浅谈替罪羊树

Posted 2020-12-10 eleven-qian-shan

替罪羊树 学习总结

前言：

为什么会学替罪羊树？因为觉得AVL树那些的左旋右旋什么的太晕了啊QAQ

所以就在RHL大佬的推荐下，学习起了替罪羊树，这种不用旋转操作就能维护平衡的树

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知识介绍：

在OI界一直都会有这样的一句话：“暴力即优雅”，而诸如分块、替罪羊树则是对这句话的最好诠释

对于二叉搜索树，最重要的就是维护树的平衡，将时间复杂度保持在O(logN)左右，使其不会退化成一条链，从而到时时间复杂度增长到O(N)

• 在替罪羊树上，插入或删除节点的平摊最坏时间复杂度是O(logN)，搜索节点的最坏时间复杂度是 O(logN)

像AVL树、Splay一类的树都是通过旋转来维持平衡，而替罪羊树呢，则是简单粗暴的“不平衡？那就拍扁重建！”

什么意思？让我们通过一些问答来理解一下

• 什么时候拍扁重建？

在每次插入点后，判断当前子树是否平衡，如果不平衡则拍扁重建

• 怎么判断是否平衡？

如果一棵树的左子树/右子树的存在的节点数量 > 这棵树的存在的节点数量× alpha，那么就要拍扁重建

• alpha是什么？

alpha是我们人为选择的一个平衡因子，在0.5-1之间，一般选择0.7或0.8

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基础操作：

在了解了替罪羊树的基础知识以后，让我们来学习一下替罪羊树的基本操作

• 一些变量

intn,x,op,mep,tep,root,tmp[2000005],mem[2000005];

//tmp拍扁的时候用的内存空间
//mep指向内存池mem[]的指针
//tep指向拍扁时用的tmp[]的指针

struct node {
	int lc,rc,v,valid,total; //valid子树未被删除的点数,total子树总点数 
	bool pd;  //是否被删除:1表示未被删除,0表示被删除 
} a[2000005];

• 判断是否拍扁重建

inline bool flag(int now) { //判断是否需要平衡一下 
	if((double)a[now].valid*alpha<=(double)max(a[a[now].lc].valid,a[a[now].rc].valid)) return true;
	return false;
}

• 建树&调整整棵树

inline void build(int l,int r,int &now) { //建树&调整维护
	int mid=(l+r)>>1;
	now=tmp[mid]; //tmp里存的是编号:把中间的元素取出来，中间元素的编号为now
	if(l==r) {
		a[now].lc=a[now].rc=0; //新插入的节点都为叶子节点，进行初始化 
		a[now].total=a[now].valid=1;
		return;
	}
	if(l<mid) build(l,mid-1,a[now].lc); //mid已经建完了，建左右子树 
	else a[now].lc=0; //l==mid，则没有左儿子，但此时r那个节点作为了mid节点的右儿子 
	build(mid+1,r,a[now].rc);
	/* 因为mid总是(l+r)>>1向下取整，所以只需要判断l是小于mid还是等于mid，而ri永远大于mid */
	a[now].total=a[a[now].lc].total+a[a[now].rc].total+1; //更新节点信息 
	a[now].valid=a[a[now].lc].valid+a[a[now].rc].valid+1;
}

• DFS求拍扁的顺序

我们来看一看替罪羊树是怎么拍扁需要重构的树的，如下草图：

我们可以发现拍扁后的序列其实是已经排好序的，而这个顺序就是对这棵重建子树的中序遍历，所以我们重建前需要dfs一下

inline void dfs(int now) { //中序遍历（左根右）,找出要被拍扁的节点的编号 
	if(!now) return; //叶子节点 
	dfs(a[now].lc);
	if(a[now].pd==1) tmp[++tep]=now; //加入到拍扁的时候用的数组里存放（pd是惰性删除） 
	else mem[++mep]=now;
	dfs(a[now].rc);
}

• 重建

inline void rebuild(int &now) {
	tep=0; //重建的子树要从头开始算
	dfs(now); //dfs找到重建的顺序 
	if(tep) build(1,tep,now);
	else now=0;
}

• 插入一个数

替罪羊树在插入时，是一边向下一边更新，这也是与其他树不同的地方

inline void insert(int &now,int k) {
	if(!now) { //找到一个插入的位置 
		now=mem[mep--];
		a[now].v=k;
		a[now].pd=a[now].total=a[now].valid=1;
		a[now].lc=a[now].rc=0;
		return;
	}
	a[now].total++; //一边向下一边更新
	a[now].valid++;
	if(a[now].v>=k) insert(a[now].lc,k);
	else insert(a[now].rc,k);
	if(flag(now)==true) rebuild(now); //从下往上重建会更快（因为下面的子树小，好操作） 
}

• 查询数k的排名

inline int findth(int k) { //查找值为k的排名 
	int now=root;
	int ans=1;
	while(now) {
		if(a[now].v>=k) now=a[now].lc;
		else {
			ans+=a[a[now].lc].valid+a[now].pd; //+a[now].pd是因为相同大小的节点虽然放在一起，但是我不知道这个节点上相同的是不是还存在啊..所以得单独加该节点..至于valid是除现节点以外的子树大小。
			now=a[now].rc;
		}
	}
	return ans;
}

• 查询排名为k的值

inline  int findn(int k) { //查找排名为k的值 
	int now=root;
	while(now) {
		if(a[now].pd&&a[a[now].lc].valid+1==k) return a[now].v;
		else if(a[a[now].lc].valid>=k) now=a[now].lc;
		else {
			k-=a[a[now].lc].valid+a[now].pd;
			now=a[now].rc;
		}
	}
}

• 删除值为k的的数

这里是通过转换为：先求值k的排名，再删除排名为k的数

注意一下，这里的删除都是惰性删除，即给删除的点打上标记

真正的删除是在DFS那里进行的

同时，删除之后我们也要判断一下是否需要重建（这里的判断条件与之前有略微不同）

inline void deleth(int &now, int k) { //删除排名为k的数
	if(a[now].pd&&a[a[now].lc].valid+1==k) {
		a[now].pd=0;
		a[now].valid--;
		return;
	}
	a[now].valid--;
	if(a[a[now].lc].valid+a[now].pd>=k) deleth(a[now].lc,k); 
	else deleth(a[now].rc,k-a[a[now].lc].valid-a[now].pd);
}

inline void deletn(int k) { //删除值为k的数
	deleth(root, findth(k));
	if((double)a[root].total*alpha>a[root].valid) rebuild(root); //删太多也重建一下
}

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例题：

（1）洛谷P3369 基础版普通平衡树

（2）洛谷P6136 加强版普通平衡树

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完整代码：

现在来一发没有注释的Code

PS：以下给出的是例题1的代码（例题2的代码只需要在主程序上更改以下即可，文末会给出）

#include <bits/stdc++.h>
#define alp 0.8
using namespace std;
int n,x,op,mep,tep,root,tmp[2000005],mem[2000005];

struct node {
	int lc,rc,v,valid,total;
	bool pd;
} a[2000005];

inline bool flag(int now) {
	if((double)a[now].valid*alp<=(double)max(a[a[now].lc].valid,a[a[now].rc].valid)) return true;
	return false;
}

inline void build(int l,int r,int &now) {
	int mid=(l+r)>>1;
	now=tmp[mid];
	if(l==r) {
		a[now].lc=a[now].rc=0;
		a[now].valid=a[now].total=1;
		return ;
	}
	if(l<mid) build(l,mid-1,a[now].lc);
	else a[now].lc=0;
	build(mid+1,r,a[now].rc);
	a[now].total=a[a[now].lc].total+a[a[now].rc].total+1;
	a[now].valid=a[a[now].lc].valid+a[a[now].rc].valid+1;
}

inline void dfs(int now) {
	if(!now) return ;
	dfs(a[now].lc);
	if(a[now].pd==1) tmp[++tep]=now;
	else mem[++mep]=now;
	dfs(a[now].rc);
}

inline void rebuild(int &now) {
	tep=0;
	dfs(now);
	if(tep) build(1,tep,now);
	else now=0;
}

inline void insert(int &now,int k) {
	if(!now) {
		now=mem[mep--];
		a[now].v=k;
		a[now].lc=a[now].rc=0;
		a[now].pd=a[now].valid=a[now].total=1;
		return ;
	}
	a[now].total++;
	a[now].valid++;
	if(a[now].v>=k) insert(a[now].lc,k);
	else insert(a[now].rc,k);
	if(flag(now)==true) rebuild(now);
}

inline int findth(int k) {
	int now=root;
	int ans=1;
	while(now) {
		if(a[now].v>=k) now=a[now].lc;
		else {
			ans+=a[a[now].lc].valid+a[now].pd;
			now=a[now].rc;
		}
	}
	return ans;
} 

inline int findn(int k) {
	int now=root;
	while(now) {
		if(a[now].pd&&a[a[now].lc].valid+1==k) return a[now].v;
		else if(a[a[now].lc].valid>=k) now=a[now].lc;
		else {
			k-=a[now].pd+a[a[now].lc].valid;
			now=a[now].rc;
		}
	}
}

inline void deleth(int &now,int k) {
	if(a[now].pd&&a[a[now].lc].valid+1==k) {
		a[now].pd=0;
		a[now].valid--;
		return ;
	}
	a[now].valid--;
	if(a[a[now].lc].valid+a[now].pd>=k) deleth(a[now].lc,k);
	else deleth(a[now].rc,k-a[a[now].lc].valid-a[now].pd);
}

inline void deletn(int k) {
	deleth(root,findth(k));
	if((double)a[root].total*alp>a[root].valid) rebuild(root);
}

int main() {
	for(register int i=2000000;i>=1;i--) mem[++mep]=i;
	scanf("%d",&n);
	for(register int i=1;i<=n;i++) {
		scanf("%d%d",&op,&x);
		if(op==1) insert(root,x);
		if(op==2) deletn(x);
		if(op==3) printf("%d
",findth(x));
		if(op==4) printf("%d
",findn(x));
		if(op==5) printf("%d
",findn(findth(x)-1));
		if(op==6) printf("%d
",findn(findth(x+1)));
	}
	return 0;
}

• 例题2的主程序部分（其他的函数部分和以上一致）：

int main() {
	for(register int i=2000000;i>=1;i--) mem[++mep]=i;
	n=read();
	m=read();
	for(register int i=1;i<=n;i++) {
		x=read();
		insert(root,x);
	}
	for(register int i=1;i<=m;i++) {
		op=read();
		x=read();
		x^=last;
		if(op==1) insert(root,x);
		if(op==2) deletn(x);
		if(op==3) {
			ans^=findth(x);
			last=findth(x);
		}
		if(op==4) {
			ans^=findn(x);
			last=findn(x);
		}
		if(op==5) {
			ans^=findn(findth(x)-1);
			last=findn(findth(x)-1);
		}
		if(op==6) {
			ans^=findn(findth(x+1));
			last=findn(findth(x+1));
		}
	}
	printf("%d",ans);
	return 0;
}

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后序：

终于总结完了！替罪羊树也算是入门了吧？

嗯..不过还需要多做题巩固应用，AVL树和Splay也得找时间学习

那....那就继续加油叭qvq

最后，如果有任何问题，欢迎指出，我们一起进步

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