红黑树

红黑树是一种自平衡二叉搜索树，其中每个节点都包含一个额外的位来表示节点的颜色，红色或黑色。

红黑树满足以下属性

红/黑属性：每个节点都有颜色，要么是红色，要么是黑色。
根属性：根节点是黑色的。
叶子属性：每个叶子（NIL）都是黑色的。
红色属性：如果一个红色节点有子节点，那么子节点始终是黑色的。
深度属性：对于每个节点，从该节点到其任何后代叶子的任何简单路径都具有相同的黑色深度（黑色节点的数量）。

红黑树的示例如下：

每个节点具有以下属性

颜色
键
左子节点
右子节点
父节点（根节点除外）

红黑树如何保持自平衡的属性？

红黑颜色用于平衡树。

对节点颜色的限制确保了从根到叶子的任何简单路径的长度不会超过其他此类路径的两倍。这有助于维持红黑树的自平衡属性。

红黑树上的操作

红黑树上可以执行的各种操作包括

旋转红黑树中的子树

在旋转操作中，子树节点的顺序会相互交换。

旋转操作用于在插入和删除等其他操作违反红黑树属性时维护这些属性。

有两种类型的旋转

左旋

在左旋中，右侧节点的排列被转换为左侧节点的排列。

算法

设初始树为

初始树
如果 y 有左子树，则将 x 指定为 y 左子树的父节点。

将 x 指定为 y 左子树的父节点
如果 x 的父节点是 NULL，则将 y 指定为树的根节点。
否则，如果 x 是 p 的左子节点，则将 y 指定为 p 的左子节点。
否则，将 y 指定为 p 的右子节点。

更改 x 的父节点为其父节点 y
将 y 指定为 x 的父节点。

将 y 指定为 x 的父节点。

右旋

在右旋中，左侧节点的排列被转换为右侧节点的排列。

设初始树为

初始树
如果 x 有右子树，则将 y 指定为 x 右子树的父节点。

将 y 指定为 x 右子树的父节点
如果 y 的父节点是 NULL，则将 x 指定为树的根节点。
否则，如果 y 是其父节点 p 的右子节点，则将 x 指定为 p 的右子节点。
否则，将 x 指定为 p 的左子节点。

将 y 的父节点指定为 x 的父节点
将 x 指定为 y 的父节点。

将 x 指定为 y 的父节点

左右旋和右左旋

在左右旋中，排列首先向左移动，然后向右移动。

对 x-y 进行左旋。

左旋 x-y
对 y-z 进行右旋。

右旋 z-y

在右左旋中，排列首先向右移动，然后向左移动。

对 x-y 进行右旋。

右旋 x-y
对 z-y 进行左旋。

左旋 z-y

向红黑树中插入元素

插入新节点时，新节点始终作为红色节点插入。插入新节点后，如果树违反了红黑树的属性，则执行以下操作。

重新着色
旋转

插入节点的算法

插入新元素到红黑树时遵循以下步骤

设 y 为叶子（即 NIL），x 为树的根。
检查树是否为空（即 x 是否为 NIL）。如果是，则将 newNode 作为根节点插入并将其着色为黑色。
否则，重复以下步骤，直到到达叶子（NIL）。
1. 比较 newKey 和 rootKey。
2. 如果 newKey 大于 rootKey，则遍历右子树。
3. 否则，遍历左子树。
将叶子的父节点指定为 newNode 的父节点。
如果 leafKey 大于 newKey，则将 newNode 作为 rightChild。
否则，将 newNode 作为 leftChild。
将 NULL 指定给 newNode 的左子节点和右子节点。
将红色指定给 newNode。
调用 InsertFix 算法来维护红黑树的属性（如果已违反）。

为什么新插入的节点在红黑树中总是红色的？

这是因为插入一个红色节点不会违反红黑树的深度属性。

如果将一个红色节点附加到一个红色节点上，则规则会受到违反，但修复此问题比修复违反深度属性引起的问题更容易。

插入后维护红黑属性的算法

如果 newNode 的插入违反了红黑树的属性，则使用此算法来维护该属性。

当 newNode 的父节点 p 是红色时，执行以下操作。
如果 p 是 z 的祖父节点 gP 的左子节点，则执行以下操作。
情况 I
1. 如果 z 的祖父节点 gP 的右子节点颜色为红色，则将 gP 的两个子节点的颜色设置为黑色，并将 gP 的颜色设置为红色。
2. 将 gP 指定给 newNode。
  情况 II
3. 否则，如果 newNode 是 p 的右子节点，则将 p 指定给 newNode。
4. 左旋 newNode。
  情况 III
5. 将 p 的颜色设置为黑色，将 gP 的颜色设置为红色。
6. 右旋 gP。
否则，执行以下操作。
1. 如果 z 的祖父节点 gP 的左子节点颜色为红色，则将 gP 的两个子节点的颜色设置为黑色，并将 gP 的颜色设置为红色。
2. 将 gP 指定给 newNode。
3. 否则，如果 newNode 是 p 的左子节点，则将 p 指定给 newNode 并右旋 newNode。
4. 将 p 的颜色设置为黑色，将 gP 的颜色设置为红色。
5. 左旋 gP。
将树的根节点设置为黑色。

从红黑树中删除元素

此操作从树中删除一个节点。删除节点后，红黑属性会再次得到维护。

删除节点的算法

将 nodeToBeDeleted 的颜色保存在 originalColor 中。
如果 nodeToBeDeleted 的左子节点是 NULL
1. 将 nodeToBeDeleted 的右子节点指定给 x。
2. 用 x 替换 nodeToBeDeleted。
否则，如果 nodeToBeDeleted 的右子节点是 NULL
1. 将 nodeToBeDeleted 的左子节点插入 x。
2. 用 x 替换 nodeToBeDeleted。
否则
1. 将 noteToBeDeleted 右子树的最小值指定给 y。
2. 将 y 的颜色保存在 originalColor 中。
3. 将 y 的 rightChild 指定给 x。
4. 如果 y 是 nodeToBeDeleted 的子节点，则将 x 的父节点设置为 y。
5. 否则，用 y 的 rightChild 替换 y。
6. 用 y 替换 nodeToBeDeleted。
7. 将 y 的颜色设置为 originalColor。
如果 originalColor 是黑色，则调用 DeleteFix(x)。

删除后维护红黑属性的算法

当删除一个黑色节点时，会违反红黑树的黑色深度属性，此时实现此算法。

通过假设节点 x（它占据 y 的原始位置）具有额外的黑色来纠正此违规。这使得节点 x 既不是红色也不是黑色。它是双重黑色或红黑相间。这违反了红黑属性。

但是，x 的颜色属性并未更改，而是将额外的黑色表示在 x 指向的节点上。

当以下情况发生时，可以删除额外的黑色

它到达了根节点。
如果 x 指向一个红黑节点。在这种情况下，x 被着色为黑色。
执行适当的旋转和重新着色。

以下算法可保留红黑树的属性。

当 x 不是树的根节点且 x 的颜色为黑色时，执行以下操作
如果 x 是其父节点的左子节点，则
1. 将 w 指定为 x 的兄弟节点。
2. 如果 x 父节点的右子节点是红色的，
  情况 I
  1. 将 x 父节点的右子节点颜色设置为黑色。
  2. 将 x 的父节点颜色设置为红色。
  3. 左旋 x 的父节点。
  4. 将 x 的父节点的 rightChild 指定给 w。
3. 如果 w 的右子节点和 leftChild 的颜色均为黑色，
  情况 II
  1. 将 w 的颜色设置为红色
  2. 将 x 的父节点指定给 x。
4. 否则，如果 w 的 rightChild 颜色是黑色
  情况 III
  1. 将 w 的 leftChild 颜色设置为黑色
  2. 将 w 的颜色设置为红色
  3. 右旋 w。
  4. 将 x 父节点的 rightChild 指定给 w。
5. 如果以上任何情况未发生，则执行以下操作。
  情况 IV
  1. 将 w 的颜色设置为 x 的父节点的颜色。
  2. 将 x 的父节点颜色设置为黑色。
  3. 将 w 的右子节点颜色设置为黑色。
  4. 左旋 x 的父节点。
  5. 将 x 指定为树的根节点。
否则，与上面相同，但左右互换。
将 x 的颜色设置为黑色。

有关更多解释和示例，请参阅插入和删除操作。

Python、Java 和 C/C++ 示例

Python

Java

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("\nAfter 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("\nAfter deleting:");
    bst.deleteNode(40);
    bst.printTree();
  }
}

// Implementing Red-Black Tree in C

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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!!\n");
      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\n");
    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 < 1)
    return;

  if (ptr->color == BLACK) {
    while (1) {
      pPtr = stack[ht - 1]->link[dir[ht - 1]];
      if (pPtr && pPtr->color == RED) {
        pPtr->color = BLACK;
        break;
      }

      if (ht < 2)
        break;

      if (dir[ht - 2] == 0) {
        rPtr = stack[ht - 1]->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\t2. Deletion\n");
    printf("3. Traverse\t4. Exit");
    printf("\nEnter 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("\n");
        break;
      case 4:
        exit(0);
      default:
        printf("Not available\n");
        break;
    }
    printf("\n");
  }
  return 0;
}

// Implementing Red-Black Tree in C++

#include <iostream>
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 << node->data << " ";
      preOrderHelper(node->left);
      preOrderHelper(node->right);
    }
  }

  // Inorder
  void inOrderHelper(NodePtr node) {
    if (node != TNULL) {
      inOrderHelper(node->left);
      cout << node->data << " ";
      inOrderHelper(node->right);
    }
  }

  // Post order
  void postOrderHelper(NodePtr node) {
    if (node != TNULL) {
      postOrderHelper(node->left);
      postOrderHelper(node->right);
      cout << node->data << " ";
    }
  }

  NodePtr searchTreeHelper(NodePtr 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);
  }

  // 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 <= key) {
        node = node->right;
      } else {
        node = node->left;
      }
    }

    if (z == TNULL) {
      cout << "Key not found in the tree" << endl;
      return;
    }

    y = z;
    int y_original_color = 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);
      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 << "L----";
        indent += "|  ";
      }

      string sColor = root->color ? "RED" : "BLACK";
      cout << root->data << "(" << sColor << ")" << endl;
      printHelper(root->left, indent, false);
      printHelper(root->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 < x->data) {
        x = x->left;
      } else {
        x = x->right;
      }
    }

    node->parent = y;
    if (y == nullptr) {
      root = node;
    } else if (node->data < y->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();
}

红黑树的应用

实现有限映射
实现 Java 包：java.util.TreeMap 和 java.util.TreeSet
实现 C++ 的标准模板库（STL）：multiset、map、multimap
在 Linux 内核中

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认证课程

成为一名认证的 Python
程序员。

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DSA 简介

数据结构 (I)

数据结构 (II)

基于树的 DSA (I)

基于树的 DSA (II)

基于图的 DSA

排序和搜索算法

贪婪算法

动态规划

其他算法

红黑树

红黑树上的操作

旋转红黑树中的子树

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左右旋和右左旋

向红黑树中插入元素

插入节点的算法

插入后维护红黑属性的算法

从红黑树中删除元素

删除节点的算法

删除后维护红黑属性的算法

Python、Java 和 C/C++ 示例

红黑树的应用

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