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红黑树 (red-black tree)

红黑树(Red Black Tree) 是一种自平衡二叉查找树。一种特化的AVL树,在进行插入和删除操作时通过特定操作保持二叉查找树的平衡,从而获得较高的查找性能。 它可以在O(log n)时间内做查找,插入和删除。

它的每个结点都被“着色”为红色或者黑色,这些结点的颜色被用来检测树的平衡性。

应用场景

  • C++ STL的map和set
  • java 中 HashMap、TreeMap 的底层实现,当HashMap中元素大于8个时,HashMap底层存储实现改为红黑树,以提高元素搜索速度。 关于 HashMap 实现解析参考 这里
  • 广泛应用Linux 的进程管理、内存管理,设备驱动及虚拟内存跟踪
  • epoll的的的实现采用红黑树组织管理的的的sockfd,以支持快速的增删改查
  • Nginx的的的中用红黑树管理定时器,因为红黑树是有序的,可以很快的得到距离当前最小的定时器

RB tree 特点

  • 每个节点非红即黑
  • 根节点是黑的
  • 每个叶节点(叶节点即树尾端NULL指针或NULL节点)都是黑的
  • 如果一个节点是红的,那么它的两儿子都是黑的
  • 对于任意节点而言,其到叶子点树NULL指针的每条路径都包含相同数目的黑节点
  • 每条路径都包含相同的黑节点

在每个节点增加一个存储位表示节点的颜色,可以是红或黑(非红即黑);通过对任何一条从根到叶子的路径上各个节点着色的方式的限制,红黑树确保没有一条路径会比其它路径长出两倍;

因此,红黑树是一种弱平衡二叉树(由于是弱平衡,可以看到,在相同的节点情况下,AVL树的高度低于红黑树)。相对于要求严格的AVL树来说,它的旋转次数少,所以对于搜索,插入,删除操作较多的情况下,我们就用红黑树。

也就是说,红黑树牺牲掉一定的平衡性(牺牲查找性能),换来了 插入,删除操作时 更少的旋转次数带来的开销。

红黑树 & B+ 树对比

  • 红黑树多用在内部排序,即全放在内存中的
  • B+树多用于外存上时,B+也被成为一个磁盘友好的数据结构; 这也是为什么 mysql索引使用b+树而不使用红黑树

为什么使用 红黑树 而不是 B+ 树呢?原因如下:

  • 没有范围查找, 不需要 B+
  • 不需要多路平衡树,使用二路平衡,实现简单,且红黑树能兼顾 查找,删除操作的性能