大家好!今天我们来深入学习《算法导论》第 14 章 —— 数据结构的扩张。这一章主要介绍了如何基于现有数据结构(如二叉搜索树)扩展出新的功能,以满足更复杂的问题需求。我们会从动态顺序统计树讲到区间树,每个知识点都会配上完整可运行的 C++ 代码,方便大家动手实践。
思维导图
14.1 动态顺序统计
在很多场景中,我们不仅需要像普通 BST 那样查找元素,还需要知道元素在集合中的排名(秩),或者查找集合中第 i 小的元素。动态顺序统计树就是为了解决这类问题而设计的。
基本概念
- 秩(Rank):一个元素的秩是指该元素在集合的线性序中所处的位置(从 1 开始计数)
- 第 i 个顺序统计量:集合中第 i 小的元素
数据结构设计
动态顺序统计树在普通 BST 的基础上,为每个节点增加了一个size
属性,表示以该节点为根的子树中包含的节点总数(包括自身)。
// 动态顺序统计树节点结构
struct Node {int key; // 节点关键字int size; // 以该节点为根的子树大小Node *left; // 左孩子Node *right; // 右孩子Node *parent; // 父节点// 构造函数Node(int k) : key(k), size(1), left(nullptr), right(nullptr), parent(nullptr) {}
};
核心操作实现
更新节点大小
当树的结构发生变化(插入或删除节点)时,需要更新相关节点的size
属性:
// 更新节点的size(等于左子树size + 右子树size + 1)
void updateSize(Node *node) {if (node != nullptr) {node->size = 1; // 自身if (node->left != nullptr) {node->size += node->left->size;}if (node->right != nullptr) {node->size += node->right->size;}}
}
查找第 i 个元素
// 查找以node为根的子树中第i个最小元素(1-based)
Node* select(Node *node, int i) {if (node == nullptr) return nullptr; // 空树或i超出范围// 左子树的节点数int leftSize = (node->left != nullptr) ? node->left->size : 0;if (i == leftSize + 1) {// 当前节点就是第i个元素return node;} else if (i <= leftSize) {// 第i个元素在左子树中return select(node->left, i);} else {// 第i个元素在右子树中,注意要调整i的值return select(node->right, i - (leftSize + 1));}
}
计算元素的秩
// 计算x在以root为根的树中的秩
int rank(Node *root, Node *x) {// x的左子树大小 + 1(自身)int r = (x->left != nullptr) ? x->left->size + 1 : 1;Node *y = x;// 向上追溯到根节点while (y != root) {if (y == y->parent->right) {// 如果y是其父节点的右孩子,则需要加上父节点左子树大小 + 1(父节点自身)r += (y->parent->left != nullptr) ? y->parent->left->size + 1 : 1;}y = y->parent;}return r;
}
插入操作
插入操作在普通 BST 插入的基础上,需要从新插入的节点向上更新所有祖先的size
属性:
// 向以root为根的树中插入关键字key,返回新的根节点
Node* insert(Node *root, int key) {// 普通BST插入逻辑Node *parent = nullptr;Node **current = &root;while (*current != nullptr) {parent = *current;(*current)->size++; // 沿途节点size加1if (key < (*current)->key) {current = &((*current)->left);} else {current = &((*current)->right);}}*current = new Node(key);(*current)->parent = parent;return root; // 返回新的根节点
}
删除操作
删除操作相对复杂,需要先找到要删除的节点,执行删除(考虑三种情况:叶子节点、只有一个孩子、有两个孩子),然后更新相关节点的size
属性:
// 查找关键字为key的节点
Node* find(Node *root, int key) {Node *current = root;while (current != nullptr && current->key != key) {if (key < current->key) {current = current->left;} else {current = current->right;}}return current;
}// 找到以node为根的树中的最小值节点
Node* minimum(Node *node) {while (node->left != nullptr) {node = node->left;}return node;
}// 替换子树
void transplant(Node *&root, Node *u, Node *v) {if (u->parent == nullptr) {root = v; // u是根节点} else if (u == u->parent->left) {u->parent->left = v; // u是左孩子} else {u->parent->right = v; // u是右孩子}if (v != nullptr) {v->parent = u->parent; // 更新v的父节点}
}// 从树中删除节点z,返回新的根节点
Node* deleteNode(Node *root, Node *z) {if (z == nullptr) return root; // 节点不存在Node *y = nullptr;Node *x = nullptr;// 确定要删除的实际节点yif (z->left == nullptr || z->right == nullptr) {y = z;} else {y = minimum(z->right); // 找到后继节点}// 确定y的孩子xif (y->left != nullptr) {x = y->left;} else {x = y->right;}// 更新x的父节点if (x != nullptr) {x->parent = y->parent;}// 替换ytransplant(root, y, x);// 如果y不是z,则将y的内容复制到zif (y != z) {z->key = y->key;}// 更新受影响节点的sizeNode *p = y->parent;while (p != nullptr) {updateSize(p);p = p->parent;}delete y; // 释放内存return root;
}
综合案例:动态顺序统计树的应用
下面是一个完整的示例,展示了动态顺序统计树的各种操作:
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;// 节点结构定义
struct Node {int key;int size;Node *left;Node *right;Node *parent;Node(int k) : key(k), size(1), left(nullptr), right(nullptr), parent(nullptr) {}
};// 辅助函数声明
void updateSize(Node *node);
Node* select(Node *node, int i);
int getRank(Node *root, Node *x); // 重命名rank为getRank
Node* insert(Node *root, int key);
Node* find(Node *root, int key);
Node* minimum(Node *node);
void transplant(Node *&root, Node *u, Node *v);
Node* deleteNode(Node *root, Node *z);// 辅助函数实现
void updateSize(Node *node) {if (node != nullptr) {node->size = 1;if (node->left != nullptr) node->size += node->left->size;if (node->right != nullptr) node->size += node->right->size;}
}Node* select(Node *node, int i) {if (node == nullptr) return nullptr;int leftSize = (node->left != nullptr) ? node->left->size : 0;if (i == leftSize + 1) return node;else if (i <= leftSize) return select(node->left, i);else return select(node->right, i - (leftSize + 1));
}// 重命名rank为getRank,避免与标准库冲突
int getRank(Node *root, Node *x) {int r = (x->left != nullptr) ? x->left->size + 1 : 1;Node *y = x;while (y != root) {if (y == y->parent->right) {r += (y->parent->left != nullptr) ? y->parent->left->size + 1 : 1;}y = y->parent;}return r;
}Node* insert(Node *root, int key) {Node *parent = nullptr;Node **current = &root;while (*current != nullptr) {parent = *current;(*current)->size++;if (key < (*current)->key) current = &((*current)->left);else current = &((*current)->right);}*current = new Node(key);(*current)->parent = parent;return root;
}Node* find(Node *root, int key) {Node *current = root;while (current != nullptr && current->key != key) {if (key < current->key) current = current->left;else current = current->right;}return current;
}Node* minimum(Node *node) {while (node->left != nullptr) node = node->left;return node;
}void transplant(Node *&root, Node *u, Node *v) {if (u->parent == nullptr) root = v;else if (u == u->parent->left) u->parent->left = v;else u->parent->right = v;if (v != nullptr) v->parent = u->parent;
}Node* deleteNode(Node *root, Node *z) {if (z == nullptr) return root;Node *y = nullptr, *x = nullptr;if (z->left == nullptr || z->right == nullptr) y = z;else y = minimum(z->right);if (y->left != nullptr) x = y->left;else x = y->right;if (x != nullptr) x->parent = y->parent;transplant(root, y, x);if (y != z) z->key = y->key;Node *p = y->parent;while (p != nullptr) {updateSize(p);p = p->parent;}delete y;return root;
}// 中序遍历打印树(用于调试)
void inorder(Node *node) {if (node != nullptr) {inorder(node->left);cout << node->key << "(" << node->size << ") ";inorder(node->right);}
}int main() {Node *root = nullptr;// 插入一些元素int keys[] = {15, 6, 18, 3, 7, 17, 20, 2, 4, 13, 9};for (int key : keys) {root = insert(root, key);}cout << "树的中序遍历(带size): ";inorder(root);cout << endl << endl;// 测试select操作for (int i = 1; i <= 11; i++) {Node *node = select(root, i);if (node != nullptr) {cout << "第" << i << "小的元素是: " << node->key << endl;}}cout << endl;// 测试rank操作,使用重命名后的getRankint testKeys[] = {15, 7, 20, 2};for (int key : testKeys) {Node *node = find(root, key);if (node != nullptr) {cout << "元素" << key << "的秩是: " << getRank(root, node) << endl;}}cout << endl;// 测试删除操作int delKey = 6;Node *delNode = find(root, delKey);if (delNode != nullptr) {cout << "删除元素" << delKey << "后,树的中序遍历: ";root = deleteNode(root, delNode);inorder(root);cout << endl << endl;// 再次测试select和rank操作cout << "删除后,第3小的元素是: " << select(root, 3)->key << endl;cout << "删除后,元素7的秩是: " << getRank(root, find(root, 7)) << endl;}return 0;
}
运行结果:
14.2 如何扩张数据结构
扩张数据结构是指在现有数据结构的基础上添加新的信息和操作,以解决特定问题。以下是扩张数据结构的一般步骤:
选择基础数据结构:通常选择能高效支持基本操作的数据结构(如 BST、红黑树等)
确定要添加的信息:根据问题需求,确定需要在原有结构上添加哪些额外信息
验证新信息可以被维护:确保在基础数据结构的所有操作(插入、删除等)执行后,新添加的信息仍能被正确维护
实现新的操作:基于添加的信息,实现解决问题所需的新操作
设计原则
- 局部性:新信息应能通过节点本身及其子节点的信息计算得出
- 高效性:维护新信息的额外时间不应显著增加原有操作的时间复杂度
- 必要性:只添加解决问题所必需的信息,避免冗余
动态顺序统计树就是一个典型的扩张例子:
- 基础数据结构:二叉搜索树(BST)
- 添加的信息:每个节点的
size
属性 - 维护方式:插入 / 删除时更新路径上所有节点的
size
- 新操作:
select
和rank
14.3 区间树
区间树是一种支持区间查询的数据结构,它能高效地找出与给定区间重叠的所有区间。
区间表示与问题定义
- 区间通常表示为
[low, high]
,其中low
是区间的起点,high
是区间的终点 - 两个区间
[a,b]
和[c,d]
重叠当且仅当a ≤ d
且c ≤ b
- 区间树的主要操作:插入区间、删除区间、查询所有与给定区间重叠的区间
数据结构设计
区间树基于 BST 扩展而来,每个节点存储:
- 一个区间
[low, high]
- 以区间的
low
为关键字构建 BST - 额外添加
max
属性,表示以该节点为根的子树中所有区间的high
的最大值
// 区间结构
struct Interval {int low; // 区间起点int high; // 区间终点Interval(int l, int h) : low(l), high(h) {}
};// 区间树节点结构
struct IntervalNode {Interval *interval; // 区间int max; // 子树中最大的high值IntervalNode *left; // 左孩子IntervalNode *right; // 右孩子IntervalNode *parent;// 父节点// 构造函数IntervalNode(int low, int high) : interval(new Interval(low, high)), max(high), left(nullptr), right(nullptr), parent(nullptr) {}
};
区间树的类图:
@startuml
class Interval {- int low- int high+ Interval(int l, int h)
}class IntervalNode {- Interval* interval- int max- IntervalNode* left- IntervalNode* right- IntervalNode* parent+ IntervalNode(int low, int high)
}IntervalNode "1" *-- "1" Interval : contains
IntervalNode "1" --* "0..1" IntervalNode : left child
IntervalNode "1" --* "0..1" IntervalNode : right child
@enduml
核心操作实现
更新 max 值
// 更新节点的max值(自身high和左右子树max中的最大值)
void updateMax(IntervalNode *node) {if (node != nullptr) {node->max = node->interval->high; // 自身区间的highif (node->left != nullptr && node->left->max > node->max) {node->max = node->left->max;}if (node->right != nullptr && node->right->max > node->max) {node->max = node->right->max;}}
}
插入操作
// 向区间树中插入新区间
IntervalNode* insertInterval(IntervalNode *root, int low, int high) {// 普通BST插入(以low为关键字)IntervalNode *parent = nullptr;IntervalNode **current = &root;while (*current != nullptr) {parent = *current;// 更新当前节点的max值if (high > (*current)->max) {(*current)->max = high;}// 继续查找插入位置if (low < (*current)->interval->low) {current = &((*current)->left);} else {current = &((*current)->right);}}// 创建新节点*current = new IntervalNode(low, high);(*current)->parent = parent;return root;
}
区间查询操作
查询所有与给定区间[low, high]
重叠的区间:
// 检查两个区间是否重叠
bool overlap(Interval *a, Interval *b) {return a->low <= b->high && b->low <= a->high;
}// 查询与target重叠的所有区间
void queryOverlapping(IntervalNode *node, Interval *target, vector<Interval*>& result) {if (node == nullptr) return;// 先检查左子树if (node->left != nullptr && node->left->max >= target->low) {queryOverlapping(node->left, target, result);}// 检查当前节点if (overlap(node->interval, target)) {result.push_back(node->interval);}// 再检查右子树if (node->right != nullptr && node->interval->low <= target->high) {queryOverlapping(node->right, target, result);}
}
查询算法的流程图:
删除操作
删除操作需要在删除节点后更新相关节点的max
值:
// 查找最小值节点(最左节点)
IntervalNode* intervalMinimum(IntervalNode *node) {while (node->left != nullptr) {node = node->left;}return node;
}// 区间树的替换操作
void intervalTransplant(IntervalNode *&root, IntervalNode *u, IntervalNode *v) {if (u->parent == nullptr) {root = v;} else if (u == u->parent->left) {u->parent->left = v;} else {u->parent->right = v;}if (v != nullptr) {v->parent = u->parent;}
}// 删除区间节点
IntervalNode* deleteIntervalNode(IntervalNode *root, IntervalNode *z) {if (z == nullptr) return root;IntervalNode *y = nullptr;IntervalNode *x = nullptr;// 确定要删除的节点yif (z->left == nullptr || z->right == nullptr) {y = z;} else {y = intervalMinimum(z->right);}// 确定y的孩子xif (y->left != nullptr) {x = y->left;} else {x = y->right;}// 更新x的父节点if (x != nullptr) {x->parent = y->parent;}// 替换yintervalTransplant(root, y, x);// 如果y不是z,则复制y的内容到zif (y != z) {// 保存z的区间指针以便后续释放Interval *oldInterval = z->interval;// 复制y的内容到zz->interval = y->interval;z->max = y->max;// 释放y的区间(因为已经转移给z了)y->interval = nullptr;delete oldInterval;}// 更新受影响节点的max值IntervalNode *p = y->parent;while (p != nullptr) {updateMax(p);p = p->parent;}// 释放y的内存if (y->interval != nullptr) {delete y->interval;}delete y;return root;
}// 查找包含特定区间的节点
IntervalNode* findIntervalNode(IntervalNode *root, int low, int high) {IntervalNode *current = root;while (current != nullptr) {if (current->interval->low == low && current->interval->high == high) {return current;} else if (low < current->interval->low) {current = current->left;} else {current = current->right;}}return nullptr;
}
综合案例:区间树的应用
下面是一个完整的区间树应用示例:
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 区间结构定义
struct Interval {int low;int high;Interval(int l, int h) : low(l), high(h) {}
};// 区间树节点结构定义
struct IntervalNode {Interval *interval;int max;IntervalNode *left;IntervalNode *right;IntervalNode *parent;IntervalNode(int low, int high) : interval(new Interval(low, high)), max(high), left(nullptr), right(nullptr), parent(nullptr) {}
};// 辅助函数声明
void updateMax(IntervalNode *node);
IntervalNode* insertInterval(IntervalNode *root, int low, int high);
bool overlap(Interval *a, Interval *b);
void queryOverlapping(IntervalNode *node, Interval *target, vector<Interval*>& result);
IntervalNode* intervalMinimum(IntervalNode *node);
void intervalTransplant(IntervalNode *&root, IntervalNode *u, IntervalNode *v);
IntervalNode* deleteIntervalNode(IntervalNode *root, IntervalNode *z);
IntervalNode* findIntervalNode(IntervalNode *root, int low, int high);// 辅助函数实现
void updateMax(IntervalNode *node) {if (node != nullptr) {node->max = node->interval->high;if (node->left != nullptr && node->left->max > node->max) {node->max = node->left->max;}if (node->right != nullptr && node->right->max > node->max) {node->max = node->right->max;}}
}IntervalNode* insertInterval(IntervalNode *root, int low, int high) {IntervalNode *parent = nullptr;IntervalNode **current = &root;while (*current != nullptr) {parent = *current;if (high > (*current)->max) {(*current)->max = high;}if (low < (*current)->interval->low) {current = &((*current)->left);} else {current = &((*current)->right);}}*current = new IntervalNode(low, high);(*current)->parent = parent;return root;
}bool overlap(Interval *a, Interval *b) {return a->low <= b->high && b->low <= a->high;
}void queryOverlapping(IntervalNode *node, Interval *target, vector<Interval*>& result) {if (node == nullptr) return;if (node->left != nullptr && node->left->max >= target->low) {queryOverlapping(node->left, target, result);}if (overlap(node->interval, target)) {result.push_back(node->interval);}if (node->right != nullptr && node->interval->low <= target->high) {queryOverlapping(node->right, target, result);}
}IntervalNode* intervalMinimum(IntervalNode *node) {while (node->left != nullptr) {node = node->left;}return node;
}void intervalTransplant(IntervalNode *&root, IntervalNode *u, IntervalNode *v) {if (u->parent == nullptr) {root = v;} else if (u == u->parent->left) {u->parent->left = v;} else {u->parent->right = v;}if (v != nullptr) {v->parent = u->parent;}
}IntervalNode* deleteIntervalNode(IntervalNode *root, IntervalNode *z) {if (z == nullptr) return root;IntervalNode *y = nullptr;IntervalNode *x = nullptr;if (z->left == nullptr || z->right == nullptr) {y = z;} else {y = intervalMinimum(z->right);}if (y->left != nullptr) {x = y->left;} else {x = y->right;}if (x != nullptr) {x->parent = y->parent;}intervalTransplant(root, y, x);if (y != z) {Interval *oldInterval = z->interval;z->interval = y->interval;z->max = y->max;y->interval = nullptr;delete oldInterval;}IntervalNode *p = y->parent;while (p != nullptr) {updateMax(p);p = p->parent;}if (y->interval != nullptr) {delete y->interval;}delete y;return root;
}IntervalNode* findIntervalNode(IntervalNode *root, int low, int high) {IntervalNode *current = root;while (current != nullptr) {if (current->interval->low == low && current->interval->high == high) {return current;} else if (low < current->interval->low) {current = current->left;} else {current = current->right;}}return nullptr;
}// 打印区间
void printInterval(Interval *interval) {cout << "[" << interval->low << ", " << interval->high << "]";
}int main() {IntervalNode *root = nullptr;// 插入一些区间root = insertInterval(root, 15, 20);root = insertInterval(root, 10, 30);root = insertInterval(root, 17, 19);root = insertInterval(root, 5, 20);root = insertInterval(root, 12, 15);root = insertInterval(root, 30, 40);// 查询与[14, 16]重叠的区间Interval *target = new Interval(14, 16);vector<Interval*> result;queryOverlapping(root, target, result);cout << "与区间[14, 16]重叠的区间有:" << endl;for (Interval *interval : result) {printInterval(interval);cout << " ";}cout << endl << endl;// 删除区间[10, 30]IntervalNode *nodeToDelete = findIntervalNode(root, 10, 30);if (nodeToDelete != nullptr) {root = deleteIntervalNode(root, nodeToDelete);cout << "删除区间[10, 30]后,与[14, 16]重叠的区间有:" << endl;result.clear();queryOverlapping(root, target, result);for (Interval *interval : result) {printInterval(interval);cout << " ";}cout << endl;}// 释放内存delete target;// 完整的内存释放还需要遍历树删除所有节点,这里简化处理return 0;
}
运行结果:
思考题
如何在动态顺序统计树上实现范围查询(即查找所有关键字在 [a, b] 之间的元素),并计算该范围内元素的个数?
试设计一种基于红黑树的区间树,确保所有操作(插入、删除、查询)都能在 O (log n) 时间内完成。
如何扩展区间树,使其能高效支持 “查找包含点 x 的所有区间” 这一操作?
设计一种数据结构,支持在 O (1) 时间内查找最小值,在 O (log n) 时间内插入和删除元素,以及在 O (log n) 时间内查找第 i 小的元素。
本章注记
- 数据结构的扩张是解决复杂问题的重要技术,其核心在于找到合适的基础结构和需要添加的信息
- 红黑树常被用作扩张的基础结构,因为它能在 O (log n) 时间内支持插入、删除等操作
- 除了本章介绍的动态顺序统计树和区间树,还有许多其他重要的扩张数据结构,如:
- 线段树:用于处理区间上的范围查询和更新
- 二叉索引树(Fenwick 树):高效支持前缀和查询和点更新
- 平衡二叉搜索树:如 AVL 树、Splay 树等,在 BST 基础上添加了平衡条件
希望本章内容能帮助大家理解数据结构扩张的思想和方法。通过动手实现这些数据结构,相信大家能更深入地掌握其中的原理和技巧。如果有任何疑问或建议,欢迎在评论区留言讨论!