zu. Weisen Sie x als übergeordnetes Element des linken Teilbaums von y zu
  3. Wenn das übergeordnete Element von x ist NULL, machen Sie y als Wurzel des Baums.
  4. Andernfalls, wenn x das linke Kind von p ist, machen Sie y als das linke Kind von p.
  5. Andernfalls weisen Sie y als das richtige Kind von p zu. Ändern Sie das übergeordnete Element von x in das von y
  6. Machen Sie y zum übergeordneten Element von x. Weisen Sie y als übergeordnetes Element von x zu.

Rechts drehen

Bei der Rechtsdrehung wird die Anordnung der Knoten auf der linken Seite in die Anordnung auf dem rechten Knoten umgewandelt.

  1. Der Anfangsbaum sei: Anfangsbaum
  2. Wenn x einen rechten Teilbaum hat, weisen Sie y als übergeordnetes Element des rechten Teilbaums von x zu. Weisen Sie y als übergeordnetes Element des rechten Teilbaums von x zu
  3. Wenn das übergeordnete Element von y ist NULL, machen Sie x als Wurzel des Baums.
  4. Andernfalls, wenn y das richtige Kind seines Elternteils p ist, machen Sie x zum richtigen Kind von p.
  5. Andernfalls weisen Sie x als linkes Kind von p zu. Weisen Sie das übergeordnete Element von y dem übergeordneten Element von x zu
  6. Machen Sie x zum übergeordneten Element von y. Weisen Sie x als übergeordnetes Element von y zu

Links-rechts und rechts-links drehen

Bei der Links-Rechts-Drehung werden die Anordnungen zuerst nach links und dann nach rechts verschoben.

  1. Drehe links auf xy. Links xy drehen
  2. Drehe rechts auf yz. Rechts drehen zy

Bei der Drehung von rechts nach links werden die Anordnungen zuerst nach rechts und dann nach links verschoben.

  1. Drehe rechts auf xy. Rechts xy drehen
  2. Drehung nach links auf zy. Links zy drehen

Einfügen eines Elements in einen rot-schwarzen Baum

Beim Einfügen eines neuen Knotens wird der neue Knoten immer als ROTER Knoten eingefügt. Wenn der Baum nach dem Einfügen eines neuen Knotens die Eigenschaften des rot-schwarzen Baums verletzt, führen wir die folgenden Operationen aus.

  1. Neu einfärben
  2. Drehung

Algorithmus zum Einfügen eines Knotens

Die folgenden Schritte werden ausgeführt, um ein neues Element in einen rot-schwarzen Baum einzufügen:

  1. Sei y das Blatt (dh NIL) und x die Wurzel des Baumes.
  2. Überprüfen Sie, ob der Baum leer ist (dh ob x ist NIL). Wenn ja, fügen Sie newNode als Stammknoten ein und färben Sie ihn schwarz.
  3. Andernfalls wiederholen Sie die folgenden Schritte, bis leaf ( NIL) erreicht ist.
    1. Vergleichen Sie newKey mit rootKey.
    2. Wenn newKey größer als rootKey ist, durchlaufen Sie den rechten Teilbaum.
    3. Andernfalls durchqueren Sie den linken Teilbaum.
  4. Weisen Sie das übergeordnete Element des Blattes als übergeordnetes Element von newNode zu.
  5. Wenn leafKey größer als newKey ist, machen Sie newNode zu rightChild.
  6. Andernfalls machen Sie newNode als leftChild.
  7. Weisen Sie NULLnach links und rightChild von newNode.
  8. Weisen Sie newNode die Farbe ROT zu.
  9. Rufen Sie den InsertFix-Algorithmus auf, um die Eigenschaft des rot-schwarzen Baums bei Verletzung beizubehalten.

Warum sind neu eingefügte Knoten in einem rot-schwarzen Baum immer rot?

Dies liegt daran, dass das Einfügen eines roten Knotens die Tiefeneigenschaft eines rot-schwarzen Baums nicht verletzt.

Wenn Sie einen roten Knoten an einen roten Knoten anhängen, wird die Regel verletzt, aber es ist einfacher, dieses Problem zu beheben als das Problem, das durch die Verletzung der Tiefeneigenschaft entsteht.

Algorithmus zur Beibehaltung der rot-schwarzen Eigenschaft nach dem Einfügen

Dieser Algorithmus wird zum Beibehalten der Eigenschaft eines rot-schwarzen Baums verwendet, wenn das Einfügen eines neuen Knotens diese Eigenschaft verletzt.

  1. Gehen Sie wie folgt vor, während das übergeordnete Element von newNode p ROT ist.
  2. Wenn p das linke Kind von grandParent gP von z ist, gehen Sie wie folgt vor.
    Fall I:
    1. Wenn die Farbe des rechten Kindes von gP von z ROT ist, setzen Sie die Farbe sowohl der Kinder von gP als SCHWARZ als auch die Farbe von gP als ROT.
    2. Weisen Sie gP newNode zu.
      Fall II:
    3. Andernfalls, wenn newNode das richtige untergeordnete Element von p ist, weisen Sie newNode p zu.
    4. NewNode nach links drehen.
      Fall III:
    5. Stellen Sie die Farbe von p als SCHWARZ und die Farbe von gP als ROT ein.
    6. Rechts drehen gP.
  3. Andernfalls gehen Sie wie folgt vor.
    1. Wenn die Farbe des linken Kindes von gP von z ROT ist, setzen Sie die Farbe der beiden Kinder von gP auf SCHWARZ und die Farbe von gP auf ROT.
    2. Weisen Sie gP newNode zu.
    3. Andernfalls, wenn newNode das linke untergeordnete Element von p ist, weisen Sie newNode p zu und drehen Sie newNode nach rechts.
    4. Stellen Sie die Farbe von p als SCHWARZ und die Farbe von gP als ROT ein.
    5. GP nach links drehen.
  4. Setzen Sie die Wurzel des Baumes auf SCHWARZ.

Löschen eines Elements aus einem rot-schwarzen Baum

Diese Operation entfernt einen Knoten aus dem Baum. Nach dem Löschen eines Knotens bleibt die rot-schwarze Eigenschaft wieder erhalten.

Algorithmus zum Löschen eines Knotens

  1. Speichern Sie die Farbe von nodeToBeDeleted in origrinalColor.
  2. Wenn das linke untergeordnete Element von nodeToBeDeleted ist NULL
    1. Weisen Sie x das richtige untergeordnete Element von nodeToBeDeleted zu.
    2. Transplantieren Sie nodeToBeDeleted mit x.
  3. Andernfalls, wenn das richtige untergeordnete Element von nodeToBeDeleted ist NULL
    1. Weisen Sie das linke untergeordnete Element von nodeToBeDeleted in x zu.
    2. Transplantieren Sie nodeToBeDeleted mit x.
  4. Sonst
    1. Weisen Sie das Minimum des rechten Teilbaums von noteToBeDeleted in y zu.
    2. Speichern Sie die Farbe von y in originalColor.
    3. Weisen Sie x das rechte Kind von y zu.
    4. Wenn y ein untergeordnetes Element von nodeToBeDeleted ist, setzen Sie das übergeordnete Element von x auf y.
    5. Andernfalls transplantiere y mit rightChild of y.
    6. Transplantieren Sie nodeToBeDeleted mit y.
    7. Stellen Sie die Farbe von y mit originalColor ein.
  5. Wenn die Originalfarbe SCHWARZ ist, rufen Sie DeleteFix (x) auf.

Algorithmus zum Beibehalten der Rot-Schwarz-Eigenschaft nach dem Löschen

Dieser Algorithmus wird implementiert, wenn ein schwarzer Knoten gelöscht wird, da er die Eigenschaft der schwarzen Tiefe des rot-schwarzen Baums verletzt.

Diese Verletzung wird korrigiert, indem angenommen wird, dass der Knoten x (der die ursprüngliche Position von y einnimmt) ein zusätzliches Schwarz hat. Dies macht den Knoten x weder rot noch schwarz. Es ist entweder doppelt schwarz oder schwarz-rot. Dies verletzt die rot-schwarzen Eigenschaften.

Das Farbattribut von x wird jedoch nicht geändert, sondern das zusätzliche Schwarz wird in x dargestellt, die auf den Knoten zeigen.

Das zusätzliche Schwarz kann entfernt werden, wenn

  1. Es erreicht den Wurzelknoten.
  2. Wenn x auf einen rot-schwarzen Knoten zeigt. In diesem Fall ist x schwarz gefärbt.
  3. Geeignete Rotationen und Umfärbungen werden durchgeführt.

Der folgende Algorithmus behält die Eigenschaften eines rot-schwarzen Baums bei.

  1. Führen Sie die folgenden Schritte aus, bis das x nicht mehr die Wurzel des Baums ist und die Farbe von x SCHWARZ ist
  2. Wenn x das linke Kind seines Elternteils ist, dann
    1. Weisen Sie dem Geschwister von x w zu.
    2. Wenn das richtige Kind des Elternteils von x ROT ist,
      Fall I:
      1. Stellen Sie die Farbe des rechten untergeordneten Elements des übergeordneten Elements von x auf SCHWARZ ein.
      2. Stellen Sie die Farbe des übergeordneten Elements von x auf ROT ein.
      3. Drehen Sie das übergeordnete Element von x nach links.
      4. Weisen Sie w das rechte Kind des übergeordneten Elements von x zu.
    3. Wenn die Farbe sowohl des rechten als auch des linken Kindes von w SCHWARZ ist,
      Fall II:
      1. Stellen Sie die Farbe von w auf ROT ein
      2. Weisen Sie x das übergeordnete Element von x zu.
    4. Sonst, wenn die Farbe des rechten Kindes von w SCHWARZ ist
      Fall-III:
      1. Stellen Sie die Farbe des linken Kindes von w auf SCHWARZ ein
      2. Stellen Sie die Farbe von w auf ROT ein
      3. Rechts drehen w.
      4. Weisen Sie w das rechte Kind des übergeordneten Elements von x zu.
    5. Wenn einer der oben genannten Fälle nicht auftritt, gehen Sie wie folgt vor.
      Fall IV:
      1. Stellen Sie die Farbe von w als die Farbe des übergeordneten Elements von x ein.
      2. Stellen Sie die Farbe des übergeordneten Elements von x auf SCHWARZ ein.
      3. Stellen Sie die Farbe des rechten Kindes von w als SCHWARZ ein.
      4. Drehen Sie das übergeordnete Element von x nach links.
      5. Setzen Sie x als Wurzel des Baumes.
  3. Ansonsten das gleiche wie oben, wobei rechts nach links und umgekehrt geändert wurde.
  4. Stellen Sie die Farbe von x auf SCHWARZ ein.

Weitere Erläuterungen mit Beispielen finden Sie unter Einfüge- und Löschvorgänge.

Beispiele für Python, Java und C / C ++

Python Java C C ++ 
 # Implementing Red-Black Tree in Python import sys # Node creation class Node(): def __init__(self, item): self.item = item self.parent = None self.left = None self.right = None self.color = 1 class RedBlackTree(): def __init__(self): self.TNULL = Node(0) self.TNULL.color = 0 self.TNULL.left = None self.TNULL.right = None self.root = self.TNULL # Preorder def pre_order_helper(self, node): if node != TNULL: sys.stdout.write(node.item + " ") self.pre_order_helper(node.left) self.pre_order_helper(node.right) # Inorder def in_order_helper(self, node): if node != TNULL: self.in_order_helper(node.left) sys.stdout.write(node.item + " ") self.in_order_helper(node.right) # Postorder def post_order_helper(self, node): if node != TNULL: self.post_order_helper(node.left) self.post_order_helper(node.right) sys.stdout.write(node.item + " ") # Search the tree def search_tree_helper(self, node, key): if node == TNULL or key == node.item: return node if key < node.item: return self.search_tree_helper(node.left, key) return self.search_tree_helper(node.right, key) # Balancing the tree after deletion def delete_fix(self, x): while x != self.root and x.color == 0: if x == x.parent.left: s = x.parent.right if s.color == 1: s.color = 0 x.parent.color = 1 self.left_rotate(x.parent) s = x.parent.right if s.left.color == 0 and s.right.color == 0: s.color = 1 x = x.parent else: if s.right.color == 0: s.left.color = 0 s.color = 1 self.right_rotate(s) s = x.parent.right s.color = x.parent.color x.parent.color = 0 s.right.color = 0 self.left_rotate(x.parent) x = self.root else: s = x.parent.left if s.color == 1: s.color = 0 x.parent.color = 1 self.right_rotate(x.parent) s = x.parent.left if s.right.color == 0 and s.right.color == 0: s.color = 1 x = x.parent else: if s.left.color == 0: s.right.color = 0 s.color = 1 self.left_rotate(s) s = x.parent.left s.color = x.parent.color x.parent.color = 0 s.left.color = 0 self.right_rotate(x.parent) x = self.root x.color = 0 def __rb_transplant(self, u, v): if u.parent == None: self.root = v elif u == u.parent.left: u.parent.left = v else: u.parent.right = v v.parent = u.parent # Node deletion def delete_node_helper(self, node, key): z = self.TNULL while node != self.TNULL: if node.item == key: z = node if node.item <= key: node = node.right else: node = node.left if z == self.TNULL: print("Cannot find key in the tree") return y = z y_original_color = y.color if z.left == self.TNULL: x = z.right self.__rb_transplant(z, z.right) elif (z.right == self.TNULL): x = z.left self.__rb_transplant(z, z.left) else: y = self.minimum(z.right) y_original_color = y.color x = y.right if y.parent == z: x.parent = y else: self.__rb_transplant(y, y.right) y.right = z.right y.right.parent = y self.__rb_transplant(z, y) y.left = z.left y.left.parent = y y.color = z.color if y_original_color == 0: self.delete_fix(x) # Balance the tree after insertion def fix_insert(self, k): while k.parent.color == 1: if k.parent == k.parent.parent.right: u = k.parent.parent.left if u.color == 1: u.color = 0 k.parent.color = 0 k.parent.parent.color = 1 k = k.parent.parent else: if k == k.parent.left: k = k.parent self.right_rotate(k) k.parent.color = 0 k.parent.parent.color = 1 self.left_rotate(k.parent.parent) else: u = k.parent.parent.right if u.color == 1: u.color = 0 k.parent.color = 0 k.parent.parent.color = 1 k = k.parent.parent else: if k == k.parent.right: k = k.parent self.left_rotate(k) k.parent.color = 0 k.parent.parent.color = 1 self.right_rotate(k.parent.parent) if k == self.root: break self.root.color = 0 # Printing the tree def __print_helper(self, node, indent, last): if node != self.TNULL: sys.stdout.write(indent) if last: sys.stdout.write("R----") indent += " " else: sys.stdout.write("L----") indent += "| " s_color = "RED" if node.color == 1 else "BLACK" print(str(node.item) + "(" + s_color + ")") self.__print_helper(node.left, indent, False) self.__print_helper(node.right, indent, True) def preorder(self): self.pre_order_helper(self.root) def inorder(self): self.in_order_helper(self.root) def postorder(self): self.post_order_helper(self.root) def searchTree(self, k): return self.search_tree_helper(self.root, k) def minimum(self, node): while node.left != self.TNULL: node = node.left return node def maximum(self, node): while node.right != self.TNULL: node = node.right return node def successor(self, x): if x.right != self.TNULL: return self.minimum(x.right) y = x.parent while y != self.TNULL and x == y.right: x = y y = y.parent return y def predecessor(self, x): if (x.left != self.TNULL): return self.maximum(x.left) y = x.parent while y != self.TNULL and x == y.left: x = y y = y.parent return y def left_rotate(self, x): y = x.right x.right = y.left if y.left != self.TNULL: y.left.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == None: self.root = y elif x == x.parent.left: x.parent.left = y else: x.parent.right = y y.left = x x.parent = y def right_rotate(self, x): y = x.left x.left = y.right if y.right != self.TNULL: y.right.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == None: self.root = y elif x == x.parent.right: x.parent.right = y else: x.parent.left = y y.right = x x.parent = y def insert(self, key): node = Node(key) node.parent = None node.item = key node.left = self.TNULL node.right = self.TNULL node.color = 1 y = None x = self.root while x != self.TNULL: y = x if node.item < x.item: x = x.left else: x = x.right node.parent = y if y == None: self.root = node elif node.item < y.item: y.left = node else: y.right = node if node.parent == None: node.color = 0 return if node.parent.parent == None: return self.fix_insert(node) def get_root(self): return self.root def delete_node(self, item): self.delete_node_helper(self.root, item) def print_tree(self): self.__print_helper(self.root, "", True) if __name__ == "__main__": bst = RedBlackTree() bst.insert(55) bst.insert(40) bst.insert(65) bst.insert(60) bst.insert(75) bst.insert(57) bst.print_tree() print("After deleting an element") bst.delete_node(40) bst.print_tree() 
 // Implementing Red-Black Tree in Java class Node ( int data; Node parent; Node left; Node right; int color; ) public class RedBlackTree ( private Node root; private Node TNULL; // Preorder private void preOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( System.out.print(node.data + " "); preOrderHelper(node.left); preOrderHelper(node.right); ) ) // Inorder private void inOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( inOrderHelper(node.left); System.out.print(node.data + " "); inOrderHelper(node.right); ) ) // Post order private void postOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( postOrderHelper(node.left); postOrderHelper(node.right); System.out.print(node.data + " "); ) ) // Search the tree private Node searchTreeHelper(Node node, int key) ( if (node == TNULL || key == node.data) ( return node; ) if (key < node.data) ( return searchTreeHelper(node.left, key); ) return searchTreeHelper(node.right, key); ) // Balance the tree after deletion of a node private void fixDelete(Node x) ( Node s; while (x != root && x.color == 0) ( if (x == x.parent.left) ( s = x.parent.right; if (s.color == 1) ( s.color = 0; x.parent.color = 1; leftRotate(x.parent); s = x.parent.right; ) if (s.left.color == 0 && s.right.color == 0) ( s.color = 1; x = x.parent; ) else ( if (s.right.color == 0) ( s.left.color = 0; s.color = 1; rightRotate(s); s = x.parent.right; ) s.color = x.parent.color; x.parent.color = 0; s.right.color = 0; leftRotate(x.parent); x = root; ) ) else ( s = x.parent.left; if (s.color == 1) ( s.color = 0; x.parent.color = 1; rightRotate(x.parent); s = x.parent.left; ) if (s.right.color == 0 && s.right.color == 0) ( s.color = 1; x = x.parent; ) else ( if (s.left.color == 0) ( s.right.color = 0; s.color = 1; leftRotate(s); s = x.parent.left; ) s.color = x.parent.color; x.parent.color = 0; s.left.color = 0; rightRotate(x.parent); x = root; ) ) ) x.color = 0; ) private void rbTransplant(Node u, Node v) ( if (u.parent == null) ( root = v; ) else if (u == u.parent.left) ( u.parent.left = v; ) else ( u.parent.right = v; ) v.parent = u.parent; ) private void deleteNodeHelper(Node node, int key) ( Node z = TNULL; Node x, y; while (node != TNULL) ( if (node.data == key) ( z = node; ) if (node.data <= key) ( node = node.right; ) else ( node = node.left; ) ) if (z == TNULL) ( System.out.println("Couldn't find key in the tree"); return; ) y = z; int yOriginalColor = y.color; if (z.left == TNULL) ( x = z.right; rbTransplant(z, z.right); ) else if (z.right == TNULL) ( x = z.left; rbTransplant(z, z.left); ) else ( y = minimum(z.right); yOriginalColor = y.color; x = y.right; if (y.parent == z) ( x.parent = y; ) else ( rbTransplant(y, y.right); y.right = z.right; y.right.parent = y; ) rbTransplant(z, y); y.left = z.left; y.left.parent = y; y.color = z.color; ) if (yOriginalColor == 0) ( fixDelete(x); ) ) // Balance the node after insertion private void fixInsert(Node k) ( Node u; while (k.parent.color == 1) ( if (k.parent == k.parent.parent.right) ( u = k.parent.parent.left; if (u.color == 1) ( u.color = 0; k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; k = k.parent.parent; ) else ( if (k == k.parent.left) ( k = k.parent; rightRotate(k); ) k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; leftRotate(k.parent.parent); ) ) else ( u = k.parent.parent.right; if (u.color == 1) ( u.color = 0; k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; k = k.parent.parent; ) else ( if (k == k.parent.right) ( k = k.parent; leftRotate(k); ) k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; rightRotate(k.parent.parent); ) ) if (k == root) ( break; ) ) root.color = 0; ) private void printHelper(Node root, String indent, boolean last) ( if (root != TNULL) ( System.out.print(indent); if (last) ( System.out.print("R----"); indent += " "; ) else ( System.out.print("L----"); indent += "| "; ) String sColor = root.color == 1 ? "RED" : "BLACK"; System.out.println(root.data + "(" + sColor + ")"); printHelper(root.left, indent, false); printHelper(root.right, indent, true); ) ) public RedBlackTree() ( TNULL = new Node(); TNULL.color = 0; TNULL.left = null; TNULL.right = null; root = TNULL; ) public void preorder() ( preOrderHelper(this.root); ) public void inorder() ( inOrderHelper(this.root); ) public void postorder() ( postOrderHelper(this.root); ) public Node searchTree(int k) ( return searchTreeHelper(this.root, k); ) public Node minimum(Node node) ( while (node.left != TNULL) ( node = node.left; ) return node; ) public Node maximum(Node node) ( while (node.right != TNULL) ( node = node.right; ) return node; ) public Node successor(Node x) ( if (x.right != TNULL) ( return minimum(x.right); ) Node y = x.parent; while (y != TNULL && x == y.right) ( x = y; y = y.parent; ) return y; ) public Node predecessor(Node x) ( if (x.left != TNULL) ( return maximum(x.left); ) Node y = x.parent; while (y != TNULL && x == y.left) ( x = y; y = y.parent; ) return y; ) public void leftRotate(Node x) ( Node y = x.right; x.right = y.left; if (y.left != TNULL) ( y.left.parent = x; ) y.parent = x.parent; if (x.parent == null) ( this.root = y; ) else if (x == x.parent.left) ( x.parent.left = y; ) else ( x.parent.right = y; ) y.left = x; x.parent = y; ) public void rightRotate(Node x) ( Node y = x.left; x.left = y.right; if (y.right != TNULL) ( y.right.parent = x; ) y.parent = x.parent; if (x.parent == null) ( this.root = y; ) else if (x == x.parent.right) ( x.parent.right = y; ) else ( x.parent.left = y; ) y.right = x; x.parent = y; ) public void insert(int key) ( Node node = new Node(); node.parent = null; node.data = key; node.left = TNULL; node.right = TNULL; node.color = 1; Node y = null; Node x = this.root; while (x != TNULL) ( y = x; if (node.data < x.data) ( x = x.left; ) else ( x = x.right; ) ) node.parent = y; if (y == null) ( root = node; ) else if (node.data < y.data) ( y.left = node; ) else ( y.right = node; ) if (node.parent == null) ( node.color = 0; return; ) if (node.parent.parent == null) ( return; ) fixInsert(node); ) public Node getRoot() ( return this.root; ) public void deleteNode(int data) ( deleteNodeHelper(this.root, data); ) public void printTree() ( printHelper(this.root, "", true); ) public static void main(String() args) ( RedBlackTree bst = new RedBlackTree(); bst.insert(55); bst.insert(40); bst.insert(65); bst.insert(60); bst.insert(75); bst.insert(57); bst.printTree(); System.out.println("After deleting:"); bst.deleteNode(40); bst.printTree(); ) )
 // Implementing Red-Black Tree in C #include #include enum nodeColor ( RED, BLACK ); struct rbNode ( int data, color; struct rbNode *link(2); ); struct rbNode *root = NULL; // Create a red-black tree struct rbNode *createNode(int data) ( struct rbNode *newnode; newnode = (struct rbNode *)malloc(sizeof(struct rbNode)); newnode->data = data; newnode->color = RED; newnode->link(0) = newnode->link(1) = NULL; return newnode; ) // Insert an node void insertion(int data) ( struct rbNode *stack(98), *ptr, *newnode, *xPtr, *yPtr; int dir(98), ht = 0, index; ptr = root; if (!root) ( root = createNode(data); return; ) stack(ht) = root; dir(ht++) = 0; while (ptr != NULL) ( if (ptr->data == data) ( printf("Duplicates Not Allowed!!"); return; ) index = (data - ptr->data)> 0 ? 1 : 0; stack(ht) = ptr; ptr = ptr->link(index); dir(ht++) = index; ) stack(ht - 1)->link(index) = newnode = createNode(data); while ((ht>= 3) && (stack(ht - 1)->color == RED)) ( if (dir(ht - 2) == 0) ( yPtr = stack(ht - 2)->link(1); if (yPtr != NULL && yPtr->color == RED) ( stack(ht - 2)->color = RED; stack(ht - 1)->color = yPtr->color = BLACK; ht = ht - 2; ) else ( if (dir(ht - 1) == 0) ( yPtr = stack(ht - 1); ) else ( xPtr = stack(ht - 1); yPtr = xPtr->link(1); xPtr->link(1) = yPtr->link(0); yPtr->link(0) = xPtr; stack(ht - 2)->link(0) = yPtr; ) xPtr = stack(ht - 2); xPtr->color = RED; yPtr->color = BLACK; xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = xPtr; if (xPtr == root) ( root = yPtr; ) else ( stack(ht - 3)->link(dir(ht - 3)) = yPtr; ) break; ) ) else ( yPtr = stack(ht - 2)->link(0); if ((yPtr != NULL) && (yPtr->color == RED)) ( stack(ht - 2)->color = RED; stack(ht - 1)->color = yPtr->color = BLACK; ht = ht - 2; ) else ( if (dir(ht - 1) == 1) ( yPtr = stack(ht - 1); ) else ( xPtr = stack(ht - 1); yPtr = xPtr->link(0); xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = xPtr; stack(ht - 2)->link(1) = yPtr; ) xPtr = stack(ht - 2); yPtr->color = BLACK; xPtr->color = RED; xPtr->link(1) = yPtr->link(0); yPtr->link(0) = xPtr; if (xPtr == root) ( root = yPtr; ) else ( stack(ht - 3)->link(dir(ht - 3)) = yPtr; ) break; ) ) ) root->color = BLACK; ) // Delete a node void deletion(int data) ( struct rbNode *stack(98), *ptr, *xPtr, *yPtr; struct rbNode *pPtr, *qPtr, *rPtr; int dir(98), ht = 0, diff, i; enum nodeColor color; if (!root) ( printf("Tree not available"); return; ) ptr = root; while (ptr != NULL) ( if ((data - ptr->data) == 0) break; diff = (data - ptr->data)> 0 ? 1 : 0; stack(ht) = ptr; dir(ht++) = diff; ptr = ptr->link(diff); ) if (ptr->link(1) == NULL) ( if ((ptr == root) && (ptr->link(0) == NULL)) ( free(ptr); root = NULL; ) else if (ptr == root) ( root = ptr->link(0); free(ptr); ) else ( stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)) = ptr->link(0); ) ) else ( xPtr = ptr->link(1); if (xPtr->link(0) == NULL) ( xPtr->link(0) = ptr->link(0); color = xPtr->color; xPtr->color = ptr->color; ptr->color = color; if (ptr == root) ( root = xPtr; ) else ( stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)) = xPtr; ) dir(ht) = 1; stack(ht++) = xPtr; ) else ( i = ht++; while (1) ( dir(ht) = 0; stack(ht++) = xPtr; yPtr = xPtr->link(0); if (!yPtr->link(0)) break; xPtr = yPtr; ) dir(i) = 1; stack(i) = yPtr; if (i> 0) stack(i - 1)->link(dir(i - 1)) = yPtr; yPtr->link(0) = ptr->link(0); xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = ptr->link(1); if (ptr == root) ( root = yPtr; ) color = yPtr->color; yPtr->color = ptr->color; ptr->color = color; ) ) if (ht color == BLACK) ( while (1) ( pPtr = stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)); if (pPtr && pPtr->color == RED) ( pPtr->color = BLACK; break; ) if (ht link(1); if (!rPtr) break; if (rPtr->color == RED) ( stack(ht - 1)->color = RED; rPtr->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(1) = rPtr->link(0); rPtr->link(0) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) dir(ht) = 0; stack(ht) = stack(ht - 1); stack(ht - 1) = rPtr; ht++; rPtr = stack(ht - 1)->link(1); ) if ((!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) && (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK)) ( rPtr->color = RED; ) else ( if (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK) ( qPtr = rPtr->link(0); rPtr->color = RED; qPtr->color = BLACK; rPtr->link(0) = qPtr->link(1); qPtr->link(1) = rPtr; rPtr = stack(ht - 1)->link(1) = qPtr; ) rPtr->color = stack(ht - 1)->color; stack(ht - 1)->color = BLACK; rPtr->link(1)->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(1) = rPtr->link(0); rPtr->link(0) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) break; ) ) else ( rPtr = stack(ht - 1)->link(0); if (!rPtr) break; if (rPtr->color == RED) ( stack(ht - 1)->color = RED; rPtr->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(0) = rPtr->link(1); rPtr->link(1) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) dir(ht) = 1; stack(ht) = stack(ht - 1); stack(ht - 1) = rPtr; ht++; rPtr = stack(ht - 1)->link(0); ) if ((!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) && (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK)) ( rPtr->color = RED; ) else ( if (!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) ( qPtr = rPtr->link(1); rPtr->color = RED; qPtr->color = BLACK; rPtr->link(1) = qPtr->link(0); qPtr->link(0) = rPtr; rPtr = stack(ht - 1)->link(0) = qPtr; ) rPtr->color = stack(ht - 1)->color; stack(ht - 1)->color = BLACK; rPtr->link(0)->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(0) = rPtr->link(1); rPtr->link(1) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) break; ) ) ht--; ) ) ) // Print the inorder traversal of the tree void inorderTraversal(struct rbNode *node) ( if (node) ( inorderTraversal(node->link(0)); printf("%d ", node->data); inorderTraversal(node->link(1)); ) return; ) // Driver code int main() ( int ch, data; while (1) ( printf("1. Insertion 2. Deletion"); printf("3. Traverse 4. Exit"); printf("Enter your choice:"); scanf("%d", &ch); switch (ch) ( case 1: printf("Enter the element to insert:"); scanf("%d", &data); insertion(data); break; case 2: printf("Enter the element to delete:"); scanf("%d", &data); deletion(data); break; case 3: inorderTraversal(root); printf(""); break; case 4: exit(0); default: printf("Not available"); break; ) printf(""); ) return 0; )
 // Implementing Red-Black Tree in C++ #include using namespace std; struct Node ( int data; Node *parent; Node *left; Node *right; int color; ); typedef Node *NodePtr; class RedBlackTree ( private: NodePtr root; NodePtr TNULL; void initializeNULLNode(NodePtr node, NodePtr parent) ( node->data = 0; node->parent = parent; node->left = nullptr; node->right = nullptr; node->color = 0; ) // Preorder void preOrderHelper(NodePtr node) ( if (node != TNULL) ( cout right); ) ) // Inorder void inOrderHelper(NodePtr node) ( if (node != TNULL) ( inOrderHelper(node->left); cout left); postOrderHelper(node->right); cout left, key); ) return searchTreeHelper(node->right, key); ) // For balancing the tree after deletion void deleteFix(NodePtr x) ( NodePtr s; while (x != root && x->color == 0) ( if (x == x->parent->left) ( s = x->parent->right; if (s->color == 1) ( s->color = 0; x->parent->color = 1; leftRotate(x->parent); s = x->parent->right; ) if (s->left->color == 0 && s->right->color == 0) ( s->color = 1; x = x->parent; ) else ( if (s->right->color == 0) ( s->left->color = 0; s->color = 1; rightRotate(s); s = x->parent->right; ) s->color = x->parent->color; x->parent->color = 0; s->right->color = 0; leftRotate(x->parent); x = root; ) ) else ( s = x->parent->left; if (s->color == 1) ( s->color = 0; x->parent->color = 1; rightRotate(x->parent); s = x->parent->left; ) if (s->right->color == 0 && s->right->color == 0) ( s->color = 1; x = x->parent; ) else ( if (s->left->color == 0) ( s->right->color = 0; s->color = 1; leftRotate(s); s = x->parent->left; ) s->color = x->parent->color; x->parent->color = 0; s->left->color = 0; rightRotate(x->parent); x = root; ) ) ) x->color = 0; ) void rbTransplant(NodePtr u, NodePtr v) ( if (u->parent == nullptr) ( root = v; ) else if (u == u->parent->left) ( u->parent->left = v; ) else ( u->parent->right = v; ) v->parent = u->parent; ) void deleteNodeHelper(NodePtr node, int key) ( NodePtr z = TNULL; NodePtr x, y; while (node != TNULL) ( if (node->data == key) ( z = node; ) if (node->data right; ) else ( node = node->left; ) ) if (z == TNULL) ( cout << "Key not found in the tree"  left == TNULL) ( x = z->right; rbTransplant(z, z->right); ) else if (z->right == TNULL) ( x = z->left; rbTransplant(z, z->left); ) else ( y = minimum(z->right); y_original_color = y->color; x = y->right; if (y->parent == z) ( x->parent = y; ) else ( rbTransplant(y, y->right); y->right = z->right; y->right->parent = y; ) rbTransplant(z, y); y->left = z->left; y->left->parent = y; y->color = z->color; ) delete z; if (y_original_color == 0) ( deleteFix(x); ) ) // For balancing the tree after insertion void insertFix(NodePtr k) ( NodePtr u; while (k->parent->color == 1) ( if (k->parent == k->parent->parent->right) ( u = k->parent->parent->left; if (u->color == 1) ( u->color = 0; k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; k = k->parent->parent; ) else ( if (k == k->parent->left) ( k = k->parent; rightRotate(k); ) k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; leftRotate(k->parent->parent); ) ) else ( u = k->parent->parent->right; if (u->color == 1) ( u->color = 0; k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; k = k->parent->parent; ) else ( if (k == k->parent->right) ( k = k->parent; leftRotate(k); ) k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; rightRotate(k->parent->parent); ) ) if (k == root) ( break; ) ) root->color = 0; ) void printHelper(NodePtr root, string indent, bool last) ( if (root != TNULL) ( cout << indent; if (last) ( cout << "R----"; indent += " "; ) else ( cout  right, indent, true); ) ) public: RedBlackTree() ( TNULL = new Node; TNULL->color = 0; TNULL->left = nullptr; TNULL->right = nullptr; root = TNULL; ) void preorder() ( preOrderHelper(this->root); ) void inorder() ( inOrderHelper(this->root); ) void postorder() ( postOrderHelper(this->root); ) NodePtr searchTree(int k) ( return searchTreeHelper(this->root, k); ) NodePtr minimum(NodePtr node) ( while (node->left != TNULL) ( node = node->left; ) return node; ) NodePtr maximum(NodePtr node) ( while (node->right != TNULL) ( node = node->right; ) return node; ) NodePtr successor(NodePtr x) ( if (x->right != TNULL) ( return minimum(x->right); ) NodePtr y = x->parent; while (y != TNULL && x == y->right) ( x = y; y = y->parent; ) return y; ) NodePtr predecessor(NodePtr x) ( if (x->left != TNULL) ( return maximum(x->left); ) NodePtr y = x->parent; while (y != TNULL && x == y->left) ( x = y; y = y->parent; ) return y; ) void leftRotate(NodePtr x) ( NodePtr y = x->right; x->right = y->left; if (y->left != TNULL) ( y->left->parent = x; ) y->parent = x->parent; if (x->parent == nullptr) ( this->root = y; ) else if (x == x->parent->left) ( x->parent->left = y; ) else ( x->parent->right = y; ) y->left = x; x->parent = y; ) void rightRotate(NodePtr x) ( NodePtr y = x->left; x->left = y->right; if (y->right != TNULL) ( y->right->parent = x; ) y->parent = x->parent; if (x->parent == nullptr) ( this->root = y; ) else if (x == x->parent->right) ( x->parent->right = y; ) else ( x->parent->left = y; ) y->right = x; x->parent = y; ) // Inserting a node void insert(int key) ( NodePtr node = new Node; node->parent = nullptr; node->data = key; node->left = TNULL; node->right = TNULL; node->color = 1; NodePtr y = nullptr; NodePtr x = this->root; while (x != TNULL) ( y = x; if (node->data data) ( x = x->left; ) else ( x = x->right; ) ) node->parent = y; if (y == nullptr) ( root = node; ) else if (node->data data) ( y->left = node; ) else ( y->right = node; ) if (node->parent == nullptr) ( node->color = 0; return; ) if (node->parent->parent == nullptr) ( return; ) insertFix(node); ) NodePtr getRoot() ( return this->root; ) void deleteNode(int data) ( deleteNodeHelper(this->root, data); ) void printTree() ( if (root) ( printHelper(this->root, "", true); ) ) ); int main() ( RedBlackTree bst; bst.insert(55); bst.insert(40); bst.insert(65); bst.insert(60); bst.insert(75); bst.insert(57); bst.printTree(); cout << endl << "After deleting" << endl; bst.deleteNode(40); bst.printTree(); )

Rot-Schwarz-Baum-Anwendungen

  1. Endliche Karten implementieren
  2. So implementieren Sie Java-Pakete: java.util.TreeMapundjava.util.TreeSet
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