Árvore Vermelho-Preto

Neste tutorial, você aprenderá o que é uma árvore vermelha e preta. Além disso, você encontrará exemplos de trabalho de várias operações realizadas em uma árvore vermelha e preta em C, C ++, Java e Python.

A árvore Red-Black é uma árvore de busca binária de auto-equilíbrio em que cada nó contém um bit extra para denotar a cor do nó, vermelho ou preto.

Uma árvore vermelho-preto satisfaz as seguintes propriedades:

  1. Propriedade Vermelho / Preto: Cada nó é colorido, vermelho ou preto.
  2. Propriedade da raiz: a raiz é preta.
  3. Propriedade da folha: Cada folha (NIL) é preta.
  4. Propriedade vermelha: se um nó vermelho tiver filhos, os filhos serão sempre pretos.
  5. Propriedade de profundidade: para cada nó, qualquer caminho simples deste nó para qualquer uma de suas folhas descendentes tem a mesma profundidade de preto (o número de nós pretos).

Um exemplo de árvore vermelho-preto é:

Red Black Tree

Cada nó possui os seguintes atributos:

  • cor
  • chave
  • leftChild
  • rightChild
  • pai (exceto nó raiz)

Como a árvore vermelho e preto mantém a propriedade de autobalanceamento?

A cor vermelho-preto serve para equilibrar a árvore.

As limitações colocadas nas cores dos nós garantem que qualquer caminho simples da raiz até uma folha não seja mais do que o dobro do comprimento de qualquer outro caminho. Ajuda a manter a propriedade de auto-equilíbrio da árvore vermelho-preta.

Operações em uma árvore vermelha e preta

Várias operações que podem ser realizadas em uma árvore vermelha e preta são:

Girando as subárvores em uma árvore vermelho-preta

Na operação de rotação, as posições dos nós de uma subárvore são trocadas.

A operação de rotação é usada para manter as propriedades de uma árvore rubro-negra quando são violadas por outras operações, como inserção e exclusão.

Existem dois tipos de rotação:

Girar para a esquerda

Na rotação para a esquerda, o arranjo dos nós à direita é transformado no arranjo do nó esquerdo.

Algoritmo

  1. Seja a árvore inicial: Árvore inicial
  2. Se y tiver uma subárvore esquerda, atribua x como o pai da subárvore esquerda de y. Atribuir x como o pai da subárvore esquerda de y
  3. Se o pai de x for NULL, faça y como a raiz da árvore.
  4. Do contrário, se x é o filho esquerdo de p, torne y o filho esquerdo de p.
  5. Caso contrário, atribua y como o filho certo de p. Mude o pai de x para o de y
  6. Faça y como o pai de x. Atribua y como o pai de x.

Girar para a direita

Na rotação para a direita, o arranjo dos nós à esquerda é transformado nos arranjos do nó direito.

  1. Seja a árvore inicial: Árvore Inicial
  2. Se x tiver uma subárvore direita, atribua y como o pai da subárvore direita de x. Atribuir y como o pai da subárvore direita de x
  3. Se o pai de y for NULL, faça x como a raiz da árvore.
  4. Do contrário, se y é o filho certo de seu pai p, torne x o filho certo de p.
  5. Caso contrário, atribua x como o filho esquerdo de p. Atribuir o pai de y como o pai de x
  6. Faça x como o pai de y. Atribuir x como o pai de y

Rotação esquerda-direita e direita-esquerda

Na rotação esquerda-direita, os arranjos são primeiro deslocados para a esquerda e depois para a direita.

  1. Faça a rotação para a esquerda em xy. Girar para a esquerda xy
  2. Faça a rotação correta em yz. Girar para a direita

Na rotação direita-esquerda, os arranjos são primeiro deslocados para a direita e depois para a esquerda.

  1. Faça a rotação correta em xy. Rotação xy para a direita
  2. Faça a rotação para a esquerda em zy. Girar para a esquerda zy

Inserindo um elemento em uma árvore vermelho-preto

Ao inserir um novo nó, o novo nó é sempre inserido como um nó VERMELHO. Após a inserção de um novo nó, se a árvore está violando as propriedades da árvore vermelho-preto, então, fazemos as seguintes operações.

  1. Recolorir
  2. Rotação

Algoritmo para inserir um nó

As etapas a seguir são seguidas para inserir um novo elemento em uma árvore vermelho-preto:

  1. Seja y a folha (ie. NIL) Ex a raiz da árvore.
  2. Verifique se a árvore está vazia (ou seja, se x está NIL). Em caso afirmativo, insira newNode como um nó raiz e pinte-o de preto.
  3. Caso contrário, repita os passos seguintes até que a folha ( NIL) seja alcançada.
    1. Compare newKey com rootKey.
    2. Se newKey for maior que rootKey, atravesse a subárvore direita.
    3. Caso contrário, atravesse a subárvore esquerda.
  4. Atribua o pai da folha como pai de newNode.
  5. Se leafKey for maior que newKey, torne newNode como rightChild.
  6. Caso contrário, torne newNode como leftChild.
  7. Atribua NULLà esquerda e à direitaCriança de newNode.
  8. Atribua a cor VERMELHA a newNode.
  9. Chame o algoritmo InsertFix para manter a propriedade da árvore vermelho-preto se violada.

Por que os nós recém-inseridos são sempre vermelhos em uma árvore vermelha e preta?

Isso ocorre porque inserir um nó vermelho não viola a propriedade de profundidade de uma árvore vermelho-preto.

Se você anexar um nó vermelho a um nó vermelho, a regra será violada, mas é mais fácil corrigir esse problema do que o problema introduzido pela violação da propriedade de profundidade.

Algoritmo para manter a propriedade vermelho-preto após a inserção

Este algoritmo é usado para manter a propriedade de uma árvore vermelha e preta se a inserção de um newNode violar essa propriedade.

  1. Faça o seguinte enquanto o pai de newNode p for RED.
  2. Se p for o filho esquerdo do avô gP de z, faça o seguinte.
    Caso-I:
    1. Se a cor do filho certo de gP de z for VERMELHA, defina a cor de ambos os filhos de gP como PRETO e a cor de gP como VERMELHA.
    2. Atribua gP a newNode.
      Caso-II:
    3. Do contrário, se newNode for o filho certo de p, atribua p a newNode.
    4. NewNode girar à esquerda.
      Caso III:
    5. Defina a cor de p como PRETO e a cor de gP como VERMELHO.
    6. Gire para a direita gP.
  3. Caso contrário, faça o seguinte.
    1. Se a cor do filho esquerdo de gP de z for VERMELHA, defina a cor de ambos os filhos de gP como PRETO e a cor de gP como VERMELHA.
    2. Atribua gP a newNode.
    3. Do contrário, se newNode for o filho esquerdo de p, atribua p a newNode e gire para a direita newNode.
    4. Defina a cor de p como PRETO e a cor de gP como VERMELHO.
    5. Girar para a esquerda gP.
  4. Defina a raiz da árvore como PRETA.

Excluindo um elemento de uma árvore vermelho-preto

Esta operação remove um nó da árvore. Após excluir um nó, a propriedade vermelho-preto é mantida novamente.

Algoritmo para excluir um nó

  1. Salve a cor de nodeToBeDeleted em origrinalColor.
  2. Se o filho esquerdo de nodeToBeDeleted for NULL
    1. Atribua o filho certo de nodeToBeDeleted a x.
    2. Transplant nodeToBeDeleted com x.
  3. Caso contrário, se o filho certo de nodeToBeDeleted for NULL
    1. Atribua o filho esquerdo de nodeToBeDeleted em x.
    2. Transplant nodeToBeDeleted com x.
  4. Outro
    1. Atribua o mínimo da subárvore direita de noteToBeDeleted em y.
    2. Salve a cor de y em originalColor.
    3. Atribua o filho direito de y em x.
    4. Se y for um filho de nodeToBeDeleted, defina o pai de x como y.
    5. Caso contrário, transplante y com rightChild of y.
    6. Transplant nodeToBeDeleted com y.
    7. Defina a cor de y com originalColor.
  5. Se a cor original for PRETA, chame DeleteFix (x).

Algoritmo para manter a propriedade Vermelho-Preto após a exclusão

Este algoritmo é implementado quando um nó preto é excluído porque viola a propriedade de profundidade do preto da árvore vermelho-preto.

Esta violação é corrigida assumindo que o nó x (que está ocupando a posição original de y) tem um preto extra. Isso torna o nó x nem vermelho nem preto. É duplamente preto ou preto e vermelho. Isso viola as propriedades vermelho-preto.

No entanto, o atributo de cor de x não é alterado, em vez disso, o preto extra é representado em x apontando para o nó.

O preto extra pode ser removido se

  1. Ele atinge o nó raiz.
  2. Se x aponta para um nó vermelho-preto. Nesse caso, x é de cor preta.
  3. Rotações adequadas e recoloração são realizadas.

O algoritmo a seguir mantém as propriedades de uma árvore vermelho-preto.

  1. Faça o seguinte até que x não seja a raiz da árvore e a cor de x seja PRETA
  2. Se x é o filho esquerdo de seu pai, então,
    1. Atribua w ao irmão de x.
    2. Se o filho certo do pai de x for VERMELHO,
      Caso-I:
      1. Defina a cor do filho certo do pai de x como PRETO.
      2. Defina a cor do pai de x como RED.
      3. Gire para a esquerda o pai de x.
      4. Atribua o filho direito do pai de x a w.
    3. Se a cor da direita e da esquerdaCriança de w for PRETA,
      Caso-II:
      1. Defina a cor de w como RED
      2. Atribua o pai de x a x.
    4. Caso contrário, se a cor do filho direito de w for PRETO
      Caso III:
      1. Defina a cor da criança esquerda de w como PRETO
      2. Defina a cor de w como RED
      3. Girar para a direita w.
      4. Atribua o filho direito do pai de x a w.
    5. Se algum dos casos acima não ocorrer, faça o seguinte.
      Caso IV:
      1. Defina a cor de w como a cor do pai de x.
      2. Defina a cor do pai de x como PRETO.
      3. Defina a cor do filho certo de w como PRETO.
      4. Gire para a esquerda o pai de x.
      5. Defina x como a raiz da árvore.
  3. Else o mesmo que acima com direito alterado para esquerda e vice-versa.
  4. Defina a cor de x como PRETO.

Consulte as operações de inserção e exclusão para obter mais explicações com exemplos.

Exemplos de Python, Java e C / C ++

Python Java C C ++ 
 # Implementing Red-Black Tree in Python import sys # Node creation class Node(): def __init__(self, item): self.item = item self.parent = None self.left = None self.right = None self.color = 1 class RedBlackTree(): def __init__(self): self.TNULL = Node(0) self.TNULL.color = 0 self.TNULL.left = None self.TNULL.right = None self.root = self.TNULL # Preorder def pre_order_helper(self, node): if node != TNULL: sys.stdout.write(node.item + " ") self.pre_order_helper(node.left) self.pre_order_helper(node.right) # Inorder def in_order_helper(self, node): if node != TNULL: self.in_order_helper(node.left) sys.stdout.write(node.item + " ") self.in_order_helper(node.right) # Postorder def post_order_helper(self, node): if node != TNULL: self.post_order_helper(node.left) self.post_order_helper(node.right) sys.stdout.write(node.item + " ") # Search the tree def search_tree_helper(self, node, key): if node == TNULL or key == node.item: return node if key < node.item: return self.search_tree_helper(node.left, key) return self.search_tree_helper(node.right, key) # Balancing the tree after deletion def delete_fix(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 __rb_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 # Node deletion def delete_node_helper(self, node, key): z = self.TNULL while node != self.TNULL: if node.item == key: z = node if node.item <= key: node = node.right else: node = node.left if z == self.TNULL: print("Cannot find key in the tree") return y = z y_original_color = y.color if z.left == self.TNULL: x = z.right self.__rb_transplant(z, z.right) elif (z.right == self.TNULL): x = z.left self.__rb_transplant(z, z.left) else: y = self.minimum(z.right) y_original_color = y.color x = y.right if y.parent == z: x.parent = y else: self.__rb_transplant(y, y.right) y.right = z.right y.right.parent = y self.__rb_transplant(z, y) y.left = z.left y.left.parent = y y.color = z.color if y_original_color == 0: self.delete_fix(x) # Balance the tree after insertion 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 # Printing the tree def __print_helper(self, node, indent, last): if node != self.TNULL: sys.stdout.write(indent) if last: sys.stdout.write("R----") indent += " " else: sys.stdout.write("L----") indent += "| " s_color = "RED" if node.color == 1 else "BLACK" print(str(node.item) + "(" + s_color + ")") self.__print_helper(node.left, indent, False) self.__print_helper(node.right, indent, True) def preorder(self): self.pre_order_helper(self.root) def inorder(self): self.in_order_helper(self.root) def postorder(self): self.post_order_helper(self.root) def searchTree(self, k): return self.search_tree_helper(self.root, k) def minimum(self, node): while node.left != self.TNULL: node = node.left return node def maximum(self, node): while node.right != self.TNULL: node = node.right return node def successor(self, x): if x.right != self.TNULL: return self.minimum(x.right) y = x.parent while y != self.TNULL and x == y.right: x = y y = y.parent return y def predecessor(self, x): if (x.left != self.TNULL): return self.maximum(x.left) y = x.parent while y != self.TNULL and x == y.left: x = y y = y.parent return y def left_rotate(self, x): y = x.right x.right = y.left if y.left != self.TNULL: y.left.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == None: 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.TNULL: y.right.parent = x y.parent = x.parent if x.parent == None: 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.item = key node.left = self.TNULL node.right = self.TNULL node.color = 1 y = None x = self.root while x != self.TNULL: y = x if node.item < x.item: x = x.left else: x = x.right node.parent = y if y == None: self.root = node elif node.item < y.item: 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 get_root(self): return self.root def delete_node(self, item): self.delete_node_helper(self.root, item) def print_tree(self): self.__print_helper(self.root, "", True) if __name__ == "__main__": bst = RedBlackTree() bst.insert(55) bst.insert(40) bst.insert(65) bst.insert(60) bst.insert(75) bst.insert(57) bst.print_tree() print("After deleting an element") bst.delete_node(40) bst.print_tree() 
 // Implementing Red-Black Tree in Java class Node ( int data; Node parent; Node left; Node right; int color; ) public class RedBlackTree ( private Node root; private Node TNULL; // Preorder private void preOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( System.out.print(node.data + " "); preOrderHelper(node.left); preOrderHelper(node.right); ) ) // Inorder private void inOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( inOrderHelper(node.left); System.out.print(node.data + " "); inOrderHelper(node.right); ) ) // Post order private void postOrderHelper(Node node) ( if (node != TNULL) ( postOrderHelper(node.left); postOrderHelper(node.right); System.out.print(node.data + " "); ) ) // Search the tree private Node searchTreeHelper(Node node, int key) ( if (node == TNULL || key == node.data) ( return node; ) if (key < node.data) ( return searchTreeHelper(node.left, key); ) return searchTreeHelper(node.right, key); ) // Balance the tree after deletion of a node private void fixDelete(Node x) ( Node s; while (x != root && x.color == 0) ( if (x == x.parent.left) ( s = x.parent.right; if (s.color == 1) ( s.color = 0; x.parent.color = 1; leftRotate(x.parent); s = x.parent.right; ) if (s.left.color == 0 && s.right.color == 0) ( s.color = 1; x = x.parent; ) else ( if (s.right.color == 0) ( s.left.color = 0; s.color = 1; rightRotate(s); s = x.parent.right; ) s.color = x.parent.color; x.parent.color = 0; s.right.color = 0; leftRotate(x.parent); x = root; ) ) else ( s = x.parent.left; if (s.color == 1) ( s.color = 0; x.parent.color = 1; rightRotate(x.parent); s = x.parent.left; ) if (s.right.color == 0 && s.right.color == 0) ( s.color = 1; x = x.parent; ) else ( if (s.left.color == 0) ( s.right.color = 0; s.color = 1; leftRotate(s); s = x.parent.left; ) s.color = x.parent.color; x.parent.color = 0; s.left.color = 0; rightRotate(x.parent); x = root; ) ) ) x.color = 0; ) private void rbTransplant(Node u, Node v) ( if (u.parent == null) ( root = v; ) else if (u == u.parent.left) ( u.parent.left = v; ) else ( u.parent.right = v; ) v.parent = u.parent; ) private void deleteNodeHelper(Node node, int key) ( Node z = TNULL; Node x, y; while (node != TNULL) ( if (node.data == key) ( z = node; ) if (node.data <= key) ( node = node.right; ) else ( node = node.left; ) ) if (z == TNULL) ( System.out.println("Couldn't find key in the tree"); return; ) y = z; int yOriginalColor = y.color; if (z.left == TNULL) ( x = z.right; rbTransplant(z, z.right); ) else if (z.right == TNULL) ( x = z.left; rbTransplant(z, z.left); ) else ( y = minimum(z.right); yOriginalColor = y.color; x = y.right; if (y.parent == z) ( x.parent = y; ) else ( rbTransplant(y, y.right); y.right = z.right; y.right.parent = y; ) rbTransplant(z, y); y.left = z.left; y.left.parent = y; y.color = z.color; ) if (yOriginalColor == 0) ( fixDelete(x); ) ) // Balance the node after insertion private void fixInsert(Node k) ( Node u; 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; rightRotate(k); ) k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; leftRotate(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; leftRotate(k); ) k.parent.color = 0; k.parent.parent.color = 1; rightRotate(k.parent.parent); ) ) if (k == root) ( break; ) ) root.color = 0; ) private void printHelper(Node root, String indent, boolean last) ( if (root != TNULL) ( System.out.print(indent); if (last) ( System.out.print("R----"); indent += " "; ) else ( System.out.print("L----"); indent += "| "; ) String sColor = root.color == 1 ? "RED" : "BLACK"; System.out.println(root.data + "(" + sColor + ")"); printHelper(root.left, indent, false); printHelper(root.right, indent, true); ) ) public RedBlackTree() ( TNULL = new Node(); TNULL.color = 0; TNULL.left = null; TNULL.right = null; root = TNULL; ) public void preorder() ( preOrderHelper(this.root); ) public void inorder() ( inOrderHelper(this.root); ) public void postorder() ( postOrderHelper(this.root); ) public Node searchTree(int k) ( return searchTreeHelper(this.root, k); ) public Node minimum(Node node) ( while (node.left != TNULL) ( node = node.left; ) return node; ) public Node maximum(Node node) ( while (node.right != TNULL) ( node = node.right; ) return node; ) public Node successor(Node x) ( if (x.right != TNULL) ( return minimum(x.right); ) Node y = x.parent; while (y != TNULL && x == y.right) ( x = y; y = y.parent; ) return y; ) public Node predecessor(Node x) ( if (x.left != TNULL) ( return maximum(x.left); ) Node y = x.parent; while (y != TNULL && x == y.left) ( x = y; y = y.parent; ) return y; ) public void leftRotate(Node x) ( Node y = x.right; x.right = y.left; if (y.left != TNULL) ( y.left.parent = x; ) y.parent = x.parent; if (x.parent == null) ( this.root = y; ) else if (x == x.parent.left) ( x.parent.left = y; ) else ( x.parent.right = y; ) y.left = x; x.parent = y; ) public void rightRotate(Node x) ( Node y = x.left; x.left = y.right; if (y.right != TNULL) ( y.right.parent = x; ) y.parent = x.parent; if (x.parent == null) ( this.root = y; ) else if (x == x.parent.right) ( x.parent.right = y; ) else ( x.parent.left = y; ) y.right = x; x.parent = y; ) public void insert(int key) ( Node node = new Node(); node.parent = null; node.data = key; node.left = TNULL; node.right = TNULL; node.color = 1; Node y = null; Node x = this.root; while (x != TNULL) ( y = x; if (node.data < x.data) ( x = x.left; ) else ( x = x.right; ) ) node.parent = y; if (y == null) ( root = node; ) else if (node.data < y.data) ( y.left = node; ) else ( y.right = node; ) if (node.parent == null) ( node.color = 0; return; ) if (node.parent.parent == null) ( return; ) fixInsert(node); ) public Node getRoot() ( return this.root; ) public void deleteNode(int data) ( deleteNodeHelper(this.root, data); ) public void printTree() ( printHelper(this.root, "", true); ) public static void main(String() args) ( RedBlackTree bst = new RedBlackTree(); bst.insert(55); bst.insert(40); bst.insert(65); bst.insert(60); bst.insert(75); bst.insert(57); bst.printTree(); System.out.println("After deleting:"); bst.deleteNode(40); bst.printTree(); ) )
 // Implementing Red-Black Tree in C #include #include enum nodeColor ( RED, BLACK ); struct rbNode ( int data, color; struct rbNode *link(2); ); struct rbNode *root = NULL; // Create a red-black tree struct rbNode *createNode(int data) ( struct rbNode *newnode; newnode = (struct rbNode *)malloc(sizeof(struct rbNode)); newnode->data = data; newnode->color = RED; newnode->link(0) = newnode->link(1) = NULL; return newnode; ) // Insert an node void insertion(int data) ( struct rbNode *stack(98), *ptr, *newnode, *xPtr, *yPtr; int dir(98), ht = 0, index; ptr = root; if (!root) ( root = createNode(data); return; ) stack(ht) = root; dir(ht++) = 0; while (ptr != NULL) ( if (ptr->data == data) ( printf("Duplicates Not Allowed!!"); return; ) index = (data - ptr->data)> 0 ? 1 : 0; stack(ht) = ptr; ptr = ptr->link(index); dir(ht++) = index; ) stack(ht - 1)->link(index) = newnode = createNode(data); while ((ht>= 3) && (stack(ht - 1)->color == RED)) ( if (dir(ht - 2) == 0) ( yPtr = stack(ht - 2)->link(1); if (yPtr != NULL && yPtr->color == RED) ( stack(ht - 2)->color = RED; stack(ht - 1)->color = yPtr->color = BLACK; ht = ht - 2; ) else ( if (dir(ht - 1) == 0) ( yPtr = stack(ht - 1); ) else ( xPtr = stack(ht - 1); yPtr = xPtr->link(1); xPtr->link(1) = yPtr->link(0); yPtr->link(0) = xPtr; stack(ht - 2)->link(0) = yPtr; ) xPtr = stack(ht - 2); xPtr->color = RED; yPtr->color = BLACK; xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = xPtr; if (xPtr == root) ( root = yPtr; ) else ( stack(ht - 3)->link(dir(ht - 3)) = yPtr; ) break; ) ) else ( yPtr = stack(ht - 2)->link(0); if ((yPtr != NULL) && (yPtr->color == RED)) ( stack(ht - 2)->color = RED; stack(ht - 1)->color = yPtr->color = BLACK; ht = ht - 2; ) else ( if (dir(ht - 1) == 1) ( yPtr = stack(ht - 1); ) else ( xPtr = stack(ht - 1); yPtr = xPtr->link(0); xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = xPtr; stack(ht - 2)->link(1) = yPtr; ) xPtr = stack(ht - 2); yPtr->color = BLACK; xPtr->color = RED; xPtr->link(1) = yPtr->link(0); yPtr->link(0) = xPtr; if (xPtr == root) ( root = yPtr; ) else ( stack(ht - 3)->link(dir(ht - 3)) = yPtr; ) break; ) ) ) root->color = BLACK; ) // Delete a node void deletion(int data) ( struct rbNode *stack(98), *ptr, *xPtr, *yPtr; struct rbNode *pPtr, *qPtr, *rPtr; int dir(98), ht = 0, diff, i; enum nodeColor color; if (!root) ( printf("Tree not available"); return; ) ptr = root; while (ptr != NULL) ( if ((data - ptr->data) == 0) break; diff = (data - ptr->data)> 0 ? 1 : 0; stack(ht) = ptr; dir(ht++) = diff; ptr = ptr->link(diff); ) if (ptr->link(1) == NULL) ( if ((ptr == root) && (ptr->link(0) == NULL)) ( free(ptr); root = NULL; ) else if (ptr == root) ( root = ptr->link(0); free(ptr); ) else ( stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)) = ptr->link(0); ) ) else ( xPtr = ptr->link(1); if (xPtr->link(0) == NULL) ( xPtr->link(0) = ptr->link(0); color = xPtr->color; xPtr->color = ptr->color; ptr->color = color; if (ptr == root) ( root = xPtr; ) else ( stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)) = xPtr; ) dir(ht) = 1; stack(ht++) = xPtr; ) else ( i = ht++; while (1) ( dir(ht) = 0; stack(ht++) = xPtr; yPtr = xPtr->link(0); if (!yPtr->link(0)) break; xPtr = yPtr; ) dir(i) = 1; stack(i) = yPtr; if (i> 0) stack(i - 1)->link(dir(i - 1)) = yPtr; yPtr->link(0) = ptr->link(0); xPtr->link(0) = yPtr->link(1); yPtr->link(1) = ptr->link(1); if (ptr == root) ( root = yPtr; ) color = yPtr->color; yPtr->color = ptr->color; ptr->color = color; ) ) if (ht color == BLACK) ( while (1) ( pPtr = stack(ht - 1)->link(dir(ht - 1)); if (pPtr && pPtr->color == RED) ( pPtr->color = BLACK; break; ) if (ht link(1); if (!rPtr) break; if (rPtr->color == RED) ( stack(ht - 1)->color = RED; rPtr->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(1) = rPtr->link(0); rPtr->link(0) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) dir(ht) = 0; stack(ht) = stack(ht - 1); stack(ht - 1) = rPtr; ht++; rPtr = stack(ht - 1)->link(1); ) if ((!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) && (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK)) ( rPtr->color = RED; ) else ( if (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK) ( qPtr = rPtr->link(0); rPtr->color = RED; qPtr->color = BLACK; rPtr->link(0) = qPtr->link(1); qPtr->link(1) = rPtr; rPtr = stack(ht - 1)->link(1) = qPtr; ) rPtr->color = stack(ht - 1)->color; stack(ht - 1)->color = BLACK; rPtr->link(1)->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(1) = rPtr->link(0); rPtr->link(0) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) break; ) ) else ( rPtr = stack(ht - 1)->link(0); if (!rPtr) break; if (rPtr->color == RED) ( stack(ht - 1)->color = RED; rPtr->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(0) = rPtr->link(1); rPtr->link(1) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) dir(ht) = 1; stack(ht) = stack(ht - 1); stack(ht - 1) = rPtr; ht++; rPtr = stack(ht - 1)->link(0); ) if ((!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) && (!rPtr->link(1) || rPtr->link(1)->color == BLACK)) ( rPtr->color = RED; ) else ( if (!rPtr->link(0) || rPtr->link(0)->color == BLACK) ( qPtr = rPtr->link(1); rPtr->color = RED; qPtr->color = BLACK; rPtr->link(1) = qPtr->link(0); qPtr->link(0) = rPtr; rPtr = stack(ht - 1)->link(0) = qPtr; ) rPtr->color = stack(ht - 1)->color; stack(ht - 1)->color = BLACK; rPtr->link(0)->color = BLACK; stack(ht - 1)->link(0) = rPtr->link(1); rPtr->link(1) = stack(ht - 1); if (stack(ht - 1) == root) ( root = rPtr; ) else ( stack(ht - 2)->link(dir(ht - 2)) = rPtr; ) break; ) ) ht--; ) ) ) // Print the inorder traversal of the tree void inorderTraversal(struct rbNode *node) ( if (node) ( inorderTraversal(node->link(0)); printf("%d ", node->data); inorderTraversal(node->link(1)); ) return; ) // Driver code int main() ( int ch, data; while (1) ( printf("1. Insertion 2. Deletion"); printf("3. Traverse 4. Exit"); printf("Enter your choice:"); scanf("%d", &ch); switch (ch) ( case 1: printf("Enter the element to insert:"); scanf("%d", &data); insertion(data); break; case 2: printf("Enter the element to delete:"); scanf("%d", &data); deletion(data); break; case 3: inorderTraversal(root); printf(""); break; case 4: exit(0); default: printf("Not available"); break; ) printf(""); ) return 0; )
 // Implementing Red-Black Tree in C++ #include using namespace std; struct Node ( int data; Node *parent; Node *left; Node *right; int color; ); typedef Node *NodePtr; class RedBlackTree ( private: NodePtr root; NodePtr TNULL; void initializeNULLNode(NodePtr node, NodePtr parent) ( node->data = 0; node->parent = parent; node->left = nullptr; node->right = nullptr; node->color = 0; ) // Preorder void preOrderHelper(NodePtr node) ( if (node != TNULL) ( cout right); ) ) // Inorder void inOrderHelper(NodePtr node) ( if (node != TNULL) ( inOrderHelper(node->left); cout left); postOrderHelper(node->right); cout left, key); ) return searchTreeHelper(node->right, key); ) // For balancing the tree after deletion void deleteFix(NodePtr x) ( NodePtr s; while (x != root && x->color == 0) ( if (x == x->parent->left) ( s = x->parent->right; if (s->color == 1) ( s->color = 0; x->parent->color = 1; leftRotate(x->parent); s = x->parent->right; ) if (s->left->color == 0 && s->right->color == 0) ( s->color = 1; x = x->parent; ) else ( if (s->right->color == 0) ( s->left->color = 0; s->color = 1; rightRotate(s); s = x->parent->right; ) s->color = x->parent->color; x->parent->color = 0; s->right->color = 0; leftRotate(x->parent); x = root; ) ) else ( s = x->parent->left; if (s->color == 1) ( s->color = 0; x->parent->color = 1; rightRotate(x->parent); s = x->parent->left; ) if (s->right->color == 0 && s->right->color == 0) ( s->color = 1; x = x->parent; ) else ( if (s->left->color == 0) ( s->right->color = 0; s->color = 1; leftRotate(s); s = x->parent->left; ) s->color = x->parent->color; x->parent->color = 0; s->left->color = 0; rightRotate(x->parent); x = root; ) ) ) x->color = 0; ) void rbTransplant(NodePtr u, NodePtr v) ( if (u->parent == nullptr) ( root = v; ) else if (u == u->parent->left) ( u->parent->left = v; ) else ( u->parent->right = v; ) v->parent = u->parent; ) void deleteNodeHelper(NodePtr node, int key) ( NodePtr z = TNULL; NodePtr x, y; while (node != TNULL) ( if (node->data == key) ( z = node; ) if (node->data right; ) else ( node = node->left; ) ) if (z == TNULL) ( cout << "Key not found in the tree"  left == TNULL) ( x = z->right; rbTransplant(z, z->right); ) else if (z->right == TNULL) ( x = z->left; rbTransplant(z, z->left); ) else ( y = minimum(z->right); y_original_color = y->color; x = y->right; if (y->parent == z) ( x->parent = y; ) else ( rbTransplant(y, y->right); y->right = z->right; y->right->parent = y; ) rbTransplant(z, y); y->left = z->left; y->left->parent = y; y->color = z->color; ) delete z; if (y_original_color == 0) ( deleteFix(x); ) ) // For balancing the tree after insertion void insertFix(NodePtr k) ( NodePtr u; 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; rightRotate(k); ) k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; leftRotate(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; leftRotate(k); ) k->parent->color = 0; k->parent->parent->color = 1; rightRotate(k->parent->parent); ) ) if (k == root) ( break; ) ) root->color = 0; ) void printHelper(NodePtr root, string indent, bool last) ( if (root != TNULL) ( cout << indent; if (last) ( cout << "R----"; indent += " "; ) else ( cout  right, indent, true); ) ) public: RedBlackTree() ( TNULL = new Node; TNULL->color = 0; TNULL->left = nullptr; TNULL->right = nullptr; root = TNULL; ) void preorder() ( preOrderHelper(this->root); ) void inorder() ( inOrderHelper(this->root); ) void postorder() ( postOrderHelper(this->root); ) NodePtr searchTree(int k) ( return searchTreeHelper(this->root, k); ) NodePtr minimum(NodePtr node) ( while (node->left != TNULL) ( node = node->left; ) return node; ) NodePtr maximum(NodePtr node) ( while (node->right != TNULL) ( node = node->right; ) return node; ) NodePtr successor(NodePtr x) ( if (x->right != TNULL) ( return minimum(x->right); ) NodePtr y = x->parent; while (y != TNULL && x == y->right) ( x = y; y = y->parent; ) return y; ) NodePtr predecessor(NodePtr x) ( if (x->left != TNULL) ( return maximum(x->left); ) NodePtr y = x->parent; while (y != TNULL && x == y->left) ( x = y; y = y->parent; ) return y; ) void leftRotate(NodePtr x) ( NodePtr y = x->right; x->right = y->left; if (y->left != TNULL) ( y->left->parent = x; ) y->parent = x->parent; if (x->parent == nullptr) ( this->root = y; ) else if (x == x->parent->left) ( x->parent->left = y; ) else ( x->parent->right = y; ) y->left = x; x->parent = y; ) void rightRotate(NodePtr x) ( NodePtr y = x->left; x->left = y->right; if (y->right != TNULL) ( y->right->parent = x; ) y->parent = x->parent; if (x->parent == nullptr) ( this->root = y; ) else if (x == x->parent->right) ( x->parent->right = y; ) else ( x->parent->left = y; ) y->right = x; x->parent = y; ) // Inserting a node void insert(int key) ( NodePtr node = new Node; node->parent = nullptr; node->data = key; node->left = TNULL; node->right = TNULL; node->color = 1; NodePtr y = nullptr; NodePtr x = this->root; while (x != TNULL) ( y = x; if (node->data data) ( x = x->left; ) else ( x = x->right; ) ) node->parent = y; if (y == nullptr) ( root = node; ) else if (node->data data) ( y->left = node; ) else ( y->right = node; ) if (node->parent == nullptr) ( node->color = 0; return; ) if (node->parent->parent == nullptr) ( return; ) insertFix(node); ) NodePtr getRoot() ( return this->root; ) void deleteNode(int data) ( deleteNodeHelper(this->root, data); ) void printTree() ( if (root) ( printHelper(this->root, "", true); ) ) ); int main() ( RedBlackTree bst; bst.insert(55); bst.insert(40); bst.insert(65); bst.insert(60); bst.insert(75); bst.insert(57); bst.printTree(); cout << endl << "After deleting" << endl; bst.deleteNode(40); bst.printTree(); )

Aplicativos Red-Black Tree

  1. Para implementar mapas finitos
  2. Para implementar pacotes Java: java.util.TreeMapejava.util.TreeSet
  3. Para implementar bibliotecas de modelos padrão (STL) em C ++: multiset, map, multimap
  4. No kernel Linux

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