你所不了解的数据结构-van Emde Boas 树

## 前言 van Emde Boas 树（以下简称 vEB 树），是由荷兰计算机科学家 $\mathtt{Peter\ van\ Emde\ Boas}$ 于 1975 年发明的一种树数据结构。 当我翻开 《算法导论》 的目录的时候，一下子就被这个奇特的名字吸引住了。在学习过程中，我发现这个数据结构构思极其巧妙。因此，我将按照原文的思路，采用更通俗易懂的表述介绍这个数据结构，这篇文章也是我的学习笔记。此外，网上有关 vEB 树的实现均为指针实现，我这里将会给出无指针的实现。 最后，这篇文章如果有什么疏漏或错误之处，还请读者指出。这篇文章仅作抛砖引玉啦~ ## $0.$ 前置芝士 + 一定的树数据结构知识。 + [master 定理](https://www.luogu.com.cn/blog/GJY-JURUO/master-theorem)（分析时间复杂度的时候用）。 ## $1.$ 引入 我们知道，像红黑树，二叉堆等支持**优先队列操作**的数据结构，它们的某些重要操作的时间复杂度的**最坏**（或**摊还**）情况的时间复杂度需 $O(\log{n})$。 在这篇文章里，我们会看到 vEB 树也支持优先队列和一些其他操作，分别是：**查询元素是否存在、插入和删除元素、查询前驱和后继、查询集合里的最大值和最小值**，且每个操作的时间复杂度都只需惊人的 $O(\log{\log{n}})$！！！但这个数据结构也有个限制，那就是所有关键字必须为 $[0,n-1]$ 的整数且**无重复**。 为避免歧义，以后我们用 $n$ 表示**元素个数**，$u$ 表示存储关键字值的**全域大小**（即关键字的值域为 $\{0,1,2,...,u-1\}$）。其中，如无特殊要求，始终假定 $u=\{2^k:k\in\mathbb{N}_+\}$。那么 vEB 树的每一个操作的时间复杂度都为 $O(\log{\log{u}})$。 ## $2.$ 简单的思路 由于我们只存储关键字的值域，可以开一个**桶**。若元素 $i$ 存在，则 $A[i]=1$，反之 $A[i]=0$。这样，查询元素是否存在、插入和删除元素的操作只需要 $O(1)$，但查询前驱和后继、查询集合内最大值和最小值的操作最坏需要 $O(u)$，因为我们需要扫描所查询元素前（后）面的所有元素，直到找到第一个存在的元素为止。 ### $2.1$ 叠加结构 前面讲到，如果单开一个桶，查询前驱和后继扫描的时间将会非常久。那么，如何缩短扫描的时间呢？ 我们考虑在桶上叠加一棵二叉树，如图：  其中每一个非叶结点都代表一段值域的元素，其值为两个儿子的逻辑或，表示其代表的值域是否存在元素。我们来看看如何实现操作： - 查询最大值：从根节点出发，一直走最右边的非零结点。 - 查询最小值：从根节点出发，一直走最左边的非零结点。 - 查询某个元素的前驱：从该元素出发，一直向上走，直到从右边进入某个结点，且该结点的左儿子非零，查询以该左儿子为根的最大值。（图中即为查询 $14$ 的前驱的过程） - 查询某个元素的后继：从该元素出发，一直向上走，直到从左边进入某个结点，且该结点的右儿子非零，查询以该右儿子为根的最小值。 - 插入某个元素：从根节点（或该元素）出发，把从根节点到该元素的路径上的每个结点都赋值为 $1$。 - 删除某个元素：将该元素的值置为 $0$，然后从该元素开始，重新计算每个结点的或值（因为它的兄弟结点有可能非零，所以删掉这个元素后，其父节点不一定为 $0$）。 我们会发现，除了查询一个元素是否存在（直接查桶 $O(1)$）外，其他操作都是 $O(\log{u})$（因为只需要遍历二叉树上的一个路径），这很好地降下了复杂度。 旁白：？？？$O(\log u)$?我要的 $O(\log{\log{u}})$ 呢！（恼 别着急，慢慢来嘛～ ### $2.2$ 簇 有的时候，我们不一定要二叉树，我们可以像 B 树一样，使用多叉的结构。这样，整棵树的高度就减小了许多。 我们令值域 $u=\{2^{2k}:k\in \mathbb{Z}\}$，那么 $\sqrt{u}$ 是个**整数**。我们叠加一颗 $\sqrt{u}$ 叉树，来代替二叉树，如图  同样地，每一个非叶结点都代表一段值域的元素，其值为所有儿子的逻辑或。我们可以把这些非叶节点定义成一个数组 $summary$，其中 $summary[i]$ 为 $1$ 则代表着其子节点有 $1$，我们称 $summary[i]$ 为第 $i$ 个**簇**。如图  我们来考虑一下如何实现一些操作： - 查询最大值：在 $summary$ 中查找最右边为 $1$ 的簇，再查询该簇内最右边为 $1$ 的元素。 - 查询最小值：在 $summary$ 中查找最左边为 $1$ 的簇，再查询该簇内最左边为 $1$ 的元素。 - 查询某个元素的前驱：在该元素所在簇中向左找，如果有 $1$ 则为结果，否则在 $summary$ 中从该簇向左找，如果有为 $1$ 的簇则返回这个簇的最大值。 - 查询某个元素的后继：在该元素所在簇中向右找，如果有 $1$ 则为结果，否则在 $summary$ 中从该簇向右找，如果有为 $1$ 的簇则返回这个簇的最小值。 - 插入一个元素：置该元素和该元素所在簇为 $1$。 - 删除一个元素：置该元素为 $0$，重新计算该元素所在簇的逻辑或。 我们可以发现，除了**插入**和**查询某个元素是否存在**（都是 $O(1)$）外，其他操作的时间复杂度都为 $O(\sqrt{u})$。 旁白：？？？$O(\sqrt{u})$？好像更慢了啊喂！ 虽然慢，但这个思想为后续 vEB 树的讲解奠定了重要的基础。 ## $3.$ 原型 vEB 树 本节中假设 $u=\{2^{2^k}:k\in\mathbb{Z}\}$，则有 $u^{\frac{1}{2}},u^{\frac{1}{4}}$ 等都为整数。 另外，从这节开始，有操作的部分我将会附上代码。 ### $3.1$ 定义 - $high(x)=\lfloor{x/\sqrt{u}}\rfloor$ - $low(x)=x\bmod \sqrt{u}$ - $index(x,y)=x\sqrt{u}+y$ 这里一一来解释一下：为什么是 $\sqrt{u}$ 呢？因为值域为 $u$，每个簇的大小就为 $\sqrt{u}$。 $high(x)$ 表示的是值 $x$ 所在**簇**的编号；$low(x)$ 表示的是值 $x$ **在所在簇里面**的编号；$index(x,y)$ 则表示第 $x$ 个簇的第 $y$ 个元素是什么。（注意：编号也是从 $0$ 开始的，这里所说的第 $x$ 个簇指的是下面要讲的结构内的簇编号）那么我们就有 $x=index(high(x),low(x))$。 ### $3.2$ 结构 我们考虑一种递归结构，像上面的大小为 $\sqrt{u}$ 的 $summary$ 数组一样，其每一个元素都指向一个大小为 $\sqrt{u}$ 的结构。也就是说，一个大小为 $u^{\frac{1}{2}}$ 的结构，包含着 $u^{\frac{1}{2}}$ 个大小为 $u^{\frac{1}{4}}$ 的结构，其又包含着 $u^{\frac{1}{4}}$ 个大小为 $u^{\frac{1}{8}}$ 的结构，直到大小为 $2$ ，我们称它为**基本结构**。 像这样的的结构 我们定义它为**原型 vEB 结构（proto_vEB）**。（至于为什么是原型是因为它与真正的 vEB 结构还有区别） 下图就是一个原型 vEB 结构：  其中 $u$ 代表该结构的值域大小，我们称一个值域为 $[0,u-1]$ 的原型 vEB 结构为 $proto\_vEB(u)$。当 $u=2$ 时，这个结构是个基本结构，只包含 $A[0,1]$，也就是只存储**两个元素**的信息。当 $u\not=2$ 时，它包含着以下特征： - 包含 $\sqrt u$ 个簇的 $cluster$ 数组，每一项分别指向一个 $proto\_vEB(\sqrt u)$ 结构，分成**更小**的结构（也就是更小的簇）。 - 一个 $summary$ 指针，它指向一个 $proto\_vEB(\sqrt u)$ 结构，这个结构存储了 $\sqrt u$ 个簇的所有信息，也就是它们的**逻辑或**。 结构体以及定义的实现： ```cpp struct proto_vEB{ int u; bool A[2];//基本结构 int summary; vector<int>cluster; //用int是因为我之后建树将使用无指针 //vector是因为怕炸空间（ }tre[MAXN]; inline int high(int p,int x){ int u=(int)sqrt(tre[p].u); return x/u; } inline int low(int p,int x){ int u=(int)sqrt(tre[p].u); return x%u; } inline int index(int p,int x,int y){ int u=(int)sqrt(tre[p].u); return x*u+y; } ``` 我们把这些结构组合起来，就形成了一个原型 vEB 树：  是不是很眼花缭乱？为了方便说明，我给每一个结构都编了序号（注意编号和序号的区分）。 这个 $proto\_vEB(16)$ 结构存储的元素集合有 $\{2,3,4,5,7,14,15\}$，存储它们的**基本结构**的序号为 $12,14,15,21$。我们可以发现，序号为 $10$ 的 $summary$ 结构存储了序号为 $11,12$ 的基本结构的信息，其中 $A[1]=1$ 表示序号为 $12$ 的基础结构中有元素存在；序号为 $9$ 的基本结构存储了序号为 $5,6$ 的簇结构的信息(因为序号为 $9$ 的结构是属于一个 $summary$ 里的)，其中 $A[0]=0$ 表示序号为 $5$ 的簇结构内没有任何元素存在；同理，序号为 $7$ 的 $summary$ 结构又存储了序为 $8,9$ 的基本结构的信息。 这里我还要补充一下上面 $index(x,y)$ 的定义，对于一个元素 $a$，它在**包含它的不同结构**里的编号**不一定相同**，如：元素 $7$ 在序号为 $15$ 的 $proto\_vEB(2)$ 结构中的编号为 $1$，但它在序号为 $4$ 的 $proto\_vEB(4)$ 结构中的编号为 $3$。$index$ 不仅仅是指一个元素的编号，也可以指一个结构在 $summary$ 的编号，如：序号为 $5$ 的 $proto\_vEB(4)$ 结构在序号为 $9$ 的 $proto\_vEB(2)$ 结构（它属于 $summary$）中的编号为 $0$，在序号为 $7$ 的 $proto\_vEB(2)$ 结构中的编号为 $2$。 讲到这里可能会有点乱，建议反复看几次加强理解。 ### $3.3$ proto_vEB 操作实现 在讲操作之前，我要给出两个递归式，并根据《算法导论》给出解法，这两个递归式是后续操作计算**时间复杂度**时的两种情况： ##### 递归式一： $$T(u)=T(\sqrt u)+O(1)$$ 考虑**变量替换**法，令 $m=\log u$，则 $u=2^m$，有 $$T(2^m)=T(2^{\frac{m}{2}})+O(1)$$ **重命名** $S(m)=T(2^m)$，则新的递归式为 $$S(m)=S(\frac{m}{2})+O(1)$$ 根据 **master 定理**解得 $S(m)=O(\log m)$，则 $$T(u)=T(2^m)=S(m)=O(\log m)=O(\log\log u)$$ ##### 递归式二： $$T(u)=2T(\sqrt u)+O(1)$$ 同样考虑**变量替换法**，令 $m=\log u$，则有 $$T(2^m)=2T(2^{\frac{m}{2}})+O(1)$$ **重命名** $S(m)=T(2^m)$，得 $$S(m)=2S(\frac{m}{2})+O(1)$$ 根据 **master 定理**解得 $S(m)=O(m)$，则 $$T(u)=T(2^m)=S(m)=O(m)=O(\log u)$$ 好啦，我们可以开始操作讲解啦！ #### $3.3.1$ 判断某个值是否在集合中 ```cpp bool PROTO_vEB_MEMBER(int p,int x){ if(tre[p].u==2)return tre[p].A[x]; return PROTO_vEB_MEMBER(tre[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)) } ``` 这个很简单，如果是基本结构直接返回 $A$ 数组内对应的值，否则递归查询更小的结构。由于只产生了一次递归调用，这个过程我们可以写成递归式一，时间复杂度为 $O(\log\log u)$。 #### $3.3.2$ 插入某个元素 ```cpp void PROTO_vEB_INSERT(int p,int x){ if(tre[p].u==2)tre[p].A[x]=1; else { PROTO_vEB_INSERT(tre[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); PROTO_vEB_INSERT(tre[p].summary,high(p,x)); } } ``` 这个也很简单，如果是基本结构直接置 $A$ 数组对应的值为 $1$，否则递归插入。注意，我们不仅要把该值插入到簇里面，还要把相应的簇插入到 $summary$ 里面以表示簇内有元素。此过程调用了两次递归，可以写成递归式二，时间复杂度 $O(\log u)$。 #### $3.3.3$ 删除某个元素 这个相比于插入要复杂的多，我们需要判断簇中还有没有元素，可以添加属性 $num$ 表示该簇内拥有的元素个数（这个操作《算法导论》里居然没给伪代码，~~可恶不能当懒人了~~）。相应地，我们的插入也要修改一下。 ```cpp int PROTO_vEB_INSERT(int p,int x){//不保证x一定在集合内 if(tre[p].u==2){ if(!tre[p].A[x]){ ++tre[p].num; tre[p].A[x]=true; return 1; } return 0; } int tmp1=PROTO_vEB_INSERT(tre[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)),tmp2=PROTO_vEB_INSERT(tre[p].summary,high(p,x)); tre[tre[p].cluster[high(p,x)]].num+=tmp1; tre[tre[p].summary].num+=tmp2; return tmp1+tmp2; } int PROTO_vEB_DELETE(int p,int x){//保证x一定在集合内 if(tre[p].u==2){ --tre[p].num;tre[p].A[x]=0; return 1; } int tmp1=PROTO_vEB_DELETE(tre[p].cluster[high(p,x)],low(x)),tmp2=0; tre[p].num-=tmp1; if(!tre[p].num){ tmp2=PROTO_vEB_DELETE(tre[p].summary,high(p,x)); tre[tre[p].summary].num-=tmp2; } return tmp1+tmp2; } ``` 我们发现，两个函数的返回值都是`int`，它们分别表示什么意思呢？ 插入中的返回值表示的是**新插入**的元素的**个数**，同样，删除中的返回值表示的就是**删除**的元素的**个数**。 插入的部分很容易懂我就不讲了，看看删除。如果是基本结构，删除了数之后直接返回 $1$，否则，先从簇里删除这个数，如果删掉该数后簇为空，我们再从 $summary$ 里面删掉这个簇。最后返回删掉的元素的个数。 考虑最坏情况，删除的过程要调用两次函数，可以用递归式二表示，时间复杂度 $O(\log u)$。 #### $3.3.4$ 查询最小值 这里的查询最小值表示的是查询某个结构中的最小值。 ```cpp int PROTO_vEB_MINIMUM(int p){ if(tre[p].u==2){ if(tre[p].A[0])return 0; if(tre[p].A[1])return 1; return NIL; } int min_cluster=PROTO_vEB_MINIMUM(tre[p].summary); if(min_cluster==NIL)return NIL; int offset=PROTO_vEB_MINIMUM(tre[p].cluster[min_cluster]); return index(min_cluster,offset); } ``` 如果是基本结构就返回里面最小的，如果这个基础结构不包含任何元素则返回 $NIL$。否则，先从 $summary$ 查询最小的簇，再从这个簇里面查询。如果没有最小的簇，也就是 $summary$ 中不包含任何元素，则返回 $NIL$，否则返回最小值的编号。 这个操作需要调用两次递归，为递归式二，时间复杂度 $O(\log u)$。 由于查询最大值操作是对称的，这里就不赘述。 #### $3.3.5$ 查询后继 ```cpp int PROTO_vEB_SUCCESSOR(int p,int x){ if(tre[p].u==2){ if(x==0&&tre[p].A[1])return 1; return NIL; } int offset=PROTO_vEB_SUCCESSOR(tre[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); if(offset!=NIL)return index(p,high(p,x),offset); int succ_cluster=PROTO_vEB_SUCCESSOR(tre[p].summary,high(p,x)); if(succ_cluster==NIL)return NIL; offset=PROTO_vEB_MINIMUM(tre[p].cluster[succ_cluster])return index(p,succ_cluster,offset); } ``` 如果是基本结构，判断查询的值是不是前一个元素且后一个元素存在，否则返回 $NIL$。不是基本结构的话，首先先看查询元素所在的簇中存不存在后继，不存在的话就在 $summary$ 里面查询这个簇的后继簇，最后返回簇中最小值。 这里的时间复杂度比较特殊，我们需要调用两次查询后继的函数和一次最小值函数，可以列出这样的递归式： $$T(u)=2T(\sqrt u)+O(\log\sqrt u)=2T(\sqrt u)+O(\log u)$$ 还是变量替换法，令 $m=\log u$，则有 $$T(2^m)=2T(2^{\frac{m}{2}})+O(m)$$ 重命名 $S(m)=T(2^m)$，得 $$S(m)=2S(\frac{m}{2})+O(m)$$ 根据 master 定理解得 $S(m)=O(m\log m)$，则 $$T(u)=T(2^m)=S(m)=O(m\log m)=O(\log u\log\log u)$$ 查询前驱操作也是对称的，这里也不赘述。 至此，原型 vEB 树的部分已经讲完。虽然原型 vEB 树的效率已经很好，但是还没全部达到预期的 $O(\log\log u)$。接下来，我们将会看到真正的 vEB 树是如何将这些操作优化至 $O(\log\log u)$的。 ## $4.$ 真正的 vEB 还记得第 $3$ 节中的假设吗？$u=2^{2^k}$，这个假设局限性太大了。在真正的 vEB 里，我们允许 $u=\{2^k:k\in\mathbb{N}_+\}$，但这样，$\sqrt u$ 就不一定是整数了。 这里我们记 $2^{\lceil\frac{\log u}{2}\rceil}=^\uparrow\!\!\!\!\!\sqrt u$，$2^{\lfloor\frac{\log u}{2}\rfloor}=^\downarrow\!\!\!\!\!\sqrt u$（~~这 LaTex 有够难打的~~），即 $u$ 的上、下平方数（有 $u=^\uparrow\!\!\!\!\!\sqrt u\times^\downarrow\!\!\!\!\!\sqrt u$）。那么，我们之前定义的函数也要有所修改： - $high(x)=\lfloor{x/\ ^\downarrow\!\!\!\!\sqrt{u}}\rfloor$ - $low(x)=x\bmod\ ^\downarrow\!\!\!\!\sqrt{u}$ - $index(x,y)=x\ \ ^\downarrow\!\!\!\!\sqrt{u}+y$ ### $4.1$ 结构 vEB 的结构是以 proto_vEB 为基础修改而来，我们称一个大小为 $u$ 的 vEB 结构为 $vEB(u)$。由于 $u$ 发生了变化，在非基础结构中，$summary$ 指向一个 $vEB(\ ^\uparrow\!\!\!\!\sqrt u)$ 结构，$cluster$ 数组则包含了 $\ ^\uparrow\!\!\!\!\sqrt u$ 个簇，每个簇都分别指向一个 $vEB(\ ^\downarrow\!\!\!\!\sqrt{u})$ 结构。 除此之外，我们还新增了两个属性: - $min:$ 表示该结构内的最小元素。 - $max:$ 表示该结构内的最大元素。 如图就是一个 vEB 结构：  结构体和定义： ```cpp map<int,int>lg; struct vEB{ int u,summary; vector<int>cluster; int min,max; }vEB[MAXN]; void init(){ for(int i=0;i<32;++i)lg[1<<i]=i;//预处理log } inline int high(int p,int x){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x/u; } inline int low(int p,int x){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x%u; } inline int index(int p,int x,int y){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x*u+y; } ``` 特别地，我们有一些性质： - $min$ 中存储的元素一定**不会**在该结构的**所有簇**中出现（$max$ 不一定）。 - 如果是基础结构，那么我们不再需要用 $A$ 数组，可以直接使用 $min$ 和 $max$ 表示（如果只有一个元素，则 $min$ 和 $max$ 都为它，如果没有元素的话，$min$ 和 $max$ 都为 $NIL$）。 - 通过 $min$ 和 $max$,我们可以在常数时间内知道一个结构是否为空，或者仅含一个或两个以上的元素，可以缩短插入、删除、前驱、后继的递归调用链。 以下就是一棵标准的 vEB，其表示的集合跟之前 proto_vEB 的图一样，上述的性质均可在里面体现。  ### $4.2$ 操作 下面我还是要给出一个递归式，根据《算法导论》给出解法，对于 vEB 的所有递归过程的操作的时间复杂度，我们都可以用下面的式子表示。 $$T(u)\leq T(\ ^\uparrow\!\!\!\!\sqrt u)+O(1)$$ 令 $m=\log u$，则有 $$T(2^m)\leq T(2^{\lceil\frac{m}{2}\rceil})+O(1)$$ 注意到，对于所有的 $m\geq2$，都有 $\lceil\frac{m}{2}\rceil\leq \frac{2m}{3}$，可以得到 $$T(2^m)\leq T(2^{\frac{2m}{3}})+O(1)$$ 重命名 $S(m)=T(2^m)$，则重写为 $$S(m)\leq S(\frac{2m}{3})+O(1)$$ 根据 master 定理，有解 $S(m)=O(\log m)$，所以我们有 $T(u)=T(2^m)=S(m)=O(\log m)=O(\log\log u)$ #### $4.2.1$ 判断某元素是否在集合中 ```cpp bool Tree_Member(int p,int x){ if(x==vEB[p].min||x==vEB[p].max)return true; if(vEB[p].u==2)return false; return Tree_Member(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); } ``` 第一句话就是缩短运行时间的，如果 $x$ 是最大或最小值，直接返回。如果既不是最大值也不是最小值，且该结构还是基本结构的话，$x$ 一定不存在（因为基本结构就这两种元素），否则还是递归。时间复杂度 $O(\log\log u)$。 #### $4.2.2$ 查询最大/小值 ```cpp inline int Tree_Minimum(int p){ return vEB[p].min; } inline int Tree_Maximum(int p){ return vEB[p].max; } ``` 这个不用说了吧，$O(1)$ 解决。 #### $4.2.3$ 查询后继 ```cpp int Tree_Successor(int p,int x){ if(vEB[p].u==2){ if(x==0&&vEB[p].max==1)return 1; return NIL; } if(vEB[p].min!=NIL&&x<vEB[p].min)return vEB[p].min; int offset,max_low=Tree_Maximum(vEB[p].cluster[high(p,x)]); if(max_low!=NIL&&low(p,x)<max_low){ offset=Tree_Successor(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); return index(p,high(p,x),offset); } int succ_cluster=Tree_Successor(vEB[p].summary,high(p,x)); if(succ_cluster==NIL)return NIL; offset=Tree_Minimum(vEB[p].cluster[succ_cluster]); return index(p,succ_cluster,offset); } ``` 判断基础结构的语句和原型一样。注意到，如果 $x$ **严格小于**结构内的最小值，则直接返回，这确实省了不少时间。如果这些情况都不满足，我们先判断 $x$ 所在簇内是否有后继，可以查询簇内最大值 $O(1)$ 确定，有的话直接确定位置然后返回，没有的话再继续查询 $summary$ 内 $x$ 所在簇是否有后继，有则返回该后继的最小值。 整个过程最多只会调用一次递归，原先查询簇内是否有后继和查询后继簇的最小值的 $O(\log u)$ 步骤都用 $O(1)$ 的最大/小值函数代替了，时间复杂度 $O(\log\log u)$。 #### $4.2.4$ 查询前驱 为什么前驱不和后继一起讲呢？因为前驱函数大体和后继函数是对称的，但是多加了一个判断： ```cpp int Tree_Predecessor(int p,int x){ if(vEB[p].u==2){ if(x==1&&vEB[p].min==0)return 0; return NIL; } if(vEB[p].max!=NIL&&x>vEB[p].max)return vEB[p].max; int offset,min_low=Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)]); if(min_low!=NIL&&low(p,x)>min_low){ offset=Tree_Predecessor(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); return index(p,high(p,x),offset); } int pred_cluster=Tree_Predecessor(vEB[p].summary,high(p,x)); if(pred_cluster==NIL){ if(vEB[p].min!=NIL&&x>vEB[p].min)return vEB[p].min; return NIL; } offset=Tree_Maximum(vEB[p].cluster[pred_cluster]); return index(p,pred_cluster,offset); } ``` 这一句判断出现在第 $13$ 行： `if(vEB[p].min!=NIL&&x>vEB[p].min)return vEB[p].min;` 还记得之前说到的性质吗，$min$ 中存在的元素不会出现在该结构的任何一个簇里，这里 $pred\_cluster$ 的值为 $NIL$，说明找不到前驱，但是还有一种可能，就是前驱就是 $min$，这里就判断了这种情况。时间复杂度还是 $O(\log\log u)$。 #### $4.2.5$ 插入一个元素 在原型 vEB 里，插入需要两次递归：往簇里插入元素，将簇插入到 $summary$ 中。我们来思考一下，怎么样才能只用一次递归呢？ 答案很简单，当该簇中有元素时，说明该簇已经存在于 $summary$ 中，不需要再递归；当该簇为空时，我们直接把元素 $O(1)$ 塞给 $min$ 和 $max$ 就行，然后递归将这个簇插入到 $summary$ 里面。这样就做到了只用一次递归。 ```cpp inline void Empty_Tree_Insert(int p,int x){ vEB[p].max=vEB[p].min=x; } void Tree_Insert(int p,int x){ if(vEB[p].min==NIL){ Empty_Tree_Insert(p,x); return; } if(x<vEB[p].min)swap(x,vEB[p].min); if(vEB[p].u>2){ if(Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)])==NIL){ Tree_Insert(vEB[p].summary,high(p,x)); Empty_Tree_Insert(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); }else Tree_Insert(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); } if(x>vEB[p].max)vEB[p].max=x; return; } ``` 如果 $min$ 值为 $NIL$，则显然这个簇是没有任何元素的，直接 $O(1)$。同时我们要满足**性质**，如果插入的值比当前最小值还小，那么就**交换**一下就行了，因为 $min$ 不会出现在后面任何簇里，我们就改为插入之前的 $min$ 就行。接着就按照上面刚刚讲的来执行就行。最后还要判断一下有没有插入最大值。全程最多调用一次递归， $O(\log\log u)$。 #### $4.2.6$ 删除一个元素 所有操作里面最难理解的来了哦。 ```cpp void Tree_Delete(int p,int x){//保证x存在于集合中 if(vEB[p].min==vEB[p].max){ vEB[p].min=vEB[p].max=NIL; return; } if(vEB[p].u==2){ vEB[p].max=vEB[p].min=!x; return; } if(x==vEB[p].min){ int first_cluster=Tree_Minimum(vEB[p].summary); x=index(p,first_cluster,Tree_Minimum(vEB[p].cluster[first_cluster])); vEB[p].min=x; } Tree_Delete(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); if(Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)])==NIL){ Tree_Delete(vEB[p].summary,high(p,x)); if(x==vEB[p].max){ int summary_max=Tree_Maximum(vEB[p].summary); if(summary_max==NIL)vEB[p].max=vEB[p].min;//如果summary里面为空，那么剩下的就只有min了（就算min的值为NIL也直接赋值给max） else vEB[p].max=index(p,summary_max,Tree_Maximum(vEB[p].cluster[summary_max]));//否则重新设置max } }else if(x==vEB[p].max)vEB[p].max=index(p,high(p,x),Tree_Maximum(vEB[p].cluster[high(p,x)])); return; } ``` 首先确定结构内元素的个数，如果**只有一个**，像第一句判断一样，直接就删除了，否则结构内**至少有两个**元素。如果是基础结构(两个元素)，那么置 $min$ 和 $max$ 为另外一个就行。接下来就是非基础结构的情况了。 首先考虑如果删除的是 $min$，根据**性质**，我们只需要直接找到第二小的元素给他替换上就行。 然后我们递归删除簇内的这个元素，如果删掉后簇为**空**了，那么就从 $summary$ 里面删掉这个簇。再来考虑删掉的是**最大值**的情况，我们只要找到**第二大**的替换上去就行。为什么调用最大值函数一定就是第二大呢？因为 $x$ 既是簇里的最大值，又是簇里的唯一一个元素，删掉了它，又删掉了簇，剩下的不就是第二大了嘛，其余部分看注释。 如果删掉 $x$ 后簇没空，再考虑删去的是**最大值**的情况，因为前面已经调用了删去 $x$ 的函数，那么剩下的肯定是**第二大**，直接替换上去就行。 乍一看，删除函数里面最多会调用**两次递归**，但是注意调用的条件：我们调用第二次递归的前提是 $x$ 是簇里**唯一**的元素，既然是唯一的，那么删除它的时候会在第一个判断的时候 $O(1)$ 判断掉。所以只会有两种可能： - 第一次调用只用 $O(1)$。 - 第二次调用不会发生。 所以删除操作的时间复杂度还是 $O(\log\log u)$ 的。 终于讲完啦！ ## $5.$ 例题 [普通van Emde Boas树](https://darkbzoj.tk/problem/3685) $O(\log\log u)$ 的时间复杂度处理 $10^6$ 的数据还是游刃有余的，但唯一的缺点就是建树的时间是 $O(u)$ 的，如果操作过少，值域过大，效率可能比其它树数据结构还低。 ### $Code:$ ```cpp #include<bits/stdc++.h> using namespace std; const int MAXN=2e6,NIL=-1; int cnt; map<int,int>lg; struct vEB{ int u,summary; vector<int>cluster; int min,max; }vEB[MAXN]; inline void Tree_Build(int p,int size){//u=2^size vEB[p].summary=vEB[p].min=vEB[p].max=NIL; if(size<=1){ vEB[p].u=2;return; } vEB[p].u=1<<size; int cluster_size=(size>>1)+(size&1);//即ceil(log(u)/2) vEB[p].summary=++cnt; Tree_Build(vEB[p].summary,cluster_size); vEB[p].cluster.resize(1<<cluster_size); //节省空间用的 for(int i=0;i<1<<cluster_size;++i){ vEB[p].cluster[i]=++cnt; Tree_Build(vEB[p].cluster[i],size>>1); } return; } void init(){ for(int i=0;i<32;++i)lg[1<<i]=i; } inline int high(int p,int x){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x/u; } inline int low(int p,int x){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x%u; } inline int index(int p,int x,int y){ int u=1<<(lg[vEB[p].u]>>1); return x*u+y; } inline int Tree_Minimum(int p){ return vEB[p].min; } inline int Tree_Maximum(int p){ return vEB[p].max; } bool Tree_Member(int p,int x){ if(x==vEB[p].min||x==vEB[p].max)return true; if(vEB[p].u==2)return false; return Tree_Member(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); } int Tree_Successor(int p,int x){ if(vEB[p].u==2){ if(x==0&&vEB[p].max==1)return 1; return NIL; } if(vEB[p].min!=NIL&&x<vEB[p].min)return vEB[p].min; int offset,max_low=Tree_Maximum(vEB[p].cluster[high(p,x)]); if(max_low!=NIL&&low(p,x)<max_low){ offset=Tree_Successor(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); return index(p,high(p,x),offset); } int succ_cluster=Tree_Successor(vEB[p].summary,high(p,x)); if(succ_cluster==NIL)return NIL; offset=Tree_Minimum(vEB[p].cluster[succ_cluster]); return index(p,succ_cluster,offset); } int Tree_Predecessor(int p,int x){ if(vEB[p].u==2){ if(x==1&&vEB[p].min==0)return 0; return NIL; } if(vEB[p].max!=NIL&&x>vEB[p].max)return vEB[p].max; int offset,min_low=Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)]); if(min_low!=NIL&&low(p,x)>min_low){ offset=Tree_Predecessor(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); return index(p,high(p,x),offset); } int pred_cluster=Tree_Predecessor(vEB[p].summary,high(p,x)); if(pred_cluster==NIL){ if(vEB[p].min!=NIL&&x>vEB[p].min)return vEB[p].min; return NIL; } offset=Tree_Maximum(vEB[p].cluster[pred_cluster]); return index(p,pred_cluster,offset); } inline void Empty_Tree_Insert(int p,int x){ vEB[p].max=vEB[p].min=x; } void Tree_Insert(int p,int x){ if(vEB[p].min==NIL){ Empty_Tree_Insert(p,x); return; } if(x<vEB[p].min)swap(x,vEB[p].min); if(vEB[p].u>2){ if(Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)])==NIL){ Tree_Insert(vEB[p].summary,high(p,x)); Empty_Tree_Insert(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); }else Tree_Insert(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); } if(x>vEB[p].max)vEB[p].max=x; return; } void Tree_Delete(int p,int x){ if(vEB[p].min==vEB[p].max){ vEB[p].min=vEB[p].max=NIL; return; } if(vEB[p].u==2){ vEB[p].max=vEB[p].min=!x; return; } if(x==vEB[p].min){ int first_cluster=Tree_Minimum(vEB[p].summary); x=index(p,first_cluster,Tree_Minimum(vEB[p].cluster[first_cluster])); vEB[p].min=x; } Tree_Delete(vEB[p].cluster[high(p,x)],low(p,x)); if(Tree_Minimum(vEB[p].cluster[high(p,x)])==NIL){ Tree_Delete(vEB[p].summary,high(p,x)); if(x==vEB[p].max){ int summary_max=Tree_Maximum(vEB[p].summary); if(summary_max==NIL)vEB[p].max=vEB[p].min; else vEB[p].max=index(p,summary_max,Tree_Maximum(vEB[p].cluster[summary_max])); } }else if(x==vEB[p].max)vEB[p].max=index(p,high(p,x),Tree_Maximum(vEB[p].cluster[high(p,x)])); return; } int n,m,rt; int main(){ init(); // freopen("std.in","r",stdin); // freopen("my.out","w",stdout); scanf("%d%d",&n,&m); int u=0;for(--n;n;n>>=1,++u); Tree_Build(rt,u); while(m--){ int op,x;scanf("%d",&op); if(op==1){ scanf("%d",&x); if(!Tree_Member(rt,x))Tree_Insert(rt,x); }else if(op==2){ scanf("%d",&x); if(Tree_Member(rt,x))Tree_Delete(rt,x); }else if(op==3){ printf("%d\n",Tree_Minimum(rt)); }else if(op==4){ printf("%d\n",Tree_Maximum(rt)); }else if(op==5){ scanf("%d",&x); printf("%d\n",Tree_Predecessor(rt,x)); }else if(op==6){ scanf("%d",&x); printf("%d\n",Tree_Successor(rt,x)); }else if(op==7){ scanf("%d",&x); printf("%d\n",Tree_Member(rt,x)?1:-1); } } return 0; } ``` ## 后记 终于写完啦！！1，现在是 2021 年 6 月 27 日 23 时 39 分。 写这篇文章的原因不只是因为从《算法导论》里看到的，还有一个原因是之前在日报里看到过：[Ynoi的学习笔记](https://www.luogu.com.cn/blog/Ynoi/vanemdeboas-shu-xue-xi-bi-ji)，只是很简单的讲了一下，但也激发了我很大的兴趣。vEB 树虽然实用性不强，但是能够很好的激发思维，这才是我写完这篇文章的动力。 谢谢观看。