Красно-черные деревья - один из способов балансировки деревьев. Название происходит от стандартной раскраски узлов таких деревьев в красный и черный цвета. Цвета узлов используются при балансировке дерева. Во время операций вставки и удаления поддеревья может понадобиться повернуть, чтобы достигнуть сбалансированности дерева. Оценкой как среднего время, так и наихудшего является O(log n).

Прекрасно написанные разделы о красно-черных деревьях вы найдете у Кормена-Ривеста-Лейзертона в их талмуде об алгоритмах.

Теория

• Красно-черное дерево - это бинарное дерево с следующими свойствами:
• Каждый узел покрашен либо в черный, либо в красный цвет.
  Листьями объявляются NIL-узлы (т.е. "виртуальные" узлы, наследники узлов, которые обычно называют листьями; на них "указывают" NULL указатели). Листья покрашены в черный цвет.
• Если узел красный, то оба его потомка черны.
• На всех ветвях дерева, ведущих от его корня к листьям, число черных узлов одинаково.

Количество черных узлов на ветви от корня до листа называется черной высотой дерева. Перечисленные свойства гарантируют, что самая длинная ветвь от корня к листу не более чем вдвое длиннее любой другой ветви от корня к листу. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим дерево с черной высотой 2. Кратчайшее возможное расстояние от корня до листа равно двум - когда оба узла черные. Длиннейшее расстояние от корня до листа равно четырем - узлы при этом покрашены (от корня к листу) так: красный, черный, красный, черный. Сюда нельзя добавить черные узлы, поскольку при этом нарушится свойство 4, из которого вытекает корректность понятия черной высоты. Поскольку согласно свойству 3 у красных узлов непременно черные наследники, в подобной последовательности недопустимы и два красных узла подряд. Таким образом, длиннейший путь, который мы можем сконструировать, состоит из чередования красных и черных узлов, что и приводит нас к удвоенной длине пути, проходящего только через черные узлы. Все операции над деревом должны уметь работать с перечисленными свойствами. В частности, при вставке и удалении эти свойства должны сохраниться.

Вставка

Чтобы вставить узел, мы сначала ищем в дереве место, куда его следует добавить. Новый узел всегда добавляется как лист, поэтому оба его потомка являются NIL-узлами и предполагаются черными. После вставки красим узел в красный цвет. После этого смотрим на предка и проверяем, не нарушается ли красно-черное свойство. Если необходимо, мы перекрашиваем узел и производим поворот, чтобы сбалансировать дерево.

Вставив красный узел с двумя NIL-потомками, мы сохраняем свойство черной высоты (свойство 4). Однако, при этом может оказаться нарушенным свойство 3, согласно которому оба потомка красного узла обязательно черны. В нашем случае оба потомка нового узла черны по определению (поскольку они являются NIL-узлами), так что рассмотрим ситуацию, когда предок нового узла красный: при этом будет нарушено свойство 3. Достаточно рассмотреть следующие два случая:

• Красный предок, красный "дядя": Ситуацию красный-красный иллюстрирует рис. 1. У нового узла X предок и "дядя" оказались красными. Простое перекрашивание избавляет нас от красно-красного нарушения. После перекраски нужно проверить "дедушку" нового узла (узел B), поскольку он может оказаться красным. Обратите внимание на распространение влияния красного узла на верхние узлы дерева. В самом конце корень мы красим в черный цвет корень дерева. Если он был красным, то при этом увеличивается черная высота дерева.
• Красный предок, черный "дядя": На рис. 3.7 представлен другой вариант красно-красного нарушения - "дядя" нового узла оказался черным. Здесь узлы может понадобиться вращать, чтобы скорректировать поддеревья. В этом месте алгоритм может остановиться из-за отсутствия красно-красных конфликтов и вершина дерева (узел A) окрашивается в черный цвет. Обратите внимание, что если узел X был в начале правым потомком, то первым применяется левое вращение, которое делает этот узел левым потомком.

Каждая корректировка, производимая при вставке узла, заставляет нас подняться в дереве на один шаг. В этом случае до остановки алгоритма будет сделано 1 вращение (2, если узел был правым потомком). Метод удаления аналогичен.

Рис. 1: Вставка - Красный предок, красный "дядя

Рис. 2: Вставка - красный предок, черный "дядя"

Реализация

Операторы typedef T, а также сравнивающие compLT и compEQ следует изменить так, чтобы они соответствовали данным, хранимым в узлах дерева. В каждом узле типа Node хранятся указатели left, right на двух потомков и parent на предка. Цвет узла хранится в поле color и может быть либо RED, либо BLACK. Собственно данные хранятся в поле data. Все листья дерева являются "сторожевыми" (sentinel), что сильно упрощает коды. Узел root является корнем дерева и в самом начале является сторожевым.

Функция insertNode запрашивает память под новый узел, устанавливает нужные значения его полей и вставляет в дерево. Соответственно, она вызывает insertFixup, которая следит за сохранением красно-черных свойств. Функция deleteNode удаляет узел из дерева. Она вызывает deleteFixup, которая восстанавливает красно-черные свойства. Функция findNode ищет в дереве нужный узел.

 
/* red-black tree */

#include 
#include 
#include 
#include 


typedef int T;                  /* type of item to be stored */
#define compLT(a,b) (a < b)
#define compEQ(a,b) (a == b)

/* Red-Black tree description */
typedef enum { BLACK, RED } nodeColor;

typedef struct Node_ {
    struct Node_ *left;         /* left child */
    struct Node_ *right;        /* right child */
    struct Node_ *parent;       /* parent */
    nodeColor color;            /* node color (BLACK, RED) */
    T data;                     /* data stored in node */
} Node;

#define NIL &sentinel           /* all leafs are sentinels */
Node sentinel = { NIL, NIL, 0, BLACK, 0};

Node *root = NIL;               /* root of Red-Black tree */

void rotateLeft(Node *x) {

   /**************************
    *  rotate node x to left *
    **************************/

    Node *y = x->right;

    /* establish x->right link */
    x->right = y->left;
    if (y->left != NIL) y->left->parent = x;

    /* establish y->parent link */
    if (y != NIL) y->parent = x->parent;
    if (x->parent) {
        if (x == x->parent->left)
            x->parent->left = y;
        else
            x->parent->right = y;
    } else {
        root = y;
    }

    /* link x and y */
    y->left = x;
    if (x != NIL) x->parent = y;
}

void rotateRight(Node *x) {

   /****************************
    *  rotate node x to right  *
    ****************************/

    Node *y = x->left;

    /* establish x->left link */
    x->left = y->right;
    if (y->right != NIL) y->right->parent = x;

    /* establish y->parent link */
    if (y != NIL) y->parent = x->parent;
    if (x->parent) {
        if (x == x->parent->right)
            x->parent->right = y;
        else
            x->parent->left = y;
    } else {
        root = y;
    }

    /* link x and y */
    y->right = x;
    if (x != NIL) x->parent = y;
}

void insertFixup(Node *x) {

   /*************************************
    *  maintain Red-Black tree balance  *
    *  after inserting node x           *
    *************************************/

    /* check Red-Black properties */
    while (x != root && x->parent->color == RED) {
        /* we have a violation */
        if (x->parent == x->parent->parent->left) {
            Node *y = x->parent->parent->right;
            if (y->color == RED) {

                /* uncle is RED */
                x->parent->color = BLACK;
                y->color = BLACK;
                x->parent->parent->color = RED;
                x = x->parent->parent;
            } else {

                /* uncle is BLACK */
                if (x == x->parent->right) {
                    /* make x a left child */
                    x = x->parent;
                    rotateLeft(x);
                }

                /* recolor and rotate */
                x->parent->color = BLACK;
                x->parent->parent->color = RED;
                rotateRight(x->parent->parent);
            }
        } else {

            /* mirror image of above code */
            Node *y = x->parent->parent->left;
            if (y->color == RED) {

                /* uncle is RED */
                x->parent->color = BLACK;
                y->color = BLACK;
                x->parent->parent->color = RED;
                x = x->parent->parent;
            } else {

                /* uncle is BLACK */
                if (x == x->parent->left) {
                    x = x->parent;
                    rotateRight(x);
                }
                x->parent->color = BLACK;
                x->parent->parent->color = RED;
                rotateLeft(x->parent->parent);
            }
        }
    }
    root->color = BLACK;
}

Node *insertNode(T data) {
    Node *current, *parent, *x;

   /***********************************************
    *  allocate node for data and insert in tree  *
    ***********************************************/

    /* find where node belongs */
    current = root;
    parent = 0;
    while (current != NIL) {
        if (compEQ(data, current->data)) return (current);
        parent = current;
        current = compLT(data, current->data) ?
            current->left : current->right;
    }

    /* setup new node */
    if ((x = malloc (sizeof(*x))) == 0) {
        printf ("insufficient memory (insertNode)\n");
        exit(1);
    }
    x->data = data;
    x->parent = parent;
    x->left = NIL;
    x->right = NIL;
    x->color = RED;

    /* insert node in tree */
    if(parent) {
        if(compLT(data, parent->data))
            parent->left = x;
        else
            parent->right = x;
    } else {
        root = x;
    }

    insertFixup(x);
    return(x);
}

void deleteFixup(Node *x) {

   /*************************************
    *  maintain Red-Black tree balance  *
    *  after deleting node x            *
    *************************************/

    while (x != root && x->color == BLACK) {
        if (x == x->parent->left) {
            Node *w = x->parent->right;
            if (w->color == RED) {
                w->color = BLACK;
                x->parent->color = RED;
                rotateLeft (x->parent);
                w = x->parent->right;
            }
            if (w->left->color == BLACK && w->right->color == BLACK) {
                w->color = RED;
                x = x->parent;
            } else {
                if (w->right->color == BLACK) {
                    w->left->color = BLACK;
                    w->color = RED;
                    rotateRight (w);
                    w = x->parent->right;
                }
                w->color = x->parent->color;
                x->parent->color = BLACK;
                w->right->color = BLACK;
                rotateLeft (x->parent);
                x = root;
            }
        } else {
            Node *w = x->parent->left;
            if (w->color == RED) {
                w->color = BLACK;
                x->parent->color = RED;
                rotateRight (x->parent);
                w = x->parent->left;
            }
            if (w->right->color == BLACK && w->left->color == BLACK) {
                w->color = RED;
                x = x->parent;
            } else {
                if (w->left->color == BLACK) {
                    w->right->color = BLACK;
                    w->color = RED;
                    rotateLeft (w);
                    w = x->parent->left;
                }
                w->color = x->parent->color;
                x->parent->color = BLACK;
                w->left->color = BLACK;
                rotateRight (x->parent);
                x = root;
            }
        }
    }
    x->color = BLACK;
}

void deleteNode(Node *z) {
    Node *x, *y;

   /*****************************
    *  delete node z from tree  *
    *****************************/

    if (!z || z == NIL) return;


    if (z->left == NIL || z->right == NIL) {
        /* y has a NIL node as a child */
        y = z;
    } else {
        /* find tree successor with a NIL node as a child */
        y = z->right;
        while (y->left != NIL) y = y->left;
    }

    /* x is y's only child */
    if (y->left != NIL)
        x = y->left;
    else
        x = y->right;

    /* remove y from the parent chain */
    x->parent = y->parent;
    if (y->parent)
        if (y == y->parent->left)
            y->parent->left = x;
        else
            y->parent->right = x;
    else
        root = x;

    if (y != z) z->data = y->data;


    if (y->color == BLACK)
        deleteFixup (x);

    free (y);
}

Node *findNode(T data) {

   /*******************************
    *  find node containing data  *
    *******************************/

    Node *current = root;
    while(current != NIL)
        if(compEQ(data, current->data))
            return (current);
        else
            current = compLT (data, current->data) ?
                current->left : current->right;
    return(0);
}

void main(int argc, char **argv) {
    int a, maxnum, ct;
    Node *t;

    /* command-line:
     *
     *   rbt maxnum
     *
     *   rbt 2000
     *       process 2000 records
     *
     */

    maxnum = atoi(argv[1]);

    for (ct = maxnum; ct; ct--) {
        a = rand() % 9 + 1;
        if ((t = findNode(a)) != NULL) {
            deleteNode(t);
        } else {
            insertNode(a);
        }
    }
}