学习红黑树的概念及利用python代码实现红黑树三种操作和扩张

时间: 2023-11-19 18:56:34 浏览: 81
红黑树是一种自平衡二叉查找树,它保证了在最坏情况下基本动态集合操作的时间复杂度为O(log n)。红黑树的每个节点都有一个颜色属性,可以是红色或黑色。红黑树满足以下5个性质: 1. 每个节点要么是红色,要么是黑色。 2. 根节点是黑色。 3. 每个叶子节点(NIL节点,空节点)是黑色的。 4. 如果一个节点是红色的,则它的两个子节点都是黑色的。 5. 对于每个节点,从该节点到其所有后代叶子节点的简单路径上,均包含相同数目的黑色节点。 红黑树的三种操作包括插入、删除和查找。插入和删除操作需要通过旋转和颜色修改来保证红黑树的性质不被破坏。以下是Python代码实现红黑树的三种操作和扩张: ```python class Node: def __init__(self, key): self.key = key self.left = None self.right = None self.parent = None self.color = 1 class RedBlackTree: def __init__(self): self.null_node = Node(0) self.null_node.color = 0 self.null_node.left = None self.null_node.right = None self.root = self.null_node def left_rotate(self, x): y = x.right x.right = y.left if y.left != self.null_node: y.left.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == self.null_node: 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.null_node: y.right.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == self.null_node: 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.key = key node.left = self.null_node node.right = self.null_node node.color = 1 y = None x = self.root while x != self.null_node: y = x if node.key < x.key: x = x.left else: x = x.right node.parent = y if y == None: self.root = node elif node.key < y.key: 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 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 def get_root(self): return self.root def search_tree(self, node, key): if node == self.null_node or key == node.key: return node if key < node.key: return self.search_tree(node.left, key) return self.search_tree(node.right, key) def find_kth_smallest(self, node, k): left_size = node.left.size if node.left else 0 if k <= left_size: return self.find_kth_smallest(node.left, k) elif k == left_size + 1: return node else: return self.find_kth_smallest(node.right, k - left_size - 1) def size(self, node): if node == self.null_node: return 0 return 1 + self.size(node.left) + self.size(node.right) def insert_node(self, node): y = None x = self.root while x != self.null_node: y = x if node.key < x.key: x = x.left else: x = x.right node.parent = y if y == None: self.root = node elif node.key < y.key: y.left = node else: y.right = node node.left = self.null_node node.right = self.null_node node.color = 1 if node.parent == None: node.color = 0 return if node.parent.parent == None: return self.fix_insert(node) # 扩展:红黑树的删除操作 def delete_node(self, node): if node == self.null_node: return y = node y_original_color = y.color if node.left == self.null_node: x = node.right self.transplant(node, node.right) elif node.right == self.null_node: x = node.left self.transplant(node, node.left) else: y = self.minimum(node.right) y_original_color = y.color x = y.right if y.parent == node: x.parent = y else: self.transplant(y, y.right) y.right = node.right y.right.parent = y self.transplant(node, y) y.left = node.left y.left.parent = y y.color = node.color if y_original_color == 0: self.fix_delete(x) def fix_delete(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 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 def minimum(self, node): while node.left != self.null_node: node = node.left return node # 示例 tree = RedBlackTree() tree.insert_node(Node(10)) tree.insert_node(Node(20)) tree.insert_node(Node(30)) tree.insert_node(Node(100)) tree.insert_node(Node(90)) tree.insert_node(Node(40)) tree.insert_node(Node(50)) tree.insert_node(Node(60)) tree.insert_node(Node(70)) tree.insert_node(Node(80)) print(tree.find_kth_smallest(tree.get_root(), 3).key) # 输出30 --相关问题--:
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