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关联容器（底层机制） — 红黑树

2024-07-03 08:31:43   230人阅读

set、map、multiset、multimap四种关联式容器的内部都是由红黑树实现的。在STL中红黑树是一个不给外界使用的独立容器。既然是容器，那么就会分配内存空间（节点），内部也会存在迭代器。关于红黑树的一些性质，可以参考“数据结构”中的笔记，这里只记录STL中的红黑树是如何实现的。

和slist一样，红黑树的节点和迭代器均采用了双层结构：
  • 节点：__rb_tree_node继承自__rb_tree_node_base
  • 迭代器：__rb_tree_iterator继承自__rb_tree_base_iterator
先看看颜色标识：
typedef bool __rb_tree_color_type;  // 标识红黑树节点颜色的类型
const __rb_tree_color_type __rb_tree_red = false;
const __rb_tree_color_type __rb_tree_black = true;

基础节点：
struct __rb_tree_node_base
{
  typedef __rb_tree_color_type color_type;
  typedef __rb_tree_node_base* base_ptr;
 
  color_type color; // 节点颜色
  base_ptr parent;  // RB树的许多操作必须知道父节点
  base_ptr left;    // 指向左儿子
  base_ptr right;   // 指向右儿子
 
  static base_ptr minimum(base_ptr x)
  { // 二叉搜索树特性
    while (x->left != 0) x = x->left;
    return x;
  }
 
  static base_ptr maximum(base_ptr x)
  { // 二叉搜索树特性
    while (x->right != 0) x = x->right;
    return x;
  }
};

基础节点定义了一些类型和指针，两个操作为求最小、最大值。

上层节点：
template <class Value>
struct __rb_tree_node : public __rb_tree_node_base
{
  typedef __rb_tree_node<Value>* link_type;
  Value value_field;  // 节点值
};

上层节点很简单，只包含一个指针类型和存放节点值的变量。

基础迭代器：
struct __rb_tree_base_iterator
{
  typedef __rb_tree_node_base::base_ptr base_ptr;
  typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // 双向迭代器
  typedef ptrdiff_t difference_type;
  base_ptr node;  // 迭代器和节点之间的纽带
 
  void increment()  // 迭代器++时使用
  {
       ....
  }
 
  void decrement()  // 迭代器--时使用
  {
       ....
  }
};

基础迭代器中注意node成员，然后是两个专供operator++和operator--的内部方法，它们根据红黑树特性使node指向后一个或前一个节点，因为红黑树是一个二叉搜索树，找出键值相邻的节点是有规律可循的。所以，红黑树的迭代器属于双向迭代器。

上层迭代器：
template <class Value, class Ref, class Ptr>
struct __rb_tree_iterator : public __rb_tree_base_iterator
{
  typedef Value value_type;
  typedef Ref reference;
  typedef Ptr pointer;
  typedef __rb_tree_iterator<Value, Value&, Value*>             iterator;
  typedef __rb_tree_iterator<Value, const Value&, const Value*> const_iterator;
  typedef __rb_tree_iterator<Value, Ref, Ptr>                   self;
  typedef __rb_tree_node<Value>* link_type; // 指向上层节点的指针
 
  __rb_tree_iterator() {}
  __rb_tree_iterator(link_type x) { node = x; } // 初始化node
  __rb_tree_iterator(const iterator& it) { node = it.node; }
 
  reference operator*() const { return link_type(node)->value_field; }  // 解引用，注意link_type类型转换
  pointer operator->() const { return &(operator*()); }    // 箭头操作符
 
  self& operator++() { increment(); return *this; }
  self operator++(int) {
      ....
  }
     
  self& operator--() { decrement(); return *this; }
  self operator--(int) {
      ....
  }
};

上层迭代器就是红黑树类中的迭代器，对它的++或--操作最终都是调用了基础迭代器中的increment()或decrement()。

下面记录一下红黑树的数据结构框架：
template <class Key, class Value, class KeyOfValue, class Compare,
          class Alloc = alloc>
class rb_tree {
  ....
  typedef __rb_tree_node<Value> rb_tree_node;
  typedef simple_alloc<rb_tree_node, Alloc> rb_tree_node_allocator; // 空间配置器，一次分配一个节点
  typedef rb_tree_node* link_type;
 
  link_type get_node() { return rb_tree_node_allocator::allocate(); }  // 获得一个节点空间
  void put_node(link_type p) { rb_tree_node_allocator::deallocate(p); }  // 释放一个节点空间
 
  link_type create_node(const value_type& x) {  // 分配并构造一个节点
    link_type tmp = get_node();
    construct(&tmp->value_field, x);
    return tmp;
  }
  ....
  void destroy_node(link_type p) {  // 析构并释放一个节点
    destroy(&p->value_field);
    put_node(p);
  }
protected:
  size_type node_count; // 记录节点数量
  link_type header;     // 使用上的一个技巧
  Compare key_compare;  // 键值大小比较准则
 
  ....
  static link_type& left(link_type x) { return (link_type&)(x->left); }     // 左儿子
  static link_type& right(link_type x) { return (link_type&)(x->right); }   // 右儿子
   
  ....
  static link_type minimum(link_type x) { 
    return (link_type)  __rb_tree_node_base::minimum(x);  // 调用底层节点的函数获得键值最小的节点
  }
  static link_type maximum(link_type x) {
    return (link_type) __rb_tree_node_base::maximum(x);  // 调用底层节点的函数获得键值最大的节点
  }
 
  ....
public:
  pair<iterator,bool> insert_unique(const value_type& x);  // 节点键值独一无二
  iterator insert_equal(const value_type& x);            // 节点键值可重复性
  void erase(iterator position);                           // 删除节点
  ....
 
public:
  // 以下函数在multimap和multiset中使用
  iterator find(const key_type& x);
  size_type count(const key_type& x) const;
  iterator lower_bound(const key_type& x);
  iterator upper_bound(const key_type& x);
  pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& x);
}


注意上面代码的红色部分使用了一个技巧来处理节点为root时的边界情况，它使用了一个header指针。先看看初始化header的函数：
link_type& root() const { return (link_type&) header->parent; }
link_type& leftmost() const { return (link_type&) header->left; }
link_type& rightmost() const { return (link_type&) header->right; }

void init() {   // 初始化header
    header = get_node();
    color(header) = __rb_tree_red; // used to distinguish header from 
                                   // root, in iterator.operator--
    root() = 0;   // header->parent = null
    leftmost() = header;
    rightmost() = header;
  }

把header指向节点的颜色设置为红色（为了区别根节点的黑色），注意这不是根节点，只是类似一个哨兵节点。header的parent始终指向root（这里初始化为null）；left始终指向最小节点；right始终指向最大节点。header记录了这些信息之后，容器的begin()、end()就很好求了：
iterator begin() { return leftmost(); }   // header->left
iterator end() { return header; }       // 返回header，调用__rb_tree_iterator构造函数由指针转迭代器

和其它容器一样，end()同样是返回最后一个元素（最大节点）的下一个节点。

参考：
《STL源码剖析》 P213.


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