红黑树java代码实现

红黑树 思想源于：https://www.cnblogs.com/nananana/p/10434549.html
有解释有图，很清晰（删除时需考虑根节点和兄弟节点的子节点是否存在）

package tree;

import jdk.nashorn.internal.ir.callnode;

import java.util.random;

/**
 * 红黑树
 * 思想源于：https://www.cnblogs.com/nananana/p/10434549.html
 */
public class rbtree {
    private rbtree.node root = null;

    private enum color {red, black}

    private enum child {left, right}

    private class node {
        private integer key;    //key
        private object data;    //value
        private node leftchild;   //左子节点
        private node rightchild;  //右子节点
        private node parent;  //父节点
        private color color;   //红黑标示

        private node() {
        }

        node(object key, object data, color color) {
            this.key = (integer) key;
            this.data = data;
            this.color = color;
        }

        public color getcolor() {
            return color;
        }

        public void setcolor(color color) {
            this.color = color;
        }

        boolean isred() {
            if (this.color.equals(color.red))
                return true;
            return false;
        }
    }

    /**
     * 插入数据
     *
     * @param value 插入数据
     * @return 数据重复返回false
     */
    boolean insertnode(integer key, object value) {
        return insertnode(root, key, value, null, child.left);
    }

    private boolean insertnode(node node, integer key, object value, node prenode, child child) {
        if (node == null) {
            node = new node(key, value, color.red);
            if (prenode == null) {  //父节点为空，将node设为根节点
                root = node;
            } else {
                if (child.equals(child.left)) {
                    prenode.leftchild = node;
                } else {
                    prenode.rightchild = node;
                }
                node.parent = prenode;
            }

            //通过rb_insert_fixup对红黑树的结点进行颜色修改以及旋转，让树仍然是一颗红黑树
            rb_insert_fixup(node);
            return true;
        } else {
            if (key.compareto(node.key) == 0) {
                //root = node;
                return false;
            } else if (key.compareto(node.key) < 0) {
                if (!insertnode(node.leftchild, key, value, node, child.left)) {
                    return false;
                }
            } else {
                if (!insertnode(node.rightchild, key, value, node, child.right)) {
                    return false;
                }
            }
            return true;
        }
    }

    /**
     * @param node 插入节点
     */
    private void rb_insert_fixup(node node) {
        node pnode = node.parent;
        if (node == root) { //插入结点为跟节点，直接改变颜色
            node.setcolor(color.black);
            return;
        }
        if (node == null || pnode.color.equals(color.black)) {    //插入结点的父结点为黑结点,由于插入的结点是红色的，并不会影响红黑树的平衡，直接插入即可，无需做自平衡。
            return;
        } else {    //情景4：插入结点的父结点为红结点
            node granode = node.parent.parent;
            if (pnode == granode.leftchild) {  //父节点是祖父节点的左子节点
                if (granode.rightchild != null && granode.rightchild.isred()) { //情景4.1：叔叔结点存在并且为红结点
                    /*将p和s设置为黑色（当前插入结点i）将gra设置为红色 把gra设置为当前插入结点*/
                    pnode.setcolor(color.black);
                    granode.rightchild.setcolor(color.black);
                    granode.setcolor(color.red);
                    rb_insert_fixup(granode);
                } else { //情景4.2：叔叔结点不存在或为黑结点，并且插入结点的父亲结点是祖父结点的左子结点
                    if (node == pnode.leftchild) {//情景4.2.1 插入结点是其父结点的左子结点
                        /*将p设为黑色 将gra设为红色 对gra进行右旋*/
                        pnode.setcolor(color.black);
                        granode.setcolor(color.red);
                        rrotate(granode);
                    } else {    //情景4.2.2 插入结点是其父结点的右子结点
                        /*对p进行左旋 把p设置为插入结点，得到情景4.2.1 进行情景4.2.1的处理*/
                        lrotate(pnode);
                        rb_insert_fixup(pnode);
                    }

                }
            } else { //4.3 父节点是祖父节点的右子节点
                if (granode.leftchild != null && granode.leftchild.isred()) { //情景4.3：叔叔结点存在并且为红结点+
                    /*将p和s设置为黑色（当前插入结点i）将gra设置为红色 把gra设置为当前插入结点*/
                    pnode.setcolor(color.black);
                    granode.leftchild.setcolor(color.black);
                    granode.setcolor(color.red);
                    rb_insert_fixup(granode);
                } else { //情景4.3.1：叔叔结点不存在或为黑结点，并且插入结点的父亲结点是祖父结点的左子结点
                    if (node == pnode.rightchild) {//情景4.3.1：插入结点是其父结点的右子结点
                        /*将p设为黑色 将gra设为红色 对pp进行左旋*/
                        pnode.setcolor(color.black);
                        granode.setcolor(color.red);
                        lrotate(granode);
                    } else {    //情景4.3.2 插入结点是其父结点的右子结点
                        /*对p进行右旋 把p设置为插入结点，得到情景4.3.1 进行情景4.3.1的处理*/
                        rrotate(pnode);
                        rb_insert_fixup(pnode);
                    }
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 右旋
     *
     * @param t
     */
    private void rrotate(node t) {
        node lc = t.leftchild;
        t.leftchild = lc.rightchild;
        if (t.leftchild != null) {
            t.leftchild.parent = t;
        }
        lc.rightchild = t;
        returnpnode(t, lc);
    }

    private node returnpnode(node t, node node) {
        if (t == root) {
            root = node;
        } else if (t.parent.leftchild == t) {
            t.parent.leftchild = node;
        } else {
            t.parent.rightchild = node;
        }
        node.parent = t.parent;
        t.parent = node;
        return node;
    }

    /**
     * 左旋
     *
     * @param t
     */
    private void lrotate(node t) {
        node rc = t.rightchild;
        t.rightchild = rc.leftchild;
        if (t.rightchild != null) {

            t.rightchild.parent = t;
        }
        rc.leftchild = t;
        returnpnode(t, rc);
    }

    /**
     * 中序
     */
    public void ldrtraversal() {
        ldrtraversal(root);
    }

    /**
     * 中序
     */
    private void ldrtraversal(node node) {
        if (node != null) {
            ldrtraversal(node.leftchild);
            system.out.print(node.key + ":" + node.color + ";");
            //system.out.print("key:" + node.key + "-value" + node.data + ":" + node.color + ";");
            ldrtraversal(node.rightchild);
        }

    }

    /**
     * 先序
     */
    public void dlrtraversal() {
        dlrtraversal(root);
    }

    /**
     * 先序
     */
    private void dlrtraversal(node node) {
        if (node != null) {
            system.out.print(node.key + ":" + node.color + ";");
            dlrtraversal(node.leftchild);
            dlrtraversal(node.rightchild);
        }

    }

    /**
     * 后序
     */
    public void lrdtraversal() {
        lrdtraversal(root);
    }

    /**
     * 后序
     */
    private void lrdtraversal(node node) {
        if (node != null) {
            lrdtraversal(node.leftchild);
            lrdtraversal(node.rightchild);
            system.out.print("key:" + node.key + "-value" + node.data + ":" + node.color + ";");
        }

    }

    /**
     * 搜索
     *
     * @param key 传入key
     * @return 返回value
     */
    public object search(integer key) {
        if (this.root != null) {
            return searchnode(key, root).data;
        }
        return null;
    }

    /**
     * @param key 删除key对应的node
     */
    public boolean removen(integer key) {
        if (this.root != null) {
            node node = searchnode(key, root);
            if (node == null) {
                return false;
            }
            removennode(node);
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * @param node 删除的节点
     */
    private void removennode(node node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        if (node.leftchild == null && node.rightchild == null) {    //情景1：若删除结点无子结点，直接删除。
            changenode(node, null);
        } else if (node.leftchild != null && node.rightchild != null) { //情景3：若删除结点有两个子结点，用后继结点（大于删除结点的最小结点）替换删除结点。
            node rnode = node.rightchild;
            while (rnode.leftchild != null) {   //找到后继结点
                rnode = rnode.leftchild;
            }
            //  交换位子
            /*if (rnode == node.rightchild) {
                node.rightchild = null;
                rnode.leftchild = node.leftchild;
            } else {
                if (rnode.rightchild != null) {    //后继节点如果有右节点
                    rnode.parent.leftchild = rnode.rightchild;
                    rnode.rightchild.parent = rnode.parent;
                }
                rnode.leftchild = node.leftchild;
                rnode.rightchild = node.rightchild;
            }*/
            changenode(node, rnode);    //用后继节点替换要删除节点
        } else { //情景2：若删除结点只有一个子结点，用子结点替换删除结点。
            if (node.leftchild != null) {
                changenode(node, node.leftchild);
            } else {
                changenode(node, node.rightchild);
            }
        }
    }

    /**
     * 两节点位置交换
     * 交换后删除替换节点fixupnode
     * @param delnode   要删除节点
     * @param fixupnode 替换节点
     */
    private void changenode(node delnode, node fixupnode) {
        rb_delete_fixup(fixupnode);

        if (fixupnode == null) {
            if (delnode.parent.leftchild == delnode) {
                delnode.parent.leftchild = null;
            } else {
                delnode.parent.rightchild = null;
            }
            return;
        }

        object data = delnode.data;
        color color = delnode.color;
        integer key = delnode.key;
        if (delnode == root) {  // 交换时如果删除节点是根节点，颜色直接改成黑色
            delnode.setcolor(color.black);
        } else {
            delnode.color = fixupnode.color;
        }
        delnode.key = fixupnode.key;
        delnode.data = fixupnode.data;
        fixupnode.key = key;
        fixupnode.data = data;
        fixupnode.color = color;

        removennode(fixupnode);
    }

    public node searchnode(integer key, node node) {
        if (node == null)
            return null;
        if (node.key.compareto(key) == 0) {
            return node;
        } else if (key.compareto(node.key) < 0) {
            if (node.leftchild != null) {
                return searchnode(key, node.leftchild);
            }
            return null;
        } else {
            if (node.rightchild != null) {
                return searchnode(key, node.rightchild);
            }
            return null;
        }
    }

    private void rb_delete_fixup(node fixupnode) {
        if (fixupnode == null || fixupnode.isred()) {    //情景1：替换结点是红色结点
            /*颜色变为删除结点的颜色*/
            return;
        } else {  //情景2：替换结点是黑结点
            node bnode = fixupnode.parent.rightchild;
            if (fixupnode == fixupnode.parent.leftchild) { //情景2.1：替换结点是其父结点的左子结点
                //情景2.1.1：替换结点的兄弟结点是红结点
                if (bnode.isred()) {
                    bnode.setcolor(color.black);
                    fixupnode.parent.setcolor(color.red);
                    rrotate(fixupnode.parent);
                    rb_delete_fixup(fixupnode);
                } else {  //情景2.1.2： 替换结点的兄弟结点是黑结点
                    //情景2.1.2.1：替换结点的兄弟结点的右子结点是红结点，左子结点任意颜色
                    if (bnode.rightchild != null && bnode.rightchild.isred()) {
                        /*将s的颜色设为p的颜色 将p设为黑色 将sr设为黑色 对p进行左旋*/
                        bnode.color = fixupnode.parent.color;
                        fixupnode.parent.setcolor(color.black);
                        bnode.rightchild.setcolor(color.red);
                        lrotate(fixupnode.parent);
                    } else if (bnode.leftchild != null && bnode.leftchild.isred()) {
                        //情景2.1.2.2：替换结点的兄弟结点的右子结点为黑结点，左子结点为红结点
                        /*将s设为红色 将sl设为黑色 对s进行右旋，得到情景2.1.2.1 进行情景2.1.2.1的处理*/
                        bnode.setcolor(color.red);
                        bnode.leftchild.setcolor(color.black);
                        rrotate(bnode);
                        rb_delete_fixup(fixupnode);
                    } else {//删除情景2.1.2.3： 替换结点的兄弟结点的子结点都为黑结点
                        /*将s设为红色 把p作为新的替换结点 重新进行删除结点情景处理*/
                        bnode.setcolor(color.red);
                        rb_delete_fixup(fixupnode.parent);
                    }

                }
            } else {
                //删除情景2.2： 替换结点是其父结点的右子结点
                //删除情景2.2.1： 替换结点的兄弟结点是红结点
                if (bnode.isred()) {
                    /*将s设为黑色 将p设为红色 对p进行右旋，得到情景2.2.2.3 进行情景2.2.2.3的处理*/
                    bnode.setcolor(color.black);
                    fixupnode.parent.setcolor(color.red);
                    lrotate(fixupnode.parent);
                    rb_delete_fixup(fixupnode);
                } else { //删除情景2.2.2： 替换结点的兄弟结点是黑结点
                    //删除情景2.2.2.1： 替换结点的兄弟结点的左子结点是红结点，右子结点任意颜色
                    if (bnode.leftchild != null && bnode.leftchild.isred()) {
                        /*将s的颜色设为p的颜色 将p设为黑色 将sl设为黑色 对p进行右旋*/
                        bnode.color = fixupnode.parent.color;
                        fixupnode.parent.setcolor(color.black);
                        bnode.leftchild.setcolor(color.black);
                        rrotate(fixupnode.parent);
                    } else if (bnode.rightchild != null && bnode.rightchild.isred()) {//删除情景2.2.2.2： 替换结点的兄弟结点的左子结点为黑结点，右子结点为红结点
                        /*将s设为红色 将sr设为黑色 对s进行左旋，得到情景2.2.2.1 进行情景2.2.2.1的处理*/
                        bnode.setcolor(color.red);
                        bnode.rightchild.setcolor(color.black);
                        lrotate(bnode);
                        rb_delete_fixup(fixupnode);
                    } else {//删除情景2.2.2.3：替换结点的兄弟结点的子结点都为黑结点
                        /*将s设为红色 把p作为新的替换结点 重新进行删除结点情景处理*/
                        bnode.setcolor(color.red);
                        rb_delete_fixup(fixupnode.parent);
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(string[] args) {
        //int[] data={8,6,4};
        //int[] data={8,6,9,5,7,3};
        //int[] data={8,6,7};
        //int[] data={8,5,9,4,6,7};
        //int[] data={8,5,9,4,7,6};
        //int[] data = {8, 5, 9, 7, 6};
        //object[] data = new object[100];
        //object[] data = {2, 4, 15, 11, 19, 3, "f", "g", "b", "a", "d", "c", "e", new person("小王", 22)};
        /*for (int i = 0; i < 100; i++) {
            random r = new random();
            int n = r.nextint(100);
            data[i] = "数据" + n;
            //system.out.println(n);
        }*/
        rbtree rbt = new rbtree();
        int[] data = {2, 4, 15, 11, 19, 3, 12, 14, 16, 9, 13, 17, 7, 8, 5, 1, 18, 6};
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            if (data[i] == 9) {
                system.out.println();
            }
            system.out.println(data[i]);
            rbt.insertnode(data[i], data[i]);
            rbt.dlrtraversal();
            system.out.println("\n" + rbt.root.data);
        }
        rbt.removen(6);
        /*for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            rbt.insertnode(string.valueof(i), data[i]);
        }*/
        rbt.ldrtraversal();
        system.out.println("\n" + rbt.root.data);
        rbt.dlrtraversal();
        //system.out.println("\n" + rbt.search("0"));
    }
}