第五周上:Balanced Search Trees

1. 2-3 search trees

  1. 每個Node有1或2個key

    • 2-node:one key夷陋,two children
    • 3-node:two keys终惑,three children
  2. Perfect balance:

    • 每一條path立倍,從root到null-link都是相同長度
  3. Symmetric order

    • 橫向從左到右升序
  4. Search

    • search key與各個Node的key比較
    • 沿著對應(yīng)的link(recursively),直到找到相同的key
  5. Insertion

    • 若每個key都已經(jīng)有2個key,將新key加入這個3-node形成臨時的4-node

    • 將這個4-node中間值的key晉升為parent

    • 重復(fù)直到結(jié)束

    • 當(dāng)這條search path從root起的每一個node都是2-node唁桩,那么再加入一個key号杠,length+1

2. Red-Black BSTs

Represent 2-3 tree as a BST

  1. Definition:

    • 每一個Node最多只有一個red-link
    • 每一條path從root到null-link都有相同數(shù)量的black-links
    • Red-link只在左側(cè)
    • 當(dāng)將red-link平方蚪腋,red-black BST就是2-3 tree
  2. Insertion

    1. 找到的null-link的parent node只有black-link

      • 若key小于parent node,帶著red-link加在左邊就完成
      • 若key大于parent node姨蟋,帶著red-link加在右邊屉凯,再rotate left即可
    2. 找到的null-link的parent node已經(jīng)有red-link(相當(dāng)于在2-3tree中,3-node要臨時變4-node)

      • case 1(larger:已有a芬探,b(parent)神得,插入c):找到null-link,加入新的node(key=c偷仿, red-link)哩簿,然后flip color
      • case 2(smaller:已有b,c(parent)酝静,插入a):找到null-link节榜,加入新的node(key=a, red-link)”鹬牵現(xiàn)在b有兩個red-links宗苍,不符合規(guī)定。c進(jìn)行rotate right操作薄榛,回歸case 1讳窟,然后flip color
      • case 3(middle:已有a,c(parent)敞恋,插入b):找到null-link丽啡,加入新的node(key=b, red-link)硬猫。此時red-link在a的右側(cè)补箍,不符合規(guī)定。b進(jìn)行rotate left啸蜜,回歸case2坑雅,然后c進(jìn)行rotate right操作,最后flip color
  3. Java implementation

    public class RBtree<Key extends Comparable<Key>, Value>{
    
     private static final boolean RED = true;
     private static final boolean BLACK = false;
     private Node root; // root of BST
    
     private class Node{
         Key key;
         Value val;
         Node left, right;
         boolean color;  // color of parent link
    
         public Node(Key key, Value val, boolean color){
             this.key = key;
             this.val = val;
             this.color = color;
         }
     }
    
     public void put(Key key, Value val){
          root = put(root, key, val);
        }
    
     private Node put(Node h, Key key, Value val){
         // find the null-link, insert at bottom (and color it red)
         if(h == null){ 
             return new Node(key, val, RED);
         }
    
         int cmp = key.compareTo(x.key);
         if(cmp < 0){
             h.left = put(h.left, key, val);
         }else if(cmp > 0){
             h.right = put(h.right, key, val);
         }else{
             h.val = val;
         }
    
         // Right child red, left child black: rotate left.
         if(isRed(h.right) && !isRed(h.left)){
             h = rotateLeft(h);
         }
         // Left child, left-left grandchild red: rotate right.
         if(isRed(h.left) && isRed(h.left.left)){
             h = rotateRight(h);
         }
         // Both children red: flip colors.
         if(isRed(h.left) && isRed(h.right)){
             flipColor(h);
         }
    
         return h;
    
     }
    
     private boolean isRed(Node x){
         if(x == null){
             return false;
         }
         return x.color == RED;
     }
    
     // Orient a (temporarily) right-leaning red link to lean left.
     private Node rotateLeft(Node h){
         // assert isRed(h.right);
         Node x = h.right;
         h.right = x.left;
         x.left = h;
         x.color = h.color;
         h.color = RED;
         return x
     }
    
     // Orient a left-leaning red link to (temporarily) lean right.
     private Node rotateRight(Node h){
         // assert isRed(h.left);
         Node x = h.left;
         h.left = x.right;
         x.right = h;
         x.color = h.color;
         h.color = RED;
         return x;
    
     }
    
     // Recolor to split a (temporary) 4-node.
     private void flipColors(Node h){
         // assert !isRed(h);
         // assert isRed(h.left);
         // assert isRed(h.right);
         h.color = RED;
         h.left.color = BLACK;
         h.right.color = BLACK;
     }
    
     public Value get(Key key){
         Node x = root;
         while(x != null){
             int cmp = key.compareTo(x.key);
             if(cmp < 0){
                 x = x.left;
             }else if(cmp > 0){
                 x = x.right;
             }else{
                 return null;
             }
         }
     } 
    }
    
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