Java红黑树实现Map简单示例

news2025/10/31 17:34:34

红黑树（Red-Black Tree）是一种自平衡的二叉搜索树，它是由 Rudolf Bayer 在 1972 年提出的，后来由 Leo J. Guibas 和 Robert Sedgewick 在 1978 年发表的论文中形式化定义。

红黑树具有以下特性：
1.节点颜色：每个节点都具有颜色属性，通常是红色或黑色。
2.根节点和叶子节点：根节点和叶子节点（NIL 节点）的颜色为黑色。
3.相邻节点颜色：不能有两个相邻的红色节点，即红色节点的子节点和父节点不能同时为红色。
4.黑色高度：任何一条从根节点到叶子节点（NIL节点）的路径上，黑色节点的数量必须相同，这个数量称为黑色高度。

由于红黑树具有这些特性，它能够保持在插入、删除等操作过程中的平衡状态，使得树的高度保持在较低水平，从而保证了查找、插入和删除操作的时间复杂度始终是O(log n)。

红黑树在实际中被广泛应用，尤其是在实现各种数据结构和算法中，比如在 Java 中的 TreeMap、TreeSet等集合类的实现中就使用了红黑树。因为红黑树具有较好的平衡性和高效性，能够快速地支持查找、插入和删除等操作，适用于很多需要快速查找、有序存储的场景。

下面这段代码是类似于 Map 的简单实现，实际的 Map 实现中，还可能包含更多的功能，比如支持迭代、删除、更新等操作，以及更复杂的实现方式。

public class RedBlackTree {
    private static final boolean RED = true;
    private static final boolean BLACK = false;

    private static class Node {
        int key;
        String value;
        Node left, right;
        boolean color;

        public Node(int key, String value, boolean color) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.color = color;
        }
    }

    private Node root;

    // 左旋转操作
    private Node rotateLeft(Node h) {
        Node x = h.right;
        h.right = x.left;
        x.left = h;
        x.color = h.color;
        h.color = RED;
        return x;
    }

    // 右旋转操作
    private Node rotateRight(Node h) {
        Node x = h.left;
        h.left = x.right;
        x.right = h;
        x.color = h.color;
        h.color = RED;
        return x;
    }

    // 颜色翻转操作
    private void flipColors(Node h) {
        h.color = RED;
        h.left.color = BLACK;
        h.right.color = BLACK;
    }

    // 插入操作
    public void insert(int key, String value) {
        root = insert(root, key, value);
        root.color = BLACK;
    }

    private Node insert(Node h, int key, String value) {
        if (h == null)
            return new Node(key, value, RED);

        if (key < h.key)
            h.left = insert(h.left, key, value);
        else if (key > h.key)
            h.right = insert(h.right, key, value);
        else
            h.value = value; // 更新值

        if (isRed(h.right) && !isRed(h.left))
            h = rotateLeft(h);
        if (isRed(h.left) && isRed(h.left.left))
            h = rotateRight(h);
        if (isRed(h.left) && isRed(h.right))
            flipColors(h);

        return h;
    }

    // 判断节点颜色
    private boolean isRed(Node x) {
        if (x == null)
            return false;
        return x.color == RED;
    }

    // 查找操作
    public String search(int key) {
        Node node = search(root, key);
        return node == null ? null : node.value;
    }

    private Node search(Node x, int key) {
        if (x == null)
            return null;
        if (key < x.key)
            return search(x.left, key);
        else if (key > x.key)
            return search(x.right, key);
        else
            return x;
    }

    public static void main(String[] args) {
        RedBlackTree tree = new RedBlackTree();
        tree.insert(1, "A");
        tree.insert(2, "B");
        tree.insert(3, "C");
        tree.insert(4, "D");
        //tree.insert(5, "E");
        tree.insert(6, "F");
        tree.insert(7, "G");
        tree.insert(8, "H");

        System.out.println("Key 3 的值为：" + tree.search(3));
        System.out.println("Key 5 的值为：" + tree.search(5));
        System.out.println("Key 8 的值为：" + tree.search(8));
        System.out.println("Key 9 的值为：" + tree.search(9));
    }
}