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// 
// 由 ling 创建于 24-6-30.
//

#ifndef REDBLACKTREE_REDBLACKTREE_H_03
#define REDBLACKTREE_REDBLACKTREE_H_03

#include <cstddef>
#include <stack>

namespace ling {

    enum Relation {
        EQUAL,
        BIG,
        SMALL,
    };
    enum Color {
        RED,
        BLACK,
    };

    /**
     * 红黑树
     * @tparam T
     */
    template<typename T>
    class RedBlackTree {
    public:
        struct Node {
            T value;
            Color color;
            Node *left;
            Node *right;
            //父节点
            Node *parent;

            Node(T value, Color c, Node *p, Node *l, Node *r) : value(value), color(c), parent(p), left(l), right(r) {
            }
        };

    private:
        /// 根节点
        Node *rootNode = nullptr;

        void destroy(Node *&node);

        /// 插入函数
        void insert(Node *&root, Node *node);

        /**
         * 红黑树插入修正函数
         *
         * 在向红黑树中插入节点之后(失去平衡)，再调用该函数；
         * 目的是将它重新塑造成一颗红黑树。
         *
         * @param root      红黑树的根
         * @param node      插入的结点
         */
        void insertFixUp(Node *&root, Node *node);

        /**
         * 红黑树删除修正函数
         *
         * 在从红黑树中删除插入节点之后(红黑树失去平衡)，再调用该函数；
         * 目的是将它重新塑造成一颗红黑树。
         *
         * @param root  红黑树的根
         * @param node  待修正的节点
         */
        void removeFixUp(Node *&root, Node *node, Node *parent);

        /**
         * 对红黑树的节点(x)进行左旋转
         *
         * 左旋示意图(对节点x进行左旋)：
         *      px                              px
         *     /                               /
         *    x                               y
         *   /  \      --(左旋)-->           / \                #
         *  lx   y                          x  ry
         *     /   \                       /  \
         *    ly   ry                     lx  ly
         *
         *
         */
        void leftRotate(Node *&root, Node *x);

        /**
         * 对红黑树的节点(y)进行右旋转
         *
         * 右旋示意图(对节点y进行左旋)：
         *            py                               py
         *           /                                /
         *          y                                x
         *         /  \      --(右旋)-->            /  \                     #
         *        x   ry                           lx   y
         *       / \                                   / \                   #
         *      lx  rx                                rx  ry
         *
         */
        void rightRotate(Node *&root, Node *y);

        /// 查找元素
        Node *iterativeSearch(Node *x, T key) const;

        Node *findSearch(Node *x, T key) const;

        /// 删除元素
        void remove(Node *&root, Node *node);

    protected:

        virtual Relation equal(const T &val1, const T &val2) const = 0;

    public:
        explicit RedBlackTree() = default;

        RedBlackTree(const RedBlackTree &other) = delete;

        RedBlackTree(RedBlackTree &&other) noexcept {
            this->rootNode = other.rootNode;
            other.rootNode = nullptr;
        }

        RedBlackTree &operator=(RedBlackTree &&other) noexcept {
            if (this == &other) {
                return *this;
            }
            this->rootNode = other.rootNode;
            other.rootNode = nullptr;
            return *this;
        }

        RedBlackTree &operator=(const RedBlackTree &other) = delete;

        virtual ~RedBlackTree() {
            destroy();
        }

        /// 销毁红黑树
        void destroy();

        /// 插入元素
        void insert(T key);

        /// 删除节点
        void remove(T key);

        /// 查找元素
        /// 区别于findSearch，此方法会在没有匹配时返回接近的节点
        const Node *iterativeSearch(T key) const;

        const Node *findSearch(T key) const;

        /// 根节点
        const Node *getRoot() const {
            return rootNode;
        }

        // 查找最小结点：返回tree为根结点的红黑树的最小结点。
        const Node *minimum() const;

        // 查找最大结点：返回tree为根结点的红黑树的最大结点。
        const Node *maximum() const;

        [[nodiscard]] size_t getSize() const;

        [[nodiscard]] int getTreeHeight() const;

#define rb_parent(r)   ((r)->parent)
#define rb_color(r) ((r)->color)
#define rb_is_red(r)   ((r)->color==RED)
#define rb_is_black(r)  ((r)->color==BLACK)
#define rb_set_black(r)  do { (r)->color = BLACK; } while (0)
#define rb_set_red(r)  do { (r)->color = RED; } while (0)
#define rb_set_parent(r, p)  do { (r)->parent = (p); } while (0)
#define rb_set_color(r, c)  do { (r)->color = (c); } while (0)

    };

    template<typename T>
    int RedBlackTree<T>::getTreeHeight() const {
        const Node *current = getRoot();
        if (current == nullptr)
            return 0;
        std::stack<std::pair<const Node *, int>> stack;
        stack.push({current, 1});

        int maxHeight = 0;
        while (!stack.empty()) {
            auto [node, height] = stack.top();
            stack.pop();
            if (node != nullptr) {
                maxHeight = std::max(maxHeight, height);
                if (node->right != nullptr) {
                    stack.push({node->right, height + 1});
                }
                if (node->left != nullptr) {
                    stack.push({node->left, height + 1});
                }
            }
        }
        return maxHeight;
    }

    template<typename T>
    size_t RedBlackTree<T>::getSize() const {
        const Node *current = getRoot();
        std::stack<const Node *> stack;
        size_t size = 0;
        while (current != nullptr || !stack.empty()) {
            //走到最坐子树
            while (current != nullptr) {
                stack.push(current);
                current = current->left;
            }

            //处理当前节点
            current = stack.top();
            stack.pop();
            size++;
            //处理右子树
            current = current->right;
        }
        return size;
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node const *RedBlackTree<T>::maximum() const {
        Node *tree = rootNode;
        if (tree == nullptr)
            return nullptr;

        while (tree->right != nullptr)
            tree = tree->right;
        return tree;
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node const *RedBlackTree<T>::minimum() const {
        Node *tree = rootNode;
        if (tree == nullptr)
            return nullptr;

        while (tree->left != nullptr)
            tree = tree->left;
        return tree;
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::removeFixUp(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *node, RedBlackTree::Node *parent) {
        Node *other;

        while ((!node || rb_is_black(node)) && node != root) {
            if (parent->left == node) {
                other = parent->right;
                if (rb_is_red(other)) {
                    // Case 1: x的兄弟w是红色的
                    rb_set_black(other);
                    rb_set_red(parent);
                    leftRotate(root, parent);
                    other = parent->right;
                }
                if ((!other->left || rb_is_black(other->left)) &&
                    (!other->right || rb_is_black(other->right))) {
                    // Case 2: x的兄弟w是黑色，且w的俩个孩子也都是黑色的
                    rb_set_red(other);
                    node = parent;
                    parent = rb_parent(node);
                } else {
                    if (!other->right || rb_is_black(other->right)) {
                        // Case 3: x的兄弟w是黑色的，并且w的左孩子是红色，右孩子为黑色。
                        rb_set_black(other->left);
                        rb_set_red(other);
                        rightRotate(root, other);
                        other = parent->right;
                    }
                    // Case 4: x的兄弟w是黑色的；并且w的右孩子是红色的，左孩子任意颜色。
                    rb_set_color(other, rb_color(parent));
                    rb_set_black(parent);
                    rb_set_black(other->right);
                    leftRotate(root, parent);
                    node = root;
                    break;
                }
            } else {
                other = parent->left;
                if (rb_is_red(other)) {
                    // Case 1: x的兄弟w是红色的
                    rb_set_black(other);
                    rb_set_red(parent);
                    rightRotate(root, parent);
                    other = parent->left;
                }
                if ((!other->left || rb_is_black(other->left)) &&
                    (!other->right || rb_is_black(other->right))) {
                    // Case 2: x的兄弟w是黑色，且w的俩个孩子也都是黑色的
                    rb_set_red(other);
                    node = parent;
                    parent = rb_parent(node);
                } else {
                    if (!other->left || rb_is_black(other->left)) {
                        // Case 3: x的兄弟w是黑色的，并且w的左孩子是红色，右孩子为黑色。
                        rb_set_black(other->right);
                        rb_set_red(other);
                        leftRotate(root, other);
                        other = parent->left;
                    }
                    // Case 4: x的兄弟w是黑色的；并且w的右孩子是红色的，左孩子任意颜色。
                    rb_set_color(other, rb_color(parent));
                    rb_set_black(parent);
                    rb_set_black(other->left);
                    rightRotate(root, parent);
                    node = root;
                    break;
                }
            }
        }
        if (node)
            rb_set_black(node);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::remove(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *node) {
        Node *child, *parent;
        Color color;

        // 被删除节点的"左右孩子都不为空"的情况。
        if ((node->left != nullptr) && (node->right != nullptr)) {
            // 被删节点的后继节点。(称为"取代节点")
            // 用它来取代"被删节点"的位置，然后再将"被删节点"去掉。
            Node *replace = node;

            // 获取后继节点
            replace = replace->right;
            while (replace->left != nullptr)
                replace = replace->left;

            // "node节点"不是根节点(只有根节点不存在父节点)
            if (rb_parent(node)) {
                if (rb_parent(node)->left == node)
                    rb_parent(node)->left = replace;
                else
                    rb_parent(node)->right = replace;
            } else
                // "node节点"是根节点，更新根节点。
                root = replace;

            // child是"取代节点"的右孩子，也是需要"调整的节点"。
            // "取代节点"肯定不存在左孩子！因为它是一个后继节点。
            child = replace->right;
            parent = rb_parent(replace);
            // 保存"取代节点"的颜色
            color = rb_color(replace);

            // "被删除节点"是"它的后继节点的父节点"
            if (parent == node) {
                parent = replace;
            } else {
                // child不为空
                if (child)
                    rb_set_parent(child, parent);
                parent->left = child;

                replace->right = node->right;
                rb_set_parent(node->right, replace);
            }

            replace->parent = node->parent;
            replace->color = node->color;
            replace->left = node->left;
            node->left->parent = replace;

            if (color == BLACK)
                removeFixUp(root, child, parent);

            delete node;
            return;
        }

        if (node->left != nullptr)
            child = node->left;
        else
            child = node->right;

        parent = node->parent;
        // 保存"取代节点"的颜色
        color = node->color;

        if (child)
            child->parent = parent;

        // "node节点"不是根节点
        if (parent) {
            if (parent->left == node)
                parent->left = child;
            else
                parent->right = child;
        } else
            root = child;

        if (color == BLACK)
            removeFixUp(root, child, parent);
        delete node;
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node *RedBlackTree<T>::iterativeSearch(RedBlackTree::Node *x, T key) const {
        Relation temp;
        Node *closest = nullptr;
        while (x != nullptr) {
            temp = equal(x->value, key);
            if (temp == EQUAL)
                return x;
            if (temp == SMALL) {
                closest = x;
                x = x->right;
            } else {
                x = x->left;
            }
        }
        return closest;
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node *RedBlackTree<T>::findSearch(RedBlackTree::Node *x, T key) const {
        while ((x != nullptr) && equal(x->value, key) != EQUAL) {
            if (equal(key, x->value) == SMALL) {
                x = x->left;
            } else {
                x = x->right;
            }
        }
        return x;
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node const *RedBlackTree<T>::findSearch(T key) const {
        return findSearch(rootNode, key);
    }

    template<typename T>
    typename RedBlackTree<T>::Node const *RedBlackTree<T>::iterativeSearch(T key) const {
        return iterativeSearch(rootNode, key);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::remove(T key) {
        Node *node;
        // 查找key对应的节点(node)，找到的话就删除该节点
        if ((node = iterativeSearch(rootNode, key)) != nullptr)
            remove(rootNode, node);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::rightRotate(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *y) {
        // 设置x是当前节点的左孩子。
        Node *x = y->left;

        // 将 “x的右孩子” 设为 “y的左孩子”；
        // 如果"x的右孩子"不为空的话，将 “y” 设为 “x的右孩子的父亲”
        y->left = x->right;
        if (x->right != nullptr)
            x->right->parent = y;

        // 将 “y的父亲” 设为 “x的父亲”
        x->parent = y->parent;

        if (y->parent == nullptr) {
            root = x;            // 如果 “y的父亲” 是空节点，则将x设为根节点
        } else {
            if (y == y->parent->right)
                y->parent->right = x;    // 如果 y是它父节点的右孩子，则将x设为“y的父节点的右孩子”
            else
                y->parent->left = x;    // (y是它父节点的左孩子) 将x设为“x的父节点的左孩子”
        }

        // 将 “y” 设为 “x的右孩子”
        x->right = y;

        // 将 “y的父节点” 设为 “x”
        y->parent = x;
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::leftRotate(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *x) {
        // 设置x的右孩子为y
        Node *y = x->right;

        // 将 “y的左孩子” 设为 “x的右孩子”；
        // 如果y的左孩子非空，将 “x” 设为 “y的左孩子的父亲”
        x->right = y->left;
        if (y->left != nullptr)
            y->left->parent = x;

        // 将 “x的父亲” 设为 “y的父亲”
        y->parent = x->parent;

        if (x->parent == nullptr) {
            root = y;            // 如果 “x的父亲” 是空节点，则将y设为根节点
        } else {
            if (x->parent->left == x)
                x->parent->left = y;    // 如果 x是它父节点的左孩子，则将y设为“x的父节点的左孩子”
            else
                x->parent->right = y;    // 如果 x是它父节点的左孩子，则将y设为“x的父节点的左孩子”
        }

        // 将 “x” 设为 “y的左孩子”
        y->left = x;
        // 将 “x的父节点” 设为 “y”
        x->parent = y;
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::insertFixUp(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *node) {
        Node *parent;
        Node *gparent;
        //  若父节点存在，并且父节点的颜色是红色
        while ((parent = rb_parent(node)) && rb_is_red(parent)) {
            gparent = rb_parent(parent);
            //若父节点是祖父节点的左孩子
            //若“父节点”是“祖父节点的左孩子”
            if (parent == gparent->left) {
                // Case 1条件：叔叔节点是红色
                {
                    Node *uncle = gparent->right;
                    if (uncle && rb_is_red(uncle)) {
                        rb_set_black(uncle);
                        rb_set_black(parent);
                        rb_set_red(gparent);
                        node = gparent;
                        continue;
                    }
                }

                // Case 2条件：叔叔是黑色，且当前节点是右孩子
                if (parent->right == node) {
                    Node *tmp;
                    leftRotate(root, parent);
                    tmp = parent;
                    parent = node;
                    node = tmp;
                }

                // Case 3条件：叔叔是黑色，且当前节点是左孩子。
                rb_set_black(parent);
                rb_set_red(gparent);
                rightRotate(root, gparent);
            } else//若“z的父节点”是“z的祖父节点的右孩子”
            {
                // Case 1条件：叔叔节点是红色
                {
                    Node *uncle = gparent->left;
                    if (uncle && rb_is_red(uncle)) {
                        rb_set_black(uncle);
                        rb_set_black(parent);
                        rb_set_red(gparent);
                        node = gparent;
                        continue;
                    }
                }

                // Case 2条件：叔叔是黑色，且当前节点是左孩子
                if (parent->left == node) {
                    Node *tmp;
                    rightRotate(root, parent);
                    tmp = parent;
                    parent = node;
                    node = tmp;
                }

                // Case 3条件：叔叔是黑色，且当前节点是右孩子。
                rb_set_black(parent);
                rb_set_red(gparent);
                leftRotate(root, gparent);
            }
        }

        // 将根节点设为黑色
        rb_set_black(root);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::insert(RedBlackTree::Node *&root, RedBlackTree::Node *node) {
        Node *y = nullptr;
        Node *x = root;

        // 1. 将红黑树当作一颗二叉搜索树，将节点插入二叉搜索树中
        while (x != nullptr) {
            y = x;
            if (equal(node->value, x->value) == SMALL) {
                x = x->left;
            } else {
                x = x->right;
            }
        }
        node->parent = y;
        if (y != nullptr) {
            if (equal(node->value, y->value) == SMALL) {
                y->left = node;
            } else {
                y->right = node;
            }
        } else {
            root = node;
        }
        // 2. 设置节点的颜色为红色
        node->color = RED;
        // 3. 将他重新修正为一颗红黑树
        insertFixUp(root, node);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::insert(T key) {
        Node *node = new Node(key, BLACK, nullptr, nullptr, nullptr);
        insert(rootNode, node);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::destroy() {
        destroy(rootNode);
    }

    template<typename T>
    void RedBlackTree<T>::destroy(RedBlackTree::Node *&node) {
        if (node == nullptr)
            return;
        if (node->left != nullptr)
            destroy(node->left);
        if (node->right != nullptr)
            destroy(node->right);
        delete node;
        node = nullptr;
    }

} // ling

#endif //REDBLACKTREE_REDBLACKTREE_H_03