平衡树
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Snowflake_Pink
2019年07月11日
    • 我自己的复习就开始从平衡树开始吧$qwq$
    • 这是我最早咕的一个知识点，现在来看，我那时菜得竟然连$Treap$都看不懂，$emming$

    $Treap$

    • 特点：

      • 优点：

        1. 最常用最好写的平衡树，在考场上如果可以实现，$Treap$打起来是最快的。
        2. 不是很慢，甚至可以说挺快的。

      • 缺点：

        1. 通用性和扩展性不如$Splay$

    • 算法：简而言之就是一个二叉搜索树$(BST)$+一个堆。众所周知，堆是一个完全二叉树，所以我们只要在一个$BST$中的每一个结点创造出一个附属值（在堆中的优先级），然后再用堆化为一个接近完全二叉树的$BST$（还要满足$BST$的性质下）。

      1. 如果要插入一个数，用rand进行优先级赋值。然后加入到树中去（$BST$的加入方法，不是堆的加入方法，否则不满足$BST$）。
      2. 然后就是一个堆的上浮过程了，根据实际情况进行相连的两个节点的左旋和右旋。

      旋转

      如果看不懂，就再看看下面的代码帮助理解。其实就是在旋转中交换儿子，左旋和右旋的交换都是固定的。不需要考虑多种情况。

      1. 再然后就没有什么了，更多的功能按照自己需要的加。
      2. 每个树节点几个属性（或者说你要开几个不同的数组），l[]左二子，r[]右儿子，sum[]这个数有几个（因为你可能会插入多个一样的数），rank[]优先值，val[]这个节点的值，size以这个节点为根的子树有多少个结点。

    • 例题：普通平衡树

      • 模板题，直接打即可，插入和删除都和线段树比较类似。
    #include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

using namespace std;
const int MAXN=100005;
int n;
struct treap{
    int l[MAXN],r[MAXN],val[MAXN],rank[MAXN],size[MAXN],sum[MAXN];
    int sz,ans,rt;
    inline void pushup(int x){
        size[x]=size[l[x]]+size[r[x]]+sum[x];
    }
    inline void lrotate(int &k){
        int t=r[k];
        r[k]=l[t];
        l[t]=k;
        size[t]=size[k];
        pushup(k);
        k=t;
    }
    inline void rrotate(int &k){
        int t=l[k];
        l[k]=r[t];
        r[t]=k;
        size[t]=size[k];
        pushup(k);
        k=t;
    }
    void insert (int &k,int x){
        if (!k){
            sz++;
            k=sz;
            size[k]=1;
            sum[k]=1;
            val[k]=x;
            rank[k]=rand();
            return;
        }
        size[k]++;
        if (val[k]==x){
            sum[k]++;
        }
        else if (val[k]<x){
            insert (r[k],x);
            if (rank[r[k]]<rank[k])
                lrotate(k);
        }
        else {
            insert (l[k],x);
            if (rank[l[k]]<rank[k])
                rrotate(k);
        }
    }
    void del(int &k,int x){
        if (!k) return;
        if (val[k]==x){
            if (sum[k]>1){
                sum[k]--;
                size[k]--;
                return;
            }
            if (l[k]==0||r[k]==0){
                k=l[k]+r[k];
            }
            else if (rank[l[k]]<rank[r[k]]){
                rrotate(k);
                del(k,x);
            }
            else{
                lrotate(k);
                del(k,x);
            }
        }
        else if (val[k]<x){
            size[k]--;
            del(r[k],x);
        }
        else {
            size[k]--;
            del(l[k],x);
        }
    }
    int queryrank(int k,int x){
        if (!k) return 0;
        if (val[k]==x){
            return size[l[k]]+1;
        }
        else if (x>val[k]){
            return size[l[k]]+sum[k]+queryrank(r[k],x);
        }
        else return queryrank(l[k],x);
    }
    int querynum(int k,int x){
        if(!k) return 0;
        if(x<=size[l[k]]) return querynum(l[k],x);
        else if(x>size[l[k]]+sum[k])
            return querynum(r[k],x-size[l[k]]-sum[k]);
        else return val[k];
    }
    void querypre(int k,int x){
        if(!k) return ;
        if(val[k]<x) ans=k,querypre(r[k],x);
        else querypre(l[k],x);
    }
    void querysub(int k,int x){
        if(!k) return;
        if(val[k]>x) ans=k,querysub(l[k],x);
        else querysub(r[k],x);
    }
}T;
int main(){
    scanf("%d",&n);
    int opt,x;
    for(int i=1;i<=n;i++){
        scanf("%d%d",&opt,&x);
        if(opt==1)T.insert(T.rt,x);
        else if(opt==2)T.del(T.rt,x);
        else if(opt==3){
            printf("%d\n",T.queryrank(T.rt,x));
        }
        else if(opt==4){
            printf("%d\n",T.querynum(T.rt,x));
        }
        else if(opt==5){
            T.ans=0;
            T.querypre(T.rt,x);
            printf("%d\n",T.val[T.ans]);
        }
        else if(opt==6){
            T.ans=0;
            T.querysub(T.rt,x);
            printf("%d\n",T.val[T.ans]);
        }
    }
    return 0;
}
    • 优化：<cstdlib>的rand()有点慢，所以可以直接手写一个：
    inline int rand ( )  {
    static int seed = 233;//seed可以随便取
    return seed = ( int ) seed * 482711LL % 2147483647; 
}

    非旋$Treap$

    • 这个一般来说有点慢，但是可以让树可持久化。
    • 可持久化就是：

    可持久化数据结构(Persistent data structure)是一种在发生改变时，会保存之前的版本的数据结构。这是一种不可变的$(immutable)$数据结构，对数据进行操作时，不会在原数据上进行更新改变，而是会生成另一个新的发生改变了的新数据。

    所以这不应该很耗空间吗$qwq$？？

    • 不常用，暂时不学。

    $Splay$

    • 这个 $Splay$ 相比 $ Treap$ 来说更全能一点，除了可能代码会又臭又长（好吧，其实并没有）。
    • $Splay$ 感觉更加优雅一些，因为用其他冗余的东西来平衡，只是单纯的左旋和右旋。
    • 优点：和 $Treap$ 差不多，比 $Treap$ 扩展性更高
    • 缺点：比 $Treap$ 打起来慢一点，但是一般平衡树的题直接用它就可以了，万一 $Treap$ 写到一半发现只能用 $Splay$ 就比较尴尬。

    基本操作

    • 更新子树结点数量 size ：
    inline void UDsize(int x){
    size[x]=size[son[x][0]]+size[son[x][1]]+cnt[x];
    return;
}
    • 左儿子 $or$ 右儿子：
    inline bool lrson(int x){
    return x==son[fa[x]][1];
}
    • 删除结点：
    inline void clear(int x)[
    size[x]=son[x][0]=son[x][1]=cnt[x]=val[x]=fa[x]=0;
    return;
]
    • 旋转（竟然不用分左右）：用手模拟一遍就可以知道怎么旋转了

    Splay旋转

    inline void rotate(int x) {
      int y = fa[x], z = fa[y], sonk = lrson(x);
      son[y][sonk] = son[x][sonk ^ 1];
      fa[ch[x][sonk ^ 1]] = y;
      son[x][sonk ^ 1] = y;
      fa[y] = x;
      fa[x] = z;
      if (z) son[z][y == son[z][1]] = x;
      UPsize(y);
      UPsize(x);
    return;
}

    • $Splay$ 伸展：直接引用 OI-Wiki 的例子

      • 一共有6中情况：

    Splay伸展

    如果 $x$ 的父亲是根节点，直接将 $x$ 左旋或右旋（图 1 , 2 ）

    如果 $x$ 的父亲不是根节点，且 $x$ 和父亲的儿子类型相同，首先将其父亲左旋或右旋，然后将 $x$ 右旋或左旋（图 3 , 4 ）

    如果 $x$ 的父亲不是根节点，且 $x$ 和父亲的儿子类型不同，将 $x$ 左旋再右旋、或者右旋再左旋（图 5 , 6）

    inline void splay(int x) {
    for (int f = fa[x]; f = fa[x], f; rotate(x))
        if (fa[f]) rotate(lrson(x) == lrson(f) ? f : x);
    rt = x;
    return;
}
    本文作者：Snowflake_Pink
    本文链接：https://snowflake.pink/archives/64/
    最后修改时间：2020-04-13 11:24:32
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