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分类： C/C++
2015-12-04 09:49:41
红黑树C源码实现与剖析
作者：July 、那谁 时间：二零一一年一月三日
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前言：
红黑树作为一种经典而高级的数据结构，相信，已经被不少人实现过，但不是因为程序不够完善而无法运行，就是因为程序完全没有注释，初学者根本就看不懂。
此份红黑树的c源码最初从linux-lib-rbtree.c而来，后经一网友那谁（http://www.cppblog.com/converse/）用c写了出来。在此，向原作者表示敬意。但原来的程序存在没有任何一行注释。没有一行注释的程序，令程序的价值大打折扣。
所以，我特把这份源码放到了windows xp+vc 6.0上，一行一行的完善，一行一行的给它添加注释，至此，红黑树c带注释的源码，就摆在了您眼前，有不妥、不正之处，还望不吝指正。
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红黑树的六篇文章：
1、教你透彻了解红黑树 2、红黑树算法的实现与剖析 3、红黑树的c源码实现与剖析 4、一步一图一代码，R-B Tree 5、红黑树插入和删除结点的全程演示 6、红黑树的c++完整实现源码-------------------------
ok，咱们开始吧。
相信，经过我前俩篇博文对红黑树的介绍，你应该对红黑树有了透彻的理解了（没看过的朋友，可事先查上面的倆篇文章，或与此文的源码剖析对应着看）。
本套源码剖析把重点放在红黑树的3种插入情况，与红黑树的4种删除情况。其余的能从略则尽量简略。
目录：
一、左旋代码分析
二、右旋
三、红黑树查找结点
四、红黑树的插入
五、红黑树的3种插入情况
六、红黑树的删除
七、红黑树的4种删除情况
八、测试用例
好的，咱们还是先从树的左旋、右旋代码，开始（大部分分析，直接给注释）：
//一、左旋代码分析/*-----------------------------------------------------------| node right| / / ==> / /| a right node y| / / / / | b y a b //左旋-----------------------------------------------------------*/static rb_node_t* rb_rotate_left(rb_node_t* node, rb_node_t* root){ rb_node_t* right = node->right; //指定指针指向 right<--node->right if ((node->right = right->left)) { right->left->parent = node; //好比上面的注释图，node成为b的父母 } right->left = node; //node成为right的左孩子 if ((right->parent = node->parent)) { if (node == node->parent->right) { node->parent->right = right; } else { node->parent->left = right; } } else { root = right; } node->parent = right; //right成为node的父母 return root;}//二、右旋/*-----------------------------------------------------------| node left| / / / /| left y ==> a node| / / / /| a b b y //右旋与左旋差不多，分析略过-----------------------------------------------------------*/static rb_node_t* rb_rotate_right(rb_node_t* node, rb_node_t* root){ rb_node_t* left = node->left; if ((node->left = left->right)) { left->right->parent = node; } left->right = node; if ((left->parent = node->parent)) { if (node == node->parent->right) { node->parent->right = left; } else { node->parent->left = left; } } else { root = left; } node->parent = left; return root;}//三、红黑树查找结点//----------------------------------------------------//rb_search_auxiliary：查找//rb_node_t* rb_search：返回找到的结点//----------------------------------------------------static rb_node_t* rb_search_auxiliary(key_t key, rb_node_t* root, rb_node_t** save){ rb_node_t *node = root, *parent = NULL; int ret; while (node) { parent = node; ret = node->key - key; if (0 < ret) { node = node->left; } else if (0 > ret) { node = node->right; } else { return node; } } if (save) { *save = parent; } return NULL;}//返回上述rb_search_auxiliary查找结果rb_node_t* rb_search(key_t key, rb_node_t* root){ return rb_search_auxiliary(key, root, NULL);}//四、红黑树的插入//---------------------------------------------------------//红黑树的插入结点rb_node_t* rb_insert(key_t key, data_t data, rb_node_t* root){ rb_node_t *parent = NULL, *node; parent = NULL; if ((node = rb_search_auxiliary(key, root, &parent))) //调用rb_search_auxiliary找到插入结点的地方 { return root; } node = rb_new_node(key, data); //分配结点 node->parent = parent; node->left = node->right = NULL; node->color = RED; if (parent) { if (parent->key > key) { parent->left = node; } else { parent->right = node; } } else { root = node; } return rb_insert_rebalance(node, root); //插入结点后，调用rb_insert_rebalance修复红黑树的性质}//五、红黑树的3种插入情况//接下来，咱们重点分析针对红黑树插入的3种情况，而进行的修复工作。//--------------------------------------------------------------//红黑树修复插入的3种情况//为了在下面的注释中表示方便，也为了让下述代码与我的倆篇文章相对应，//用z表示当前结点，p[z]表示父母、p[p[z]]表示祖父、y表示叔叔。//--------------------------------------------------------------static rb_node_t* rb_insert_rebalance(rb_node_t *node, rb_node_t *root){ rb_node_t *parent, *gparent, *uncle, *tmp; //父母p[z]、祖父p[p[z]]、叔叔y、临时结点*tmp while ((parent = node->parent) && parent->color == RED) { //parent 为node的父母，且当父母的颜色为红时 gparent = parent->parent; //gparent为祖父 if (parent == gparent->left) //当祖父的左孩子即为父母时。 //其实上述几行语句，无非就是理顺孩子、父母、祖父的关系。:D。 { uncle = gparent->right; //定义叔叔的概念，叔叔y就是父母的右孩子。 if (uncle && uncle->color == RED) //情况1：z的叔叔y是红色的 { uncle->color = BLACK; //将叔叔结点y着为黑色 parent->color = BLACK; //z的父母p[z]也着为黑色。解决z，p[z]都是红色的问题。 gparent->color = RED; node = gparent; //将祖父当做新增结点z，指针z上移俩层，且着为红色。 //上述情况1中，只考虑了z作为父母的右孩子的情况。 } else //情况2：z的叔叔y是黑色的， { if (parent->right == node) //且z为右孩子 { root = rb_rotate_left(parent, root); //左旋[结点z，与父母结点] tmp = parent; parent = node; node = tmp; //parent与node 互换角色 } //情况3：z的叔叔y是黑色的，此时z成为了左孩子。 //注意，1：情况3是由上述情况2变化而来的。 //......2：z的叔叔总是黑色的，否则就是情况1了。 parent->color = BLACK; //z的父母p[z]着为黑色 gparent->color = RED; //原祖父结点着为红色 root = rb_rotate_right(gparent, root); //右旋[结点z，与祖父结点] } } else { //这部分是特别为情况1中，z作为左孩子情况，而写的。 uncle = gparent->left; //祖父的左孩子作为叔叔结点。[原理还是与上部分一样的] if (uncle && uncle->color == RED) //情况1：z的叔叔y是红色的 { uncle->color = BLACK; parent->color = BLACK; gparent->color = RED; node = gparent; //同上。 } else //情况2：z的叔叔y是黑色的， { if (parent->left == node) //且z为左孩子 { root = rb_rotate_right(parent, root); //以结点parent、root右旋 tmp = parent; parent = node; node = tmp; //parent与node 互换角色 } //经过情况2的变化，成为了情况3. parent->color = BLACK; gparent->color = RED; root = rb_rotate_left(gparent, root); //以结点gparent和root左旋 } } } root->color = BLACK; //根结点，不论怎样，都得置为黑色。 return root; //返回根结点。}//六、红黑树的删除//------------------------------------------------------------//红黑树的删除结点rb_node_t* rb_erase(key_t key, rb_node_t *root){ rb_node_t *child, *parent, *old, *left, *node; color_t color; if (!(node = rb_search_auxiliary(key, root, NULL))) //调用rb_search_auxiliary查找要删除的结点 { printf("key %d is not exist!/n"); return root; } old = node; if (node->left && node->right) { node = node->right; while ((left = node->left) != NULL) { node = left; } child = node->right; parent = node->parent; color = node->color; if (child) { child->parent = parent; } if (parent) { if (parent->left == node) { parent->left = child; } else { parent->right = child; } } else { root = child; } if (node->parent == old) { parent = node; } node->parent = old->parent; node->color = old->color; node->right = old->right; node->left = old->left; if (old->parent) { if (old->parent->left == old) { old->parent->left = node; } else { old->parent->right = node; } } else { root = node; } old->left->parent = node; if (old->right) { old->right->parent = node; } } else { if (!node->left) { child = node->right; } else if (!node->right) { child = node->left; } parent = node->parent; color = node->color; if (child) { child->parent = parent; } if (parent) { if (parent->left == node) { parent->left = child; } else { parent->right = child; } } else { root = child; } } free(old); if (color == BLACK) { root = rb_erase_rebalance(child, parent, root); //调用rb_erase_rebalance来恢复红黑树性质 } return root;}//七、红黑树的4种删除情况//----------------------------------------------------------------//红黑树修复删除的4种情况//为了表示下述注释的方便，也为了让下述代码与我的倆篇文章相对应，//x表示要删除的结点，*other、w表示兄弟结点，//----------------------------------------------------------------static rb_node_t* rb_erase_rebalance(rb_node_t *node, rb_node_t *parent, rb_node_t *root){ rb_node_t *other, *o_left, *o_right; //x的兄弟*other，兄弟左孩子*o_left,*o_right while ((!node || node->color == BLACK) && node != root) { if (parent->left == node) { other = parent->right; if (other->color == RED) //情况1：x的兄弟w是红色的 { other->color = BLACK; parent->color = RED; //上俩行，改变颜色，w->黑、p[x]->红。 root = rb_rotate_left(parent, root); //再对p[x]做一次左旋 other = parent->right; //x的新兄弟new w 是旋转之前w的某个孩子。其实就是左旋后的效果。 } if ((!other->left || other->left->color == BLACK) && (!other->right || other->right->color == BLACK)) //情况2：x的兄弟w是黑色，且w的俩个孩子也都是黑色的 { //由于w和w的俩个孩子都是黑色的，则在x和w上得去掉一黑色， other->color = RED; //于是，兄弟w变为红色。 node = parent; //p[x]为新结点x parent = node->parent; //x<-p[x] } else //情况3：x的兄弟w是黑色的， { //且，w的左孩子是红色，右孩子为黑色。 if (!other->right || other->right->color == BLACK) { if ((o_left = other->left)) //w和其左孩子left[w]，颜色交换。 { o_left->color = BLACK; //w的左孩子变为由黑->红色 } other->color = RED; //w由黑->红 root = rb_rotate_right(other, root); //再对w进行右旋，从而红黑性质恢复。 other = parent->right; //变化后的，父结点的右孩子，作为新的兄弟结点w。 } //情况4：x的兄弟w是黑色的 other->color = parent->color; //把兄弟节点染成当前节点父节点的颜色。 parent->color = BLACK; //把当前节点父节点染成黑色 if (other->right) //且w的右孩子是红 { other->right->color = BLACK; //兄弟节点w右孩子染成黑色 } root = rb_rotate_left(parent, root); //并再做一次左旋 node = root; //并把x置为根。 break; } } //下述情况与上述情况，原理一致。分析略。 else { other = parent->left; if (other->color == RED) { other->color = BLACK; parent->color = RED; root = rb_rotate_right(parent, root); other = parent->left; } if ((!other->left || other->left->color == BLACK) && (!other->right || other->right->color == BLACK)) { other->color = RED; node = parent; parent = node->parent; } else { if (!other->left || other->left->color == BLACK) { if ((o_right = other->right)) { o_right->color = BLACK; } other->color = RED; root = rb_rotate_left(other, root); other = parent->left; } other->color = parent->color; parent->color = BLACK; if (other->left) { other->left->color = BLACK; } root = rb_rotate_right(parent, root); node = root; break; } } } if (node) { node->color = BLACK; //最后将node[上述步骤置为了根结点]，改为黑色。 } return root; //返回root}//八、测试用例//主函数int main(){ int i, count = 100; key_t key; rb_node_t* root = NULL, *node = NULL; srand(time(NULL)); for (i = 1; i < count; ++i) { key = rand() % count; if ((root = rb_insert(key, i, root))) { printf("[i = %d] insert key %d success!/n", i, key); } else { printf("[i = %d] insert key %d error!/n", i, key); exit(-1); } if ((node = rb_search(key, root))) { printf("[i = %d] search key %d success!/n", i, key); } else { printf("[i = %d] search key %d error!/n", i, key); exit(-1); } if (!(i % 10)) { if ((root = rb_erase(key, root))) { printf("[i = %d] erase key %d success/n", i, key); } else { printf("[i = %d] erase key %d error/n", i, key); } } } return 0;}
后记：
一、欢迎任何人就此份源码，以及我的前述倆篇文章，进行讨论、提议。
但任何人，引用此份源码剖析，必须得注明作者本人July以及出处。
红黑树系列，已经写了三篇文章，相信，教你透彻了解红黑树的目的，应该达到了。
二、本文完整源码，请到此处下载：
1、教你透彻了解红黑树 2、红黑树算法的实现与剖析 3、红黑树的c源码实现与剖析 4、一步一图一代码，R-B Tree 5、红黑树插入和删除结点的全程演示 6、红黑树的c++完整实现源码
