treap详解

Posted 2021-01-27 gaxc

一、二叉排序树
因为只要是来讲treap的，所以关于二叉排序树的知识就不再赘述。
如果还不知道二叉排序树，可以先到别处学学再来看。
在二叉排序树中，我们将比该节点小的值放在该节点的左边，将比该节点大的值放在该节点的右边。
可是很显然，这样的话操作的时间复杂度就和树的深度有很大的关系。当树的形态为一条链的时候，就无法满足操作的复杂度为(nlog(n))。
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二、treap是什么
treap = tree + heap
treap就是树与堆的结合体。为了防止树被单调的数据卡成一条链，可以给每个节点多加上一个随机的优先值，让树同时也满足堆的性质（一般为小根堆）。
由于优先值是随机的，所以树的深度平均为(nlog(n))。
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三、treap实现
1、左旋（zip）与右旋（zap）
我们发现，在一个节点的优先值被随机生成后，树可能无法满足我们所要求的堆的性质。
所以为了让树同时也具备这个性质，需要对树进行一定的旋转，使树变成我们所希望的样子。
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左旋：将根节点的右儿子作为根，根节点作为右儿子的左儿子。
右旋：将根节点的左儿子作为根，根节点作为左儿子的右儿子。

由图中可知左旋与右旋的操作方法。

void zig(int &k) { //左旋 
    int v = rson[k]; rson[k] = lson[v]; lson[v] = k;
    size[v] = size[k]; up(k); k = v;
}

void zag(int &k) { //右旋 
    int v = lson[k]; lson[k] = rson[v]; rson[v] = k;
    size[v] = size[k]; up(k); k = v;
}

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2、插入操作
我们考虑在树上插入一个节点。
先像二叉排序树一样找到应当插入节点的位置，插入该节点，并初始化该节点的值。
由于树要满足小根堆的性质，所以如果插入的节点的优先级小于它的根节点，就通过左旋/右旋进行调整。（不理解的可以看看上面那张图）

void insert(int &k, int x) { //插入节点 
    if (k == 0) { //如果节点数为0，直接插入 
      k = ++ cnt;  
      size[k] = c[k] = 1; a[k] = x; pri[k] = rand();
      return;
    }
    size[k] ++;
    if (a[k] == x) c[k] ++;
    else if (x > a[k]) {
      insert(rson[k], x);
      if (pri[rson[k]] < pri[k]) zig(k);
    }
    else {
      insert(lson[k], x);
      if (pri[lson[k]] < pri[k]) zag(k);
    }
}

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3、删除操作
考虑在树上删除一个节点。
首先先在树上找到该点。
对于这个点，有两种情况：要么它有一个或没有儿子，要么它有两个儿子。
先考虑只有一个或没有儿子的情况，显然这个点可以直接删除，将它的子树接到它的父节点上即可。
对于有两个儿子的情况，显然是不能直接删除这个点的。（因为无法确定左右子所应接在父节点上的位置）
所以对于有两个儿子的情况，可以通过左旋/右旋将待删除的点向叶子节点处旋转，直到只有一个或没有儿子为止。
在旋转时，如果改点的左儿子的优先级比右儿子小，就右旋；如果大，就左旋。

void del(int &k, int x) { //删除 
    if (k == 0) return; //没有该节点就直接退出 
    if (a[k] == x) {
      if (c[k] > 1) c[k] --, size[k] --;
      else {
        if (!lson[k] || !rson[k]) k = lson[k] + rson[k];
        else if (pri[lson[k]] < pri[rson[k]]) zag(k), del(k, x);
        else zig(k), del(k, x);
      }
    }
    else if (x > a[k]) size[k] --, del(rson[k], x);
    else size[k] --, del(lson[k], x);
}

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4、查询一个数的排名
查询排名，就是查询该数是这些数中第几小的。
查询排名的方法和二叉排序树一样，这里就不再说了。

int query_rank(int &k, int x) { //查询排名 
    if (k == 0) return 2e9;
    if (a[k] == x) return size[lson[k]] + 1;
    if (x > a[k]) return size[lson[k]] + c[k] + query_rank(rson[k], x);
    else return query_rank(lson[k], x);
}

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5、查询排名第x的数是什么
即是询问这些数中从小到大排后第x大的数是什么。
查询方法也和二叉排序树一样，直接放代码。

int query_num(int &k, int x) { //查询排名为x的数 
    if (k == 0) return 2e9;
    if (x <= size[lson[k]]) return query_num(lson[k], x);
    x -= size[lson[k]];
    if (x <= c[k]) return a[k];
    x -= c[k];
    return query_num(rson[k], x);
}

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6、查询数x的前驱
即查询比x小的最大的数。
和二叉排序树一样。如果x比该数大，就往右走；否则往左走。

int query_pre(int &k, int x) { //查询前驱 
    if (k == 0) return -2e9;
    if (a[k] < x) return max(a[k], query_pre(rson[k], x));
    else return query_pre(lson[k], x);
}

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7、查询数x的后继
即查询比x大的最小的数。
也和二叉排序树一样。如果x比该数小，就往左走；否则往右走。

int query_next(int &k, int x) { //查询后继 
    if (k == 0) return 2e9;
    if (a[k] > x) return min(a[k], query_next(lson[k], x));
    else return query_next(rson[k], x);
}

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四、treap模板
放一题treap的模板题。
bzoj3224

代码如下：

#include<cstdio>
#include<algorithm>
using namespace std;

const int maxn = 100005;
int n, cnt, root;
int lson[maxn], rson[maxn], size[maxn], a[maxn], c[maxn], pri[maxn];

int read(void) {
    char c; while (c = getchar(), (c < '0' || c > '9') && c != '-'); int x = 0, y = 1;
    if (c == '-') y = -1; else x = c - '0';
    while (c = getchar(), c >= '0' && c <= '9') x = x * 10 + c - '0'; return x * y; 
}

int rand(){
    static int seed = 2333;
    return seed = (int)((((seed ^ 998244353) + 19260817ll) * 19890604ll) % 1000000007);
}

void up(int k) {
    size[k] = size[lson[k]] + size[rson[k]] + c[k];
}

void zig(int &k) { //左旋 
    int v = rson[k]; rson[k] = lson[v]; lson[v] = k;
    size[v] = size[k]; up(k); k = v;
}

void zag(int &k) { //右旋 
    int v = lson[k]; lson[k] = rson[v]; rson[v] = k;
    size[v] = size[k]; up(k); k = v;
}

void insert(int &k, int x) { //插入节点 
    if (k == 0) { //如果节点数为0，直接插入 
      k = ++ cnt;  
      size[k] = c[k] = 1; a[k] = x; pri[k] = rand();
      return;
    }
    size[k] ++;
    if (a[k] == x) c[k] ++;
    else if (x > a[k]) {
      insert(rson[k], x);
      if (pri[rson[k]] < pri[k]) zig(k);
    }
    else {
      insert(lson[k], x);
      if (pri[lson[k]] < pri[k]) zag(k);
    }
}

void del(int &k, int x) { //删除 
    if (k == 0) return; //没有该节点就直接退出 
    if (a[k] == x) {
      if (c[k] > 1) c[k] --, size[k] --;
      else {
        if (!lson[k] || !rson[k]) k = lson[k] + rson[k];
        else if (pri[lson[k]] < pri[rson[k]]) zag(k), del(k, x);
        else zig(k), del(k, x);
      }
    }
    else if (x > a[k]) size[k] --, del(rson[k], x);
    else size[k] --, del(lson[k], x);
}

int query_rank(int &k, int x) { //查询排名 
    if (k == 0) return 2e9;  
    if (a[k] == x) return size[lson[k]] + 1;
    if (x > a[k]) return size[lson[k]] + c[k] + query_rank(rson[k], x);
    else return query_rank(lson[k], x);
}

int query_num(int &k, int x) { //查询排名为x的数 
    if (k == 0) return 2e9;
    if (x <= size[lson[k]]) return query_num(lson[k], x);
    x -= size[lson[k]];
    if (x <= c[k]) return a[k];
    x -= c[k];
    return query_num(rson[k], x);
}

int query_pre(int &k, int x) { //查询前驱 
    if (k == 0) return -2e9;
    if (a[k] < x) return max(a[k], query_pre(rson[k], x));
    else return query_pre(lson[k], x);
}

int query_next(int &k, int x) { //查询后继 
    if (k == 0) return 2e9;
    if (a[k] > x) return min(a[k], query_next(lson[k], x));
    else return query_next(rson[k], x);
}

int main() {
    n = read();
      while (n --) {
        int opt = read(), x = read();
          if (opt == 1) insert(root, x);
          else if (opt == 2) del(root, x);
          else if (opt == 3) printf("%d
", query_rank(root, x));
          else if (opt == 4) printf("%d
", query_num(root, x));
          else if (opt == 5) printf("%d
", query_pre(root, x));
          else if (opt == 6) printf("%d
", query_next(root, x));
      }
    return 0;
}