集合框架知識系列06 HashMap和TreeMap中的紅黑樹
在上一節中，HashMap在jdk 1.8中用了鏈表和紅黑樹兩種方式解決衝突，在TreeMap中也是用紅黑樹存儲的。下面分析一下紅黑樹的結構和基本操做。
1、紅黑樹的特徵和基本操做
上一節中已經描述了紅黑樹的基本概念和特徵，下面直接經過一個例子分析紅黑樹的構造和調整方法。
一、紅黑樹的數據結構
紅黑樹是一棵二叉查找樹，在二叉樹的基礎上增長了節點的顏色，下面是TreeMap中的紅黑樹定義：
private static final boolean RED = false;
private static final boolean BLACK = true;
static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
K key;
V value;
Entry<K,V> left;
Entry<K,V> right;
Entry<K,V> parent;
boolean color = BLACK;
/**
* 給定key、value和父節點，構造一個新的。其中節點顏色爲黑色
*/
Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
this.key = key;
this.value = value;
this.parent = parent;
}
}
二、紅黑樹的左旋和右旋
紅黑樹的插入和刪除，都有可能破壞其特性，就不是一棵紅黑樹了，因此要調整。調整的方法又兩種，一種是改變某個節點的顏色，另一種是結構調整，包括左旋和右旋。 左旋：將X的節點的右兒子節點Y變爲其父節點，而且將Y的左子樹變爲X的右子樹，變換過程入下圖
右旋：將X的節點的左兒子節點Y變爲其父節點，而且將Y的右子樹變爲X的左子樹，變換過程入下圖
三、插入節點後調整紅黑樹
當在紅黑樹中插入一個節點後，可能會破壞紅黑樹的規則，首先再回顧一下紅黑數的特色：node
- 節點是紅色或黑色。
- 根節點是黑色。
- 每一個葉子節點都是黑色的空節點（NIL節點）。
- 每一個紅色節點的兩個子節點都是黑色。(從每一個葉子到根的全部路徑上不能有兩個連續的紅色節點)
- 從任一節點到其每一個葉子的全部路徑都包含相同數目的黑色節點。
從上面的條件能夠看出，a確定是不會違背的。插入的節點不在根節點處，因此b也不會違背。插入的節點時非空節點，c也不會違背。最有可能違背的就是d和e。而在咱們插入節點時，先將要插入的節點顏色設置爲紅色，這樣也就不會違背e。因此，插入後只須要調整不違背e就能夠。
插入後調整須要分三種狀況來處理：數據結構
-
插入的是根節點:app
處理方法是直接將根節點顏色設置爲黑色
- 插入節點的父節點爲黑色節點或父節點爲根節點
不須要處理this
- 插入節點的父節點時紅色節點
這種又分爲三種狀況
下面假設插入節點爲x，父節點爲xp，祖父節點爲xpp，祖父節點的左兒子爲xppl，祖父節點的右兒子爲xpprspa
- S1：當前節點的父節點xp是紅色，且當前節點的祖父節xpp點的另外一個子節點（xppl或者xppr）也是紅色
處理邏輯：將父節點xp設爲紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）設爲黑色，將祖父節點xpp設爲紅色，將祖父節點xpp設爲當前節點，繼續處理。code
- S2：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點x是其父節點xp的右孩子
處理邏輯：父節點xp做爲當前節點x， 以當前節點x爲支點進行左旋。ip
- S3：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點是其父節點xp的左孩子
處理邏輯：將父節點xp設置爲黑色，祖父節點xpp設置爲紅色，以祖父節點xpp爲支點進行右旋rem
四、刪除節點後調整紅黑樹
未完，待續。。。get
三、構造一棵紅黑樹
- 經過插入節點，構造紅黑樹
如今給定節點8 5 3 9 12 1 4 2，依次插入紅黑樹中，具體流程見下圖：
- 在紅黑樹中刪除節點
未完，待續。。。源碼
2、HashMap中的紅黑樹相關源碼
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
//在節點刪除後，需解除連接
TreeNode<K,V> prev;
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
/**
* 返回根節點
*/
final TreeNode<K,V> root() {
for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
if ((p = r.parent) == null)
return r;
r = p;
}
}
/**
* 確保根節點就是第一個節點
*/
static <K,V> void moveRootToFront(Node<K,V>[] tab, TreeNode<K,V> root) {
int n;
if (root != null && tab != null && (n = tab.length) > 0) {
int index = (n - 1) & root.hash;
TreeNode<K,V> first = (TreeNode<K,V>)tab[index];
//若是根節點不是第一個節點，進行調整
if (root != first) {
Node<K,V> rn;
tab[index] = root;
TreeNode<K,V> rp = root.prev;
if ((rn = root.next) != null)
((TreeNode<K,V>)rn).prev = rp;
if (rp != null)
rp.next = rn;
if (first != null)
first.prev = root;
root.next = first;
root.prev = null;
}
assert checkInvariants(root);
}
}
/**
* 根據hash值和key查詢節點
*/
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
TreeNode<K,V> p = this;
do {
int ph, dir; K pk;
TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
else if (ph < h)
p = pr;
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
else if (pl == null)
p = pr;
else if (pr == null)
p = pl;
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}
/**
* 根據hash值和key查詢節點
*/
final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
/**
* 將鏈表轉換爲紅黑樹
*/
final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
TreeNode<K,V> root = null;
//從第一個節點開始
for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
next = (TreeNode<K,V>)x.next;
x.left = x.right = null;
//若是root節點爲null，x爲根節點，此節點爲黑色，父節點爲null
if (root == null) {
x.parent = null;
x.red = false;
root = x;
}
else {
//x的key值
K k = x.key;
//x的hash值
int h = x.hash;
Class<?> kc = null;
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph;
K pk = p.key;
//左邊
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
//右邊
else if (ph < h)
dir = 1;
//經過仲裁方法判斷
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
dir = tieBreakOrder(k, pk);
TreeNode<K,V> xp = p;
//dir <=0 左子樹搜索，而且判斷左兒子是否爲空，表示是否到葉子節點
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
x.parent = xp;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
//插入元素，判斷是否平衡，而且調整
root = balanceInsertion(root, x);
break;
}
}
}
}
//確保根節點就是第一個節點
moveRootToFront(tab, root);
}
/**
* 紅黑樹轉換爲鏈表
*/
final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) {
Node<K,V> hd = null, tl = null;
for (Node<K,V> q = this; q != null; q = q.next) {
Node<K,V> p = map.replacementNode(q, null);
if (tl == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
return hd;
}
/**
* 插入一個節點
*/
final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
int h, K k, V v) {
Class<?> kc = null;
boolean searched = false;
TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
//從根據點開始，和當前搜索節點的hash比較
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph; K pk;
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
else if (ph < h)
dir = 1;
//hash和key都一致
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
if (!searched) {
TreeNode<K,V> q, ch;
searched = true;
if (((ch = p.left) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
((ch = p.right) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null))
return q;
}
dir = tieBreakOrder(k, pk);
}
TreeNode<K,V> xp = p;
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
Node<K,V> xpn = xp.next;
//新建節點
TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
xp.next = x;
x.parent = x.prev = xp;
if (xpn != null)
((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x;
//插入元素，判斷是否平衡，而且調整。確保根節點就是第一個節點
moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
return null;
}
}
}
/**
* Removes the given node, that must be present before this call.
* This is messier than typical red-black deletion code because we
* cannot swap the contents of an interior node with a leaf
* successor that is pinned by "next" pointers that are accessible
* independently during traversal. So instead we swap the tree
* linkages. If the current tree appears to have too few nodes,
* the bin is converted back to a plain bin. (The test triggers
* somewhere between 2 and 6 nodes, depending on tree structure).
*/
final void removeTreeNode(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
boolean movable) {
int n;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
return;
int index = (n - 1) & hash;
TreeNode<K,V> first = (TreeNode<K,V>)tab[index], root = first, rl;
TreeNode<K,V> succ = (TreeNode<K,V>)next, pred = prev;
if (pred == null)
tab[index] = first = succ;
else
pred.next = succ;
if (succ != null)
succ.prev = pred;
if (first == null)
return;
if (root.parent != null)
root = root.root();
if (root == null || root.right == null ||
(rl = root.left) == null || rl.left == null) {
tab[index] = first.untreeify(map); // too small
return;
}
TreeNode<K,V> p = this, pl = left, pr = right, replacement;
if (pl != null && pr != null) {
TreeNode<K,V> s = pr, sl;
while ((sl = s.left) != null) // find successor
s = sl;
boolean c = s.red; s.red = p.red; p.red = c; // swap colors
TreeNode<K,V> sr = s.right;
TreeNode<K,V> pp = p.parent;
if (s == pr) { // p was s's direct parent
p.parent = s;
s.right = p;
}
else {
TreeNode<K,V> sp = s.parent;
if ((p.parent = sp) != null) {
if (s == sp.left)
sp.left = p;
else
sp.right = p;
}
if ((s.right = pr) != null)
pr.parent = s;
}
p.left = null;
if ((p.right = sr) != null)
sr.parent = p;
if ((s.left = pl) != null)
pl.parent = s;
if ((s.parent = pp) == null)
root = s;
else if (p == pp.left)
pp.left = s;
else
pp.right = s;
if (sr != null)
replacement = sr;
else
replacement = p;
}
else if (pl != null)
replacement = pl;
else if (pr != null)
replacement = pr;
else
replacement = p;
if (replacement != p) {
TreeNode<K,V> pp = replacement.parent = p.parent;
if (pp == null)
root = replacement;
else if (p == pp.left)
pp.left = replacement;
else
pp.right = replacement;
p.left = p.right = p.parent = null;
}
TreeNode<K,V> r = p.red ? root : balanceDeletion(root, replacement);
if (replacement == p) { // detach
TreeNode<K,V> pp = p.parent;
p.parent = null;
if (pp != null) {
if (p == pp.left)
pp.left = null;
else if (p == pp.right)
pp.right = null;
}
}
if (movable)
moveRootToFront(tab, r);
}
/* ------------------------------------------------------------ */
// Red-black tree methods, all adapted from CLR
//左旋
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateLeft(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> p) {
TreeNode<K,V> r, pp, rl;
//以p爲左旋支點，且p不爲空，右兒子不爲空
if (p != null && (r = p.right) != null) {
//將p的右兒子r的左兒子rl變爲p的右兒子
if ((rl = p.right = r.left) != null)
rl.parent = p;
//處理p、l和p父節點的關係
if ((pp = r.parent = p.parent) == null)
(root = r).red = false;
else if (pp.left == p)
pp.left = r;
else
pp.right = r;
//處理p和r的關係
r.left = p;
p.parent = r;
}
return root;
}
//右旋
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateRight(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> p) {
TreeNode<K,V> l, pp, lr;
//p:右旋支點，不爲空，p的左兒子l不爲空
if (p != null && (l = p.left) != null) {
//將左兒子的右子樹變爲p的左子樹
if ((lr = p.left = l.right) != null)
lr.parent = p;
//p的父節點變爲l的父節點
if ((pp = l.parent = p.parent) == null)
(root = l).red = false;
//若是p爲右兒子，則p的父節點的右兒子變爲l,不然左兒子變爲l
else if (pp.right == p)
pp.right = l;
else
pp.left = l;
//p變爲l的右兒子
l.right = p;
p.parent = l;
}
return root;
}
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> x) {
//插入節點初始化爲紅色
x.red = true;
//xp:父節點，xpp:祖父節點， xppl：祖父節點的左兒子，xppr:祖父節點的右兒子
//循環遍歷
for (TreeNode<K,V> xp, xpp, xppl, xppr;;) {
//插入的節點爲根節點，節點顏色轉換爲黑色
if ((xp = x.parent) == null) {
x.red = false;
return x;
}
//當前節點的父爲黑色節點或者父節點爲根節點，直接返回
else if (!xp.red || (xpp = xp.parent) == null)
return root;
//祖父節點的左兒子是父節點
if (xp == (xppl = xpp.left)) {
//S1：當前節點的父節點xp是紅色，且當前節點的祖父節xpp點的另外一個子節點（xppl或者xppr）也是紅色
if ((xppr = xpp.right) != null && xppr.red) {
xppr.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
else {
//S2：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點x是其父節點xp的右孩子
if (x == xp.right) {
root = rotateLeft(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
//S3：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點是其父節點xp的左孩子
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateRight(root, xpp);
}
}
}
}
else {
//S1：當前節點的父節點xp是紅色，且當前節點的祖父節xpp點的另外一個子節點（xppl或者xppr）也是紅色
if (xppl != null && xppl.red) {
xppl.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
else {
//S2：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點x是其父節點xp的右孩子
if (x == xp.left) {
root = rotateRight(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
//S3：當前節點的父節點xp是紅色，祖父節點的兒子節點（xppl或者xppr）是黑色，且當前節點是其父節點xp的左孩子
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateLeft(root, xpp);
}
}
}
}
}
}
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceDeletion(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> x) {
for (TreeNode<K,V> xp, xpl, xpr;;) {
if (x == null || x == root)
return root;
else if ((xp = x.parent) == null) {
x.red = false;
return x;
}
else if (x.red) {
x.red = false;
return root;
}
else if ((xpl = xp.left) == x) {
if ((xpr = xp.right) != null && xpr.red) {
xpr.red = false;
xp.red = true;
root = rotateLeft(root, xp);
xpr = (xp = x.parent) == null ? null : xp.right;
}
if (xpr == null)
x = xp;
else {
TreeNode<K,V> sl = xpr.left, sr = xpr.right;
if ((sr == null || !sr.red) &&
(sl == null || !sl.red)) {
xpr.red = true;
x = xp;
}
else {
if (sr == null || !sr.red) {
if (sl != null)
sl.red = false;
xpr.red = true;
root = rotateRight(root, xpr);
xpr = (xp = x.parent) == null ?
null : xp.right;
}
if (xpr != null) {
xpr.red = (xp == null) ? false : xp.red;
if ((sr = xpr.right) != null)
sr.red = false;
}
if (xp != null) {
xp.red = false;
root = rotateLeft(root, xp);
}
x = root;
}
}
}
else { // symmetric
if (xpl != null && xpl.red) {
xpl.red = false;
xp.red = true;
root = rotateRight(root, xp);
xpl = (xp = x.parent) == null ? null : xp.left;
}
if (xpl == null)
x = xp;
else {
TreeNode<K,V> sl = xpl.left, sr = xpl.right;
if ((sl == null || !sl.red) &&
(sr == null || !sr.red)) {
xpl.red = true;
x = xp;
}
else {
if (sl == null || !sl.red) {
if (sr != null)
sr.red = false;
xpl.red = true;
root = rotateLeft(root, xpl);
xpl = (xp = x.parent) == null ?
null : xp.left;
}
if (xpl != null) {
xpl.red = (xp == null) ? false : xp.red;
if ((sl = xpl.left) != null)
sl.red = false;
}
if (xp != null) {
xp.red = false;
root = rotateRight(root, xp);
}
x = root;
}
}
}
}
}
}
3、總結
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