C++用一棵红黑树同时封装出set与map的实现代码

template<class K, class T>
class RBTree

template<class K>
class set
{
public:
	//...
private:
	RBTree<K, K> _t;
};

template<class K, class V>
class map
{
public:
	//...
private:
	RBTree<K, pair<K, V>> _t;
};

//红黑树结点的定义
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	//三叉链
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
 
	//存储的数据
	T _data;
 
	//结点的颜色
	int _col;
 
	//构造函数
	RBTreeNode(const T& data)
		: _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
		, _col(RED)
	{}
};

template<class K>
class set
{
	//仿函数
	struct SetKeyOfT
	{
		const K& operator()(const K& key) //返回键值Key
		{
			return key;
		}
	};
public:
	//...
private:
	RBTree<K, K, SetKeyOfT> _t;
};

template<class K, class V>
class map
{
	//仿函数
	struct MapKeyOfT
	{
		const K& operator()(const pair<K, V>& kv) //返回键值对当中的键值Key
		{
			return kv.first;
		}
	};
public:
	//...
private:
	RBTree<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _t;
};

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
public:
    //...
private:
    Node* _root;
}

//查找函数
iterator Find(const K& key)
{
	KeyOfT kot;
	Node* cur = _root;
	while (cur)
	{
		if (key < kot(cur->_data)) //key值小于该结点的值
		{
			cur = cur->_left; //在该结点的左子树当中查找
		}
		else if (key > kot(cur->_data)) //key值大于该结点的值
		{
			cur = cur->_right; //在该结点的右子树当中查找
		}
		else //找到了目标结点
		{
			return iterator(cur); //返回该结点
		}
	}
	return end(); //查找失败
}

//正向迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __TreeIterator
{
    typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
    typedef __TreeIterator<T, Ref, Ptr> Self; //正向迭代器的类型
 
    Node* _node; //正向迭代器所封装结点的指针
};

//构造函数
__TreeIterator(Node* node)
    :_node(node) //根据所给结点指针构造一个正向迭代器
{}

Ref operator*()
{
    return _node->_data; //返回结点数据的引用
}

Ptr operator->()
{
    return &_node->_data; //返回结点数据的指针
}

//判断两个正向迭代器是否不同
bool operator!=(const Self& s) const
{
    return _node != s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
}
//判断两个正向迭代器是否相同
bool operator==(const Self& s) const
{
    return _node == s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
}

//前置++
Self operator++()
{
	if (_node->_right) //结点的右子树不为空
	{
		//寻找该结点右子树当中的最左结点
		Node* left = _node->_right;
		while (left->_left)
		{
			left = left->_left;
		}
		_node = left; //++后变为该结点
	}
	else //结点的右子树为空
	{
		//寻找孩子不在父亲右的祖先
		Node* cur = _node;
		Node* parent = cur->_parent;
		while (parent&&cur == parent->_right)
		{
			cur = parent;
			parent = parent->_parent;
		}
		_node = parent; //++后变为该结点
	}
	return *this;
}

//前置--
Self operator--()
{
	if (_node->_left) //结点的左子树不为空
	{
		//寻找该结点左子树当中的最右结点
		Node* right = _node->_left;
		while (right->_right)
		{
			right = right->_right;
		}
		_node = right; //--后变为该结点
	}
	else //结点的左子树为空
	{
		//寻找孩子不在父亲左的祖先
		Node* cur = _node;
		Node* parent = cur->_parent;
		while (parent&&cur == parent->_left)
		{
			cur = parent;
			parent = parent->_parent;
		}
		_node = parent; //--后变为该结点
	}
	return *this;
}

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
public:
	typedef __TreeIterator<T, T&, T*> iterator; //正向迭代器
	
	iterator begin()
	{
		//寻找最左结点
		Node* left = _root;
		while (left&&left->_left)
		{
			left = left->_left;
		}
		//返回最左结点的正向迭代器
		return iterator(left);
	}
	iterator end()
	{
		//返回由nullptr构造得到的正向迭代器（不严谨）
		return iterator(nullptr);
	}
private:
	Node* _root; //红黑树的根结点
};

//反向迭代器---迭代器适配器
template<class Iterator>
struct ReverseIterator
{
	typedef ReverseIterator<Iterator> Self; //反向迭代器的类型
    
    //限定符不能区分静态变量和类型，所以前面可以加上typename标识为类型
	typedef typename Iterator::reference Ref; //结点指针的引用
	typedef typename Iterator::pointer Ptr; //结点指针
 
	Iterator _it; //反向迭代器所封装的正向迭代器
 
	//构造函数
	ReverseIterator(Iterator it)
		:_it(it) //根据所给正向迭代器构造一个反向迭代器
	{}
 
	Ref operator*()
	{
		return *_it; //通过调用正向迭代器的operator*返回结点数据的引用
	}
	Ptr operator->()
	{
		return _it.operator->(); //通过调用正向迭代器的operator->返回结点数据的指针
	}
 
	//前置++
	Self& operator++()
	{
		--_it; //调用正向迭代器的前置--
		return *this;
	}
	//前置--
	Self& operator--()
	{
		++_it; //调用正向迭代器的前置++
		return *this;
	}
 
	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return _it != s._it; //调用正向迭代器的operator!=
	}
	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _it == s._it; //调用正向迭代器的operator==
	}
};

//正向迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __TreeIterator
{
	typedef Ref reference; //结点指针的引用
	typedef Ptr pointer; //结点指针
};

template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
public:
	typedef ReverseIterator<iterator> reverse_iterator; //反向迭代器
	
	reverse_iterator rbegin()
	{
		//寻找最右结点
		Node* right = _root;
		while (right&&right->_right)
		{
			right = right->_right;
		}
		//返回最右结点的反向迭代器
		return reverse_iterator(iterator(right));
	}
	reverse_iterator rend()
	{
		//返回由nullptr构造得到的反向迭代器（不严谨）
		return reverse_iterator(iterator(nullptr));
	}
private:
	Node* _root; //红黑树的根结点
};

#pragma once
 
//枚举定义结点的颜色
enum Colour
{
	RED,
	BLACK
};
 
//红黑树结点的定义
template<class T>
struct RBTreeNode
{
	//三叉链
	RBTreeNode<T>* _left;
	RBTreeNode<T>* _right;
	RBTreeNode<T>* _parent;
 
	//存储的数据
	T _data;
 
	//结点的颜色
	int _col; //红/黑
 
	//构造函数
	RBTreeNode(const T& data)
		: _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _data(data)
		, _col(RED)
	{}
};
 
//正向迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __TreeIterator
{
	typedef Ref reference; //结点指针的引用
	typedef Ptr pointer; //结点指针
 
	typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
	typedef __TreeIterator<T, Ref, Ptr> Self; //正向迭代器的类型
 
	Node* _node; //正向迭代器所封装结点的指针
 
	//构造函数
	__TreeIterator(Node* node)
		:_node(node) //根据所给结点指针构造一个正向迭代器
	{}
 
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data; //返回结点数据的引用
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data; //返回结点数据的指针
	}
	//判断两个正向迭代器是否不同
	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return _node != s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
	}
	//判断两个正向迭代器是否相同
	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _node == s._node; //判断两个正向迭代器所封装的结点是否是同一个
	}
 
	//前置++
	Self operator++()
	{
		if (_node->_right) //结点的右子树不为空
		{
			//寻找该结点右子树当中的最左结点
			Node* left = _node->_right;
			while (left->_left)
			{
				left = left->_left;
			}
			_node = left; //++后变为该结点
		}
		else //结点的右子树为空
		{
			//寻找孩子不在父亲右的祖先
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_right)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent; //++后变为该结点
		}
		return *this;
	}
 
	//前置--
	Self operator--()
	{
		if (_node->_left) //结点的左子树不为空
		{
			//寻找该结点左子树当中的最右结点
			Node* right = _node->_left;
			while (right->_right)
			{
				right = right->_right;
			}
			_node = right; //--后变为该结点
		}
		else //结点的左子树为空
		{
			//寻找孩子不在父亲左的祖先
			Node* cur = _node;
			Node* parent = cur->_parent;
			while (parent && cur == parent->_left)
			{
				cur = parent;
				parent = parent->_parent;
			}
			_node = parent; //--后变为该结点
		}
		return *this;
	}
};
 
//反向迭代器---迭代器适配器
template<class Iterator>
struct ReverseIterator
{
	typedef ReverseIterator<Iterator> Self; //反向迭代器的类型
	typedef typename Iterator::reference Ref; //结点指针的引用
	typedef typename Iterator::pointer Ptr; //结点指针
 
	Iterator _it; //反向迭代器所封装的正向迭代器
 
	//构造函数
	ReverseIterator(Iterator it)
		:_it(it) //根据所给正向迭代器构造一个反向迭代器
	{}
 
	Ref operator*()
	{
		return *_it; //通过调用正向迭代器的operator*返回结点数据的引用
	}
	Ptr operator->()
	{
		return _it.operator->(); //通过调用正向迭代器的operator->返回结点数据的指针
	}
 
	//前置++
	Self& operator++()
	{
		--_it; //调用正向迭代器的前置--
		return *this;
	}
	//前置--
	Self& operator--()
	{
		++_it; //调用正向迭代器的前置++
		return *this;
	}
 
	bool operator!=(const Self& s) const
	{
		return _it != s._it; //调用正向迭代器的operator!=
	}
	bool operator==(const Self& s) const
	{
		return _it == s._it; //调用正向迭代器的operator==
	}
};
 
//红黑树的实现
template<class K, class T, class KeyOfT>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<T> Node; //结点的类型
public:
	typedef __TreeIterator<T, T&, T*> iterator; //正向迭代器
	typedef ReverseIterator<iterator> reverse_iterator; //反向迭代器
 
	reverse_iterator rbegin()
	{
		//寻找最右结点
		Node* right = _root;
		while (right && right->_right)
		{
			right = right->_right;
		}
		//返回最右结点的反向迭代器
		return reverse_iterator(iterator(right));
	}
	reverse_iterator rend()
	{
		//返回由nullptr构造得到的反向迭代器（不严谨）
		return reverse_iterator(iterator(nullptr));
	}
 
	iterator begin()
	{
		//寻找最左结点
		Node* left = _root;
		while (left && left->_left)
		{
			left = left->_left;
		}
		//返回最左结点的正向迭代器
		return iterator(left);
	}
	iterator end()
	{
		//返回由nullptr构造得到的正向迭代器（不严谨）
		return iterator(nullptr);
	}
	//构造函数
	RBTree()
		:_root(nullptr)
	{}
 
	//拷贝构造
	RBTree(const RBTree<K, T, KeyOfT>& t)
	{
		_root = _Copy(t._root, nullptr);
	}
 
	//赋值运算符重载（现代写法）
	RBTree<K, T, KeyOfT>& operator=(RBTree<K, T, KeyOfT> t)
	{
		swap(_root, t._root);
		return *this; //支持连续赋值
	}
 
	//析构函数
	~RBTree()
	{
		_Destroy(_root);
		_root = nullptr;
	}
 
	//查找函数
	iterator Find(const K& key)
	{
		KeyOfT kot;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (key < kot(cur->_data)) //key值小于该结点的值
			{
				cur = cur->_left; //在该结点的左子树当中查找
			}
			else if (key > kot(cur->_data)) //key值大于该结点的值
			{
				cur = cur->_right; //在该结点的右子树当中查找
			}
			else //找到了目标结点
			{
				return iterator(cur); //返回该结点
			}
		}
		return end(); //查找失败
	}
 
	//插入函数
	pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
	{
		if (_root == nullptr) //若红黑树为空树，则插入结点直接作为根结点
		{
			_root = new Node(data);
			_root->_col = BLACK; //根结点必须是黑色
			return make_pair(iterator(_root), true); //插入成功
		}
		//1、按二叉搜索树的插入方法，找到待插入位置
		KeyOfT kot;
		Node* cur = _root;
		Node* parent = nullptr;
		while (cur)
		{
			if (kot(data) < kot(cur->_data)) //待插入结点的key值小于当前结点的key值
			{
				//往该结点的左子树走
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (kot(data) > kot(cur->_data)) //待插入结点的key值大于当前结点的key值
			{
				//往该结点的右子树走
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else //待插入结点的key值等于当前结点的key值
			{
				return make_pair(iterator(cur), false); //插入失败
			}
		}
 
		//2、将待插入结点插入到树中
		cur = new Node(data); //根据所给值构造一个结点
		Node* newnode = cur; //记录新插入的结点（便于后序返回）
		if (kot(data) < kot(parent->_data)) //新结点的key值小于parent的key值
		{
			//插入到parent的左边
			parent->_left = cur;
			cur->_parent = parent;
		}
		else //新结点的key值大于parent的key值
		{
			//插入到parent的右边
			parent->_right = cur;
			cur->_parent = parent;
		}
 
		//3、若插入结点的父结点是红色的，则需要对红黑树进行调整
		while (parent && parent->_col == RED)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent; //parent是红色，则其父结点一定存在
			if (parent == grandfather->_left) //parent是grandfather的左孩子
			{
				Node* uncle = grandfather->_right; //uncle是grandfather的右孩子
				if (uncle && uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
				{
					//颜色调整
					parent->_col = uncle->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
 
					//继续往上处理
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else //情况2+情况3：uncle不存在 + uncle存在且为黑
				{
					if (cur == parent->_left)
					{
						RotateR(grandfather); //右单旋
 
						//颜色调整
						grandfather->_col = RED;
						parent->_col = BLACK;
					}
					else //cur == parent->_right
					{
						RotateLR(grandfather); //左右双旋
 
						//颜色调整
						grandfather->_col = RED;
						cur->_col = BLACK;
					}
					break; //子树旋转后，该子树的根变成了黑色，无需继续往上进行处理
				}
			}
			else //parent是grandfather的右孩子
			{
				Node* uncle = grandfather->_left; //uncle是grandfather的左孩子
				if (uncle && uncle->_col == RED) //情况1：uncle存在且为红
				{
					//颜色调整
					uncle->_col = parent->_col = BLACK;
					grandfather->_col = RED;
 
					//继续往上处理
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				else //情况2+情况3：uncle不存在 + uncle存在且为黑
				{
					if (cur == parent->_left)
					{
						RotateRL(grandfather); //右左双旋
 
						//颜色调整
						cur->_col = BLACK;
						grandfather->_col = RED;
					}
					else //cur == parent->_right
					{
						RotateL(grandfather); //左单旋
 
						//颜色调整
						grandfather->_col = RED;
						parent->_col = BLACK;
					}
					break; //子树旋转后，该子树的根变成了黑色，无需继续往上进行处理
				}
			}
		}
		_root->_col = BLACK; //根结点的颜色为黑色（可能被情况一变成了红色，需要变回黑色）
		return make_pair(iterator(newnode), true); //插入成功
	}
 
private:
	//拷贝树
	Node* _Copy(Node* root, Node* parent)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return nullptr;
		}
		Node* copyNode = new Node(root->_data);
		copyNode->_parent = parent;
		copyNode->_left = _Copy(root->_left, copyNode);
		copyNode->_right = _Copy(root->_right, copyNode);
		return copyNode;
	}
 
	//析构函数子函数
	void _Destroy(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}
		_Destroy(root->_left);
		_Destroy(root->_right);
		delete root;
	}
 
	//左单旋
	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;
		Node* parentParent = parent->_parent;
 
		//建立subRL与parent之间的联系
		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
			subRL->_parent = parent;
 
		//建立parent与subR之间的联系
		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;
 
		//建立subR与parentParent之间的联系
		if (parentParent == nullptr)
		{
			_root = subR;
			_root->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (parent == parentParent->_left)
			{
				parentParent->_left = subR;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subR;
			}
			subR->_parent = parentParent;
		}
	}
 
	//右单旋
	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;
		Node* parentParent = parent->_parent;
 
		//建立subLR与parent之间的联系
		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;
 
		//建立parent与subL之间的联系
		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;
 
		//建立subL与parentParent之间的联系
		if (parentParent == nullptr)
		{
			_root = subL;
			_root->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (parent == parentParent->_left)
			{
				parentParent->_left = subL;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subL;
			}
			subL->_parent = parentParent;
		}
	}
 
	//左右双旋
	void RotateLR(Node* parent)
	{
		RotateL(parent->_left);
		RotateR(parent);
	}
 
	//右左双旋
	void RotateRL(Node* parent)
	{
		RotateR(parent->_right);
		RotateL(parent);
	}
 
	Node* _root=nullptr; //红黑树的根结点
};

#pragma once
 
#include "RBTree.h"
 
namespace MySet
{
	template<class K>
	class set
	{
		//仿函数
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key) //返回键值Key
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::iterator iterator; //正向迭代器
		typedef typename RBTree<K, const K, SetKeyOfT>::reverse_iterator reverse_iterator; //反向迭代器
 
		iterator begin()
		{
			return _t.begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _t.end();
		}
 
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return _t.rbegin();
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return _t.rend();
		}
 
		//插入函数
		pair<iterator, bool> insert(const K& key)
		{
			return _t.Insert(key);
		}
 
		//查找函数
		iterator find(const K& key)
		{
			return _t.Find(key);
		}
	private:
		RBTree<K, const K, SetKeyOfT> _t;
	};
 
	void test_set1()
	{
		set<int> s;
		int a[] = { 4,2,6,1,3,5,15,7,16,14 };
 
		for (auto e : a)
		{
			s.insert(e);
		}
 
		set<int>::iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

#pragma once
 
#include "RBTree.h"
 
namespace MyMap
{
	template<class K, class V>
	class map
	{
		//仿函数
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv) //返回键值对当中的键值Key
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator; //正向迭代器
		typedef typename RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT>::reverse_iterator reverse_iterator; //反向迭代器
 
		iterator begin()
		{
			return _t.begin();
		}
		iterator end()
		{
			return _t.end();
		}
 
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return _t.rbegin();
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return _t.rend();
		}
 
		//插入函数
		pair<iterator, bool> insert(const pair<const K, V>& kv)
		{
			return _t.Insert(kv);
		}
		//[]运算符重载函数
		V& operator[](const K& key)
		{
			pair<iterator, bool> ret = insert(make_pair(key, V()));
			iterator it = ret.first;
			return it->second;
		}
		//查找函数
		iterator find(const K& key)
		{
			return _t.Find(key);
		}
	private:
		RBTree<K, pair<const K, V>, MapKeyOfT> _t;
	};
 
	void test_map1()
	{
		map<int, int> m;
		int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
		for (auto e : a)
		{
			m.insert(make_pair(e, e));
		}
 
		map<int, int>::iterator it = m.begin();
		while (it != m.end())
		{
			//it->first += 100;
			it->second += 100;
 
			cout << it->first << ":" << it->second << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}