Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Рисунок 8.15. Балансировка после удаления: заключительный случай

Итак, мы рассмотрели все возможности. При этом использовались два рекурсивных шага или, точнее, два шага, которые требовали дальнейших усилий по балансировке. Первый - когда братский узел был красным, и его нужно было сделать черным. Второй - когда родительский, братский и узлы-племянники были черными. Существовали еще три случая: родительский узел был красным, а братский узел и узлы-племянники были черными;

братский узел был черным, а дальний узел-племянник красным (цвет родительского узла и ближайшего узла-племянника "не имели значения");

и, наконец, случай, когда братский узел был черным, дальний узел-племянник черным, а ближайший узел-племянник красным. Если вы еще раз взглянете на рисунки 8.12, 8.13, 8.14 и 8.15, то убедитесь, что мы рассмотрели все варианты.

Опуская математические выкладки, отметим, что алгоритм удаления из красно-черного дерева является алгоритмом типа O(log(n)), хотя постоянный коэффициент времени больше, чем в случае простого бинарного дерева.

Операция удаления узла из красно-черного дерева реализуется с помощью кода, представленного в листинге 8.25.

Листинг 8.25. Удаление из красно-черного дерева

procedure TtdRedBlackTree.Delete(aItem : pointer);

var

Node : PtdBinTreeNode;

Dad : PtdBinTreeNode;

Child : PtdBinTreeNode;

Brother : PtdBinTreeNode;

FarNephew : PtdBinTreeNode;

NearNephew : PtdBinTreeNode;

IsBalanced : boolean;

ChildType : TtdChildType;

begin

{выполнить поиск узла, который нужно удалить; этот узел будет иметь единственный дочерний узел}

Node := bstFindNodeToDelete(aItem);

{если узел красный или является корневым, его можно безнаказанно удалить}

if (Node^.btColor = rbRed) or (Node = FBinTree.Root) then begin

FBinTree.Delete(Node);

dec(FCount);

Exit;

end;

{если единственный дочерний узел является красным, перекрасить его в черный цвет и удалить узел}

if (Node^.btChild[ctLeft] =nil) then

Child := Node^.btChild[ctRight] else

Child :=Node^.btChild[ctLeft];

if IsRed(Child) then begin

Child^.btColor :=rbBlack;

FBinTree.Delete(Node);

dec(FCount);

Exit;

end;

{на этом этапе узел, который нужно удалить, - узел Node; он является черным и известно, что дочерний узел Child, который его заменит, является черным (а также может быть нулевым!) и что существует родительский узел узла Node (который вскоре станет родительским узлом узла Child); братский узел узла Node также существует в соответствии с правилом, сформулированным для черных узлов}

{если узел Child является нулевым, необходимо несколько упростить выполнение цикла и определить родительский и братский узлы и определить, является ли узел Node левым дочерним узлом}

if (Child = nil) then begin

Dad := Node^.btParent;

if (Node = Dad^.btChild[ctLeft]) then begin

ChildType :=ctLeft;

Brother := Dad^.btChild[ctRight];

end

else begin

ChildType :=ctRight;

Brother := Dad^.btChild[ctLeft];

end;

end

else begin

{следующие три строки предназначены просто для введения в заблуждение компилятора и предотвращения вывода ряда ложных предупреждений}

Dad := nil;

Brother := nil;

ChildType :=ctLeft;

end;

{удалить узел — он больше не нужен}

FBinTree.Delete(Node);

dec(FCount);

Node := Child;

{циклически применять алгоритмы балансировки при удалении из красно-черного дерева до тех пор, пока дерево не окажется сбалансированным}

repeat

{предположим, что дерево сбалансировано}

IsBalanced := true;

{если узел является корневым, балансировка выполнена, поэтому предположим, что это не так}

if (Node <> FBinTree.Root) then begin

{получить родительский и братский узлы}

if (Node <> nil) then begin

Dad := Node^.btParent;

if (Node = Dad^.btChild[ctLeft]) then begin

ChildType := ctLeft;

Brother := Dad^.btChild[ctRight];

end

else begin

ChildType := ctRight;

Brother := Dad^.btChild[ctLeft];

end;

end;

{нам требуется наличие черного братского узла, поэтому если в настоящий момент братский узел окрашен в красный цвет, окрасить родительский узел в красный цвет, братский узел в черный цвет и повысить ранг братского узла; затем снова повторить цикл}

if (Brother^.btColor = rbRed) then begin

Dad^.btColor := rbRed;

Brother^.btColor :=rbBlack;

rbtPromote(Brother);

IsBalanced := false;

end

{ в противном случае братский узел является черным}

else begin

{получить узлы-племянники, помеченные как дальний и ближний}

if (ChildType = ctLeft) then begin

FarNephew := Brother^.btChild[ctRight];

NearNephew := Brother^.btChild[ctLeft];

end

else begin

FarNephew := Brother^.btChild[ctLeft];

NearNephew := Brother^.btChild[ctRight];

end;

{если дальний узел-племянник является красным (обратите внимание, что он может быть нулевым), окрасить его в черный цвет, братский узел в цвет родительского узла, а родительский узел в красный цвет, а затем повысить ранг братского узла; задача выполнена}

if IsRed( FarNephew) then begin

FarNephew^.btColor :=rbBlack;

Brother^.btColor := Dad^.btColor;

Dad^.btColor :=rbBlack;

rbtPromote(Brother);

end

{в противном случае дальний узел-племянник является черным}

else begin

{если ближний узел-племянник является красным (обратите внимание, что он может быть нулевым), окрасить его в цвет родительского узла, родительский узел в черный цвет и повысить ранг узла-племянника посредством спаренного двустороннего поворота; в этом случае задача выполнена}

if isRed(NearNephew) then begin

NearNephew^.btColor := Dad^.btColor;

Dad^.btColor :=rbBlack;

rbtPromote(rbtPromote(NearNephew));

end

{в противном случае ближний узел-племянник является также черным}

else begin

{если родительский узел красный, окрасить его в черный цвет, а братский узел в красный, в результате чего задача будет выполнена}

if (Dad^.btColor = rbRed) then begin

Dad^.btColor :=rbBlack;

Brother^.btColor := rbRed;

end

{в противном случае родительский узел красный: окрасить братский узел в красный цвет и начать балансировку с родительского узла}

else begin

Brother^.btColor := rbRed;

Node := Dad;

IsBalanced := false;

end;

end;

end;

end;

end;

until IsBalanced;

end;

За исключением перекрытых методов Insert и Delete, класс TtdRedBlackTree не представляет особого интереса. Код интерфейса и дополнительного внутреннего метода, выполняющего повышение ранга узла, приведен в листинге 8.26.

Листинг 8.26. Класс TtdRedBlack и метод повышения ранга узла

type

TtdRedBlackTree = class(TtdBinarySearchTree) private protected

function rbtPromote(aNode : PtdBinTreeNode): PtdBinTreeNode;

public

procedure Delete(aItem : pointer); override;

procedure Insert(aItem : pointer); override;

end;

function TtdRedBlackTree.rbtPromote(aNode : PtdBinTreeNode): PtdBinTreeNode;

var

Parent : PtdBinTreeNode;

begin

{пометить родительский узел узла, ранг которого повышается}

Parent := aNode^.btParent;

{в обоих случаях существует 6 связей, которые необходимо разорвать и перестроить: связь узла с его дочерним узлом и противоположная связь; связь узла с его родительским узлом и противоположная связь; и связь родительского узла с его родительским узлом и противоположная связь; обратите внимание, что дочерний узел данного узла может быть нулевым}

{повысить ранг левого дочернего узла, т.е. выполнить поворот родительского узла вправо}

if (Parent^.btChild[ctLeft] = aNode) then begin

Parent^.btChild[ctLeft] := aNode^.btChild[ctRight];

if (Parent^.btChild[ctLeft]<> nil) then

Parent^.btChild[ctLeft]^.btParent := Parent;

aNode^.btParent := Parent^.btParent;

if (aNode^.btParent^.btChild[ctLeft] = Parent) then

aNode^.btParent^.btChild[ctLeft] := anode

else

aNode^.btParent^.btChild[ctRight J := aNode;

aNode^.btChild[ctRight] := Parent;

Parent^.btParent := aNode;

end

{повысить ранг правого дочернего узла, т.е. выполнить поворот родительского узла влево}

else begin

Parent^.btChild[ctRight] := aNode^.btChild[ctLeft];

if (Parent^.btChild[ctRight]<> nil) then

Parent^.btChild[ctRight]^.btParent := Parent;

aNode^.btParent := Parent^.btParent;

if (aNode^.btParent^.btChild[ctLeft] = Parent) then

aNode^.btParent^.btChild[ctLeft] := anode else

aNode^.btParent^.btChild[ctRight] := aNode;

aNode^.btChild[ctLeft] := Parent;

Parent^.btParent := aNode;

end;

{вернуть узел, ранг которого был повышен}

Result := aNode;

end;

Исходный код класса TtdRedBlackTree можно найти на Web-сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDBinTre.pas.

Резюме

В этой главе мы рассмотрели бинарные деревья - важную структуру данных, которая может использоваться во многих прикладных приложениях. Мы рассмотрели стандартное бинарное дерево, а затем перешли к исследованию его сортированной разновидности - дереву бинарного поиска.

В ходе рассмотрения дерева бинарного поиска мы ознакомились с проблемой, которая может возникнуть во время вставки и удаления - проблемой вырождения дерева, - именно в это связи мы исследовали способы ее устранения. Первое решение, скошенное дерево, предоставляет хорошую возможность, несмотря на то, что при этом эффективность вставки и удаления лишь в среднем, а не всегда, описывается соотношением O(log(n)). Однако эта разновидность дерева представляет собой приемлемый компромисс между стандартным деревом бинарного поиска и таким действительно сбалансированным деревом, как красно-черное дерево.

Воспользовавшись красно-черным деревом, мы, наконец, получили полное дерево бинарного поиска, имеющее встроенные алгоритмы балансировки как для вставки, так и для удаления.

Глава 9. Очереди по приоритету и пирамидальная сортировка.

В главе 3 мы рассмотрели несколько очень простых структур данных. Одной из них была очередь. В эту структуру можно было добавлять элементы, а затем извлекать их в порядке поступления. При этом сохранение даты и времени создания записи позволяло не обращать внимания на реальную длину элемента в очереди. Вместо этого мы просто организовали элементы по порядку их поступления в связный список или массив, а затем удаляли их в порядке поступления. При этом использовались две базовые операции: "добавление элемента в очередь" (называемая еще постановкой в очередь) и "удаление самого старого элемента очереди" (или вывод из очереди).