平衡树是二叉搜索树和堆合并构成的新数据结构,所以它的名字取了Tree和Heap各一半,叫做Treap。
堆和树的性质是冲突的,二叉搜索树满足左子树<根节点<右子树,而堆是满足根节点小于等于(或大于等于)左右儿子。因此在Treap的数据结构中,并不是以单一的键值作为节点的数据域。
Treap每个节点的数据域包含2个值,key和weight。
key值,和原来的二叉搜索树一样,满足左子树<根节点<右子树。
weight值,随机产生。在Treap中weight值满足堆的性质,根节点的weight值小于等于(或大于等于)左右儿子节点。
比如下图就是一个示例的Treap:
简单理解是话,平衡树就是在二叉搜索树上增加了一个weight值。
因此Treap的大部分操作都和二叉搜索树是一样的,唯一区别在于每次插入一个节点后,需要对树的结构进行调整。
因为每一个节点的weight值不一样,当我们按照key值插入一个节点后,这个节点有可能不满足weight值的要求。
对于如何调整,首先我们来看一个最简单的例子:
如图所示的一个Treap有三个节点,其中根的右儿子节点是新插入的。
假设我们一开始想要让Treap满足小根堆的性质,即weight值越小越在堆顶。
那么我们需要在不改变key值顺序的情况下,对节点进行变形,使得weight值满足性质。
这一步骤被称为旋转,对于例子,其旋转之后的形态为:
根据旋转的方向不同,旋转分为两种:左旋和右旋。
在例子中是将右儿子节点旋转至根,所以称为左旋。反之将左儿子节点旋转至根,称为右旋。
那么这个旋转具体的过程,我们可以对应旋转前后的图来分析。首先是左旋操作:
它的过程有如下几步:
该过程代码如下
void leftRotate(Treap *& a) {
Treap * b = a->right;
b->father = a->father;
if (a->father->left == a){
a->father->left = b;
}else {
a->father->right = b;
}
a->right = b->left;
b->left->father = a;
b->left = a;
a->father = b;
}
然后是右旋操作:
该过程代码如下
void rightRotate(Treap *& a) {
Treap * b = a->left;
b->father = a->father;
if (a->father->left = a){
a->father->left = b;
}else{
a->father->right = b;
}
a->left = b->right;
b->right->father = a;
b->right = a;
a->father = b;
}
只要将节点插入Treap以后,再不断的旋转当前节点直到weight满足堆的性质。
首先我们从插入操作来看,这里我们让insert完成后返回新加入的节点:
Treap* insert(Treap *& p, int key){
if (p == NULL) { //特殊处理根结点
p = new Treap;
p->left = p->right = NULL;
p->key = key;
p->father = NULL;
p->weight = cnt++;
return p;
}
if (p->key > key){
if (p->left == NULL){
p->left = new Treap;
p->left->left = p->left->right = NULL;
p->left->key = key;
p->left->father = p;
p->left->weight = cnt++;
return p->left;
}else{
return insert(p->left, key);
}
}else if (p->key < key){
if (p->right == NULL){
p->right = new Treap;
p->right->left = p->right->right = NULL;
p->right->key = key;
p->right->father = p;
p->right->weight = cnt++;
return p->right;
}else{
return insert(p->right, key);
}
}
}
完成插入操作后,我们获得了新加入的节点,然后迭代的进行旋转(这里假设采用小根堆):
void Rotate(Treap *p) {
if (p->father != NULL) {
Treap *fa = p->father;
if (p->weight < fa->weight){
if (p = fa->left){
rightRotate(fa);
}else{
leftRotate(fa);
}
}
}
}
另外还有一点,相比较于普通的二叉搜索树,Treap删除节点的操作也有一定的区别。
同样需要根据删除节点的孩子数量来进行处理:
没有孩子节点,则当前结点为叶子节点,直接删去即可。
有一个孩子节点,和普通二叉搜索树相同,让孩子节点代替当前节点。
有两个孩子节点,利用旋转,将weight值小(或大)的子节点旋转到根上,将待删除节点向下旋转。反复操作直到待删除节点只有0个或1个子节点。
Treap * find(Treap* p, int key){
if (p == NULL){
return NULL;
}
if (p->key == key){
return p;
}
if (p->key > key){
return find(p->left, key);
}else{
return find(p->right, key);
}
}
void Del(int key) {
Treap *p = find(root, key);
Treap *child;
while(p->left != NULL && p->right != NULL){
child = p->left;
if (child->weight > p->right->weight){
child = p->right;
}
if (child == p->left){
rightRotate(p);
}else{
leftRotate(p);
}
}
Treap* fa = p->father;
if (p->left != NULL){
p->left->father = fa;
if (p == fa->left){
fa->left = p->left;
}else{
fa->right = p->left;
}
}else if (p->right != NULL){
p->right->father = fa;
if (p == fa->left){
fa->left = p->right;
}else{
fa->right = p->right;
}
}else{
if (p == fa->left){
fa->father = NULL;
}else{
fa->right = NULL;
}
delete p;
}
}
对于一般的二叉搜索树,在某些特殊情况下根据输入数据来建树有可能退化为一条链,比如一个依次增大的数列。
而如果一棵二叉排序树的节点是按照随机顺序插入,得到的二叉排序树大多数情况下是平衡的,其期望高度是O(logn)。
因此Treap利用weight值作为随机因子来调整二叉树的形状,使得在大部分情况下比直接通过数据建立的二叉树要平衡。
每一次查找的期望复杂度也会降低,总体的速度也就得到了提高。
hiho一下,第103周代码
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
using namespace std;
struct Treap{
int key, weight;
Treap *left, *right, *father;
};
Treap *root = NULL;
int cnt = 0;
void leftRotate(Treap *& a) {
Treap * b = a->right;
b->father = a->father;
if (a->father->left == a){
a->father->left = b;
}else {
a->father->right = b;
}
a->right = b->left;
b->left->father = a;
b->left = a;
a->father = b;
}
void rightRotate(Treap *& a) {
Treap * b = a->left;
b->father = a->father;
if (a->father->left = a){
a->father->left = b;
}else{
a->father->right = b;
}
a->left = b->right;
b->right->father = a;
b->right = a;
a->father = b;
}
Treap* insert(Treap *& p, int key){
if (p == NULL) { //特殊处理根结点
p = new Treap;
p->left = p->right = NULL;
p->key = key;
p->father = NULL;
p->weight = cnt++;
return p;
}
if (p->key > key){
if (p->left == NULL){
p->left = new Treap;
p->left->left = p->left->right = NULL;
p->left->key = key;
p->left->father = p;
p->left->weight = cnt++;
return p->left;
}else{
return insert(p->left, key);
}
}else if (p->key < key){
if (p->right == NULL){
p->right = new Treap;
p->right->left = p->right->right = NULL;
p->right->key = key;
p->right->father = p;
p->right->weight = cnt++;
return p->right;
}else{
return insert(p->right, key);
}
}
}
void Rotate(Treap *p) {
if (p->father != NULL) {
Treap *fa = p->father;
if (p->weight < fa->weight){
if (p = fa->left){
rightRotate(fa);
}else{
leftRotate(fa);
}
}
}
}
Treap * find(Treap* p, int key){
if (p == NULL){
return NULL;
}
if (p->key == key){
return p;
}
if (p->key > key){
return find(p->left, key);
}else{
return find(p->right, key);
}
}
void Del(int key) {
Treap *p = find(root, key);
Treap *child;
while(p->left != NULL && p->right != NULL){
child = p->left;
if (child->weight > p->right->weight){
child = p->right;
}
if (child == p->left){
rightRotate(p);
}else{
leftRotate(p);
}
}
Treap* fa = p->father;
if (p->left != NULL){
p->left->father = fa;
if (p == fa->left){
fa->left = p->left;
}else{
fa->right = p->left;
}
}else if (p->right != NULL){
p->right->father = fa;
if (p == fa->left){
fa->left = p->right;
}else{
fa->right = p->right;
}
}else{
if (p == fa->left){
fa->father = NULL;
}else{
fa->right = NULL;
}
delete p;
}
}
int Query(Treap *p, int key, int last){
if (p->key > key){
if (p->left == NULL){
return last;
}else{
return Query(p->left, key, last);
}
}else if (p->key < key){
if (p->right == NULL){
return p->key;
}else{
return Query(p->right, key, max(last, p->key));
}
}else{
return key;
}
}
int main(){
int i, j, n, key;
cin >> n;
char c;
root = NULL;
while(n--){
cin >> c >> key;
if (c == 'I'){
Rotate(insert(root, key));
}else if (c == 'Q'){
cout << Query(root, key, -0x3fffffff) << endl;
}
}
return 0;
}