Treap（树堆）入门

• 作者：zifeiy
• 标签：Treap

首先，我么要知道：Treap=Tree+Heap。

这里：

• Tree指的是二叉排序树；
• Heap指的是堆。

所以在阅读这篇文章之前需要大家对 二叉查找树 和 堆（Heap） 有一定的认识。

Treap支持如下操作：

1. 插入x数
2. 删除x数（若有多个相同的数，应只删除一个）
3. 查询x数的排名（排名定义为比当前数小的数的个数+1。若有多个相同的数，应输出最小的排名）
4. 查询排名为x的数
5. 求x的前驱（前驱定义为小于x，且最大的数）
6. 求x的后继（后继定义为大于x，且最小的数）

二叉排序树是这样的一棵树：

• 它是一棵二叉树；
• 任意节点的左儿子（如果有）的权值都小于该节点的权值；
• 任意节点的右儿子（如果有）的权值都大于该节点的权值。

二叉排序树可以实现上述6个功能，但是最坏情况下每一步操作的时间复杂度都会达到 \(O(n)\) 。

所以我们需要在二叉查找树的基础上引入堆的性质，形成一个 \(\Rightarrow\) Treap。

Treap的基本内容

首先，我们需要开一些数组来保存信息：

• size[i]：以i为根节点的子树的节点总数；
• v[i]：i节点的权值；
• num[i]：由于可能有多个节点具有相同的权值，所以，我们将权值一样的存在同一个节点里面，num[i]存放的是i节点存的数的个数（即：num[i]表示有多少个数的权值为v[i]）；
  
  sum[i][2]：用于存储i节点的儿子编号，其中：son[i][0]表示i节点的左儿子，son[i][1]表示i节点的右儿子；
• rd[i]：i节点的随机值。

那么，rd[i]的左右是什么呢？

每次创建一个新节点i的时候，都会为i节点分配一个随机值 rd[i]。

堆就是在这里派上用场的——我们要让全部节点按照这个随机值排成一个堆。

这就引出了平衡树中最重要的一个概念——旋转。

rotate操作——旋转

旋转分两种：左旋和右旋，它们的共同特点是不改变Treap的二叉查找树的性质，同时让Treap更加平衡。

旋转可以维护Treap堆的性质，然后巧妙地防止Treap退化成链，使得操作的时间复杂度趋于 \(O(\log n)\) 。

Treap的基本操作

void pushup(int p) {
    sz[p] = sz[ son[p][0] ] + sz[ son[p][1] ] + num[p];
}

用于重新统计以p为根节点的子树中元素个数。

void rot(int &p, int d) {
    int k = son[p][d^1];
    son[p][d^1] = son[k][d];
    son[k][d] = p;
    pushup(p);
    pushup(k);
    p = k;
}

旋转操作，d0：左旋；d1：右旋。

1. 插入一个数x

void ins(int &p, int x) {
    if (!p) {
        p = ++sum;
        sz[p] = num[p] = 1;
        v[p] = x;
        rd[p] = rand();
        return;
    }
    if (v[p] == x) {
        num[p] ++;
        sz[p] ++;
        return;
    }
    int d = (x > v[p]);
    ins(son[p][d], x);
    if (rd[p] < rd[ son[p][d] ]) rot(p, d^1);
    pushup(p);
}

如果 p==0 （即 !p），那么就说明当前节点是一个空节点，此时我们开辟一个新节点；

如果 v[p]==x，那么就说明当前要插入的位置p上面刚好存了一个x，直接放到这个点上面就OK了；

否则，我们需要递归的进一个子树进行插入，当 x<v[p] 时， d=0，进左子树；当 x>v[p] 时，d=1，进右子树递归地插入。

如果进左儿子插入x后，p节点的rd值小于它左儿子的rd值（即：\(rd[p] \lt rd[son[p][0]]\)），则右旋；

如果进右儿子插入x后，p节点的rd值小于它右儿子的rd值（即：\(rd[p] \lt rd[son[p][1]]\)），则左旋。

（ 重点，想一想，为什么这样转不破坏堆的性质 ）（我暂时还没有想明白~）

2. 删除一个数x

void del(int &p, int x) {
    if (!p) return;
    if (x < v[p]) del(son[p][0], x);
    else if (x > v[p]) del(son[p][1], x);
    else {
        if (!son[p][0] && !son[p][1]) {
            num[p] --; sz[p] --;
            if (!num[p]) p = 0;
        }
        else if (!son[p][1]) {
            rot(p, 1);
            del(son[p][1], x);
        }
        else if (!son[p][0]) {
            rot(p, 0);
            del(son[p][0], x);
        }
        else {
            int d = (rd[ son[p][0] > rd[ son[p][1] ] ]);
            rot(p, d);
            del(son[p][d], x);
        }
    }
    pushup(p);
}

如果是空节点，则直接返回；

如果 x 和 p[x] 不相等，直接去相应子树递归删除；

如果 x==v[p]，则：

• 如果x是叶子结点，直接扣掉个数，如果个数变为0则删掉节点；
• 如果x只有一个子节点，直接把子节点旋转上来，然后去相应子树解决；
• 如果有两个子节点，把大的那个转上来，然后去另一个子树解决。

3. 查询x数的排名

int get_rank(int p, int x) {
    if (!p) return 0;
    if (v[p] == x) return sz[ son[p][0] ] + 1;
    if (v[p] < x) return sz[ son[p][0] ] + num[p] + get_rank(son[p][1], x);
    if (v[p] > x) return get_rank(son[p][0], x);
}

如果不存在这个节点（到达了一个空节点），直接返回0；

如果x==v[p]，那么左子树的全部节点都必定小于x，直接返回左子树节点数+1；

如果x>v[p]，则x位于右子树，答案就是左子树元素个数+该节点元素个数+右子树中x的排名；

如果x<v[p]，则x位于左子树，答案就是x在左子树的排名。

4. 查询排名为x的数

int func_find(int p, int x) {
    if (!p) return 0;
    if (sz[ son[p][0] ] >= x) return func_find(son[p][0], x);
    else if (sz[ son[p][0] ] + num[p] < x)
        return func_find(son[p][1], x-num[p]-sz[ son[p][0] ]);
    else return v[p];
}

空节点没有排名，直接返回0；

如果左子树中节点个数大于x，则进左子树找；

否则，如果左子树加根节点的个数大于等于x，直接返回根节点的值v[p]；

否则，说明左子树加根节点的个数小于x，进右子树找第 \(x-最节点和根节点元素个数\) 个元素。

5. 求x的前驱

int pre(int p, int x) {
    if (!p) return -INF;
    if (v[p] >= x) return pre(son[p][0], x);
    else return max(v[p], pre(son[p][1], x));
}

如果是空节点，则没有前驱；

如果x是根或在右子树，去左子树找；

否则要么是根要么右子树，取一个max就可以了（前驱定义为小于x，且最大的数）。

6. 求x的后缀

int suc(int p, int x) {
    if (!p) return INF;
    if (v[p] <= x) return suc(son[p][1], x);
    else return min(v[p], suc(son[p][0], x));
}

如果是空节点，则没有后缀；

如果在根或者左子树，去右子树找；

否则要么根要么左子树，取min就可以了(后继定义为大于x，且最小的数)。

洛谷上面有一道题是专门用于练习左偏树的题目：洛谷 P3369

实现代码如下：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define INF INT_MAX
const int maxn = 100010;
int sum = 0, R = 0;
int sz[maxn], v[maxn], num[maxn], rd[maxn], son[maxn][2];
// 用于重新统计以p为根节点的子树中元素个数
void pushup(int p) {
    sz[p] = sz[ son[p][0] ] + sz[ son[p][1] ] + num[p];
}
// 左旋（d==0时），右旋（d==1时）
void rot(int &p, int d) {
    int k = son[p][d^1];
    son[p][d^1] = son[k][d];
    son[k][d] = p;
    pushup(p);
    pushup(k);
    p = k;
}
// 插入一个数x
void ins(int &p, int x) {
    if (!p) {
        p = ++sum;
        sz[p] = num[p] = 1;
        v[p] = x;
        rd[p] = rand();
        return;
    }
    if (v[p] == x) {
        num[p] ++;
        sz[p] ++;
        return;
    }
    int d = (x > v[p]);
    ins(son[p][d], x);
    if (rd[p] < rd[ son[p][d] ]) rot(p, d^1);
    pushup(p);
}
// 删除一个数x
void del(int &p, int x) {
    if (!p) return;
    if (x < v[p]) del(son[p][0], x);
    else if (x > v[p]) del(son[p][1], x);
    else {
        if (!son[p][0] && !son[p][1]) {
            num[p] --; sz[p] --;
            if (!num[p]) p = 0;
        }
        else if (!son[p][1]) {
            rot(p, 1);
            del(son[p][1], x);
        }
        else if (!son[p][0]) {
            rot(p, 0);
            del(son[p][0], x);
        }
        else {
            int d = (rd[ son[p][0] > rd[ son[p][1] ] ]);
            rot(p, d);
            del(son[p][d], x);
        }
    }
    pushup(p);
}
// 查询x数的排名
int get_rank(int p, int x) {
    if (!p) return 0;
    if (v[p] == x) return sz[ son[p][0] ] + 1;
    if (v[p] < x) return sz[ son[p][0] ] + num[p] + get_rank(son[p][1], x);
    if (v[p] > x) return get_rank(son[p][0], x);
}
// 查询排名为x的数
int func_find(int p, int x) {
    if (!p) return 0;
    if (sz[ son[p][0] ] >= x) return func_find(son[p][0], x);
    else if (sz[ son[p][0] ] + num[p] < x)
        return func_find(son[p][1], x-num[p]-sz[ son[p][0] ]);
    else return v[p];
}
// 求x的前驱
int pre(int p, int x) {
    if (!p) return -INF;
    if (v[p] >= x) return pre(son[p][0], x);
    else return max(v[p], pre(son[p][1], x));
}
// 求x的后缀
int suc(int p, int x) {
    if (!p) return INF;
    if (v[p] <= x) return suc(son[p][1], x);
    else return min(v[p], suc(son[p][0], x));
}

int T, op, x;
int main() {
    cin >> T;
    while (T --) {
        cin >> op >> x;
        if (op == 1) ins(R, x);
        else if (op == 2) del(R, x);
        else if (op == 3) cout << get_rank(R, x) << endl;
        else if (op == 4) cout << func_find(R, x) << endl;
        else if (op == 5) cout << pre(R, x) << endl;
        else if (op == 6) cout << suc(R, x) << endl;
    }
    return 0;
}

然后我又用类封装了一下，C++类封装的代码如下：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define INF INT_MAX
const int maxn = 100010;
class Treap {
private:
    int sum, R, sz[maxn], v[maxn], num[maxn], rd[maxn], son[maxn][2];
    void pushup(int p) {
        sz[p] = sz[ son[p][0] ] + sz[ son[p][1] ] + num[p];
    }
    void rot(int &p, int d) {
        int k = son[p][d^1];
        son[p][d^1] = son[k][d];
        son[k][d] = p;
        pushup(p);
        pushup(k);
        p = k;
    }
    void ins(int &p, int x) {
        if (!p) {
            p = ++sum;
            sz[p] = num[p] = 1;
            v[p] = x;
            rd[p] = rand();
        }
        else if (v[p] == x) {
            num[p] ++;
            sz[p] ++;
        }
        else {
            int d = (x > v[p]);
            ins(son[p][d], x);
            if (rd[p] < rd[ son[p][d] ]) rot(p, d^1);
            pushup(p);
        }
    }
    void del(int &p, int x) {
        if (!p) return;
        if (x < v[p]) del(son[p][0], x);
        else if (x > v[p]) del(son[p][1], x);
        else {
            if (!son[p][0] && !son[p][1]) {
                num[p] --; sz[p] --;
                if (!num[p]) p = 0;
            }
            else if (!son[p][1]) {
                rot(p, 1);
                del(son[p][1], x);
            }
            else if (!son[p][0]) {
                rot(p, 0);
                del(son[p][0], x);
            }
            else {
                int d = (rd[ son[p][0] > rd[ son[p][1] ] ]);
                rot(p, d);
                del(son[p][d], x);
            }
        }
        pushup(p);
    }
    int get_rank(int p, int x) {
        if (!p) return 0;
        if (v[p] == x) return sz[ son[p][0] ] + 1;
        if (v[p] < x) return sz[ son[p][0] ] + num[p] + get_rank(son[p][1], x);
        if (v[p] > x) return get_rank(son[p][0], x);
    }
    int func_find(int p, int x) {
        if (!p) return 0;
        if (sz[ son[p][0] ] >= x) return func_find(son[p][0], x);
        else if (sz[ son[p][0] ] + num[p] < x)
            return func_find(son[p][1], x-num[p]-sz[ son[p][0] ]);
        else return v[p];
    }
    int pre(int p, int x) {
        if (!p) return -INF;
        if (v[p] >= x) return pre(son[p][0], x);
        else return max(v[p], pre(son[p][1], x));
    }
    int suc(int p, int x) {
        if (!p) return INF;
        if (v[p] <= x) return suc(son[p][1], x);
        else return min(v[p], suc(son[p][0], x));
    }
public:
    Treap() {}
    void Init() {
        sum = R = 0;
        memset(sz, 0, sizeof(sz));
        memset(v, 0, sizeof(v));
        memset(num, 0, sizeof(num));
        memset(rd, 0, sizeof(rd));
        memset(son, 0, sizeof(son));
    }
    void Insert(int x) { ins(R, x); }
    void Delete(int x) { del(R, x); }
    int GetRank(int x) { return get_rank(R, x); }
    int Find(int x) { return func_find(R, x); }
    int Pre(int x) { return pre(R, x); }
    int Suc(int x) { return suc(R, x); }
} treap;
int main() {
    treap.Init();
    int T, op, x;
    cin >> T;
    while (T --) {
        cin >> op >> x;
        switch (op) {
            case 1: treap.Insert(x); break;
            case 2: treap.Delete(x); break;
            case 3: cout << treap.GetRank(x) << endl; break;
            case 4: cout << treap.Find(x) << endl; break;
            case 5: cout << treap.Pre(x) << endl; break;
            case 6: cout << treap.Suc(x) << endl; break;
            default: break;
        }
    }
    return 0;
}