普通平衡树/文艺平衡树/二逼平衡树

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普通平衡树/文艺平衡树/二逼平衡树

普通平衡树

题目链接：
luogu3369
bzoj3224

解题思路

平衡树模板题，我分别用了 [非旋Treap] 和 [Splay] AC了本题。

一、Splay

每个节点表示一个值，同时记录该点及其子树大小、该点表示的值的出现次数、左右儿子、父节点。

  • 插入：将x前驱旋至根，x后继旋至根的右儿子，那么根的左儿子的右儿子即为要插入的位置，如果此位置上无数，则新建一个节点；否则该位置的出现次数和大小加1。
    • 注意：为了避免找不到x前驱和后继，应事先插入一个值为-INF和值为INF的节点。
  • 删除：将x前驱旋至根，x后继旋至根的右儿子，那么根的左儿子的右儿子即为要删除的节点，如果此节点大小为1，直接删除；否则该位置的出现次数和大小减1。
  • 查x排名：将x旋至根，则x排名为根的左儿子大小+1
  • 查排名为x的数：从根向下查找，如果当前节点的左儿子大小+1=x，则返回当前节点的值；否则，如果当前节点的左儿子大小$\geq$x，则向其右儿子查找；否则，向其左儿子查找。
  • 求x前驱：从根向下查找，如果当前节点的值小于等于x，更新ans并向其右儿子查找；否则，向其左儿子查找。更新时，不断取max即可。
  • 求x后继：从根向下查找，如果当前节点的值大于等于x，更新ans并向其左儿子查找；否则，向其右儿子查找。更新时，不断取min即可。

时间复杂度：每次操作 $O(log_2n)$

Code#1

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

using namespace std;

const int INF = 0x7fffffff;
const int N = 100005;
int n, opt, q;

int cnt = 0, root = 0;

struct Splay_tree{
    int fa, son[2], size, val, times;
}tr[N];

inline void pushup(int x){
    if(x){
        tr[x].size = tr[x].times;
        if(tr[x].son[0])	tr[x].size += tr[tr[x].son[0]].size;
        if(tr[x].son[1])	tr[x].size += tr[tr[x].son[1]].size;
    }
}

inline void rotate(int x, int kind){
    int y = tr[x].fa, z = tr[y].fa, A = tr[y].son[kind], B = tr[x].son[kind], C = tr[x].son[!kind];
    tr[x].son[kind] = y, tr[x].fa = z;
    tr[y].son[!kind] = B, tr[y].fa = x, tr[B].fa = y;
    tr[z].son[tr[z].son[1] == y] = x;
    pushup(y), pushup(x);
}

inline void splay(int x, int goal){
    if(x == goal)	return;
    while(tr[x].fa != goal){
        int y = tr[x].fa, z = tr[y].fa;
        int isrson1 = tr[y].son[1] == x, isrson2 = tr[z].son[1] == y;
        if(z == goal)	rotate(x, !isrson1);
        else{
            if(isrson1 == isrson2)	rotate(y, !isrson2);
            else	rotate(x, !isrson1);
            rotate(x, !isrson2);
        }
    }
    if(goal == 0)	root = x;
}

inline int select(int x){
    int now = root;
    while(now){
        if(tr[now].val == x)	break;
        else if(tr[now].val < x)	now = tr[now].son[1];
        else if(tr[now].val > x)	now = tr[now].son[0];
    }
    if(!now)	return -1;
    return now;
}

inline int getPre(int x){
    int now = root, ans = -INF;
    while(now){
        if(tr[now].val < x){
            ans = max(ans, tr[now].val);
            now = tr[now].son[1];
        }
        else	now = tr[now].son[0];
    }
    return ans;
}

inline int getSub(int x){
    int now = root, ans = INF;
    while(now){
        if(tr[now].val > x){
            ans = min(ans, tr[now].val);
            now = tr[now].son[0];
        }
        else	now = tr[now].son[1];
    }
    return ans;
}

inline int getRank(int x){
    int now = root, ans = 0;
    while(now){
        if(tr[now].val == x){
            ans += tr[tr[now].son[0]].size + 1;
            break;
        }
        else if(tr[now].val < x){
            ans += tr[tr[now].son[0]].size + tr[now].times;
            now = tr[now].son[1];
        }
        else	now = tr[now].son[0];
    }
    return ans - 1;
}

inline int newNode(int val, int f){
    ++cnt;
    tr[cnt].val = val;
    tr[cnt].fa = f;
    tr[cnt].son[0] = tr[cnt].son[1] = 0;
    tr[cnt].size = tr[cnt].times = 1;
    return cnt;
}

inline void insert(int x){
    splay(select(getPre(x)), 0);
    splay(select(getSub(x)), root);
    int t = tr[tr[root].son[1]].son[0];
    if(!t)
        tr[tr[root].son[1]].son[0] = newNode(x, tr[root].son[1]);
    else	tr[t].times++, tr[t].size++;
    pushup(tr[root].son[1]);
    pushup(root);
}

inline void del(int x){
    splay(select(getPre(x)), 0);
    splay(select(getSub(x)), root);
    int t = tr[tr[root].son[1]].son[0];
    if(!t || tr[t].times == 0)	return;
    tr[t].times--, tr[t].size--;
    if(tr[t].times == 0)	tr[tr[root].son[1]].son[0] = 0;
    pushup(tr[root].son[1]);
    pushup(root);
}

inline int findRank(int x){
    int now = root;
    while(now){
        if(tr[tr[now].son[0]].size + 1 <= x && x <= tr[tr[now].son[0]].size + tr[now].times)	break;
        else if(tr[tr[now].son[0]].size + 1 > x)
            now = tr[now].son[0];
        else if(tr[tr[now].son[0]].size + tr[now].times < x){
            x -= tr[tr[now].son[0]].size + tr[now].times;
            now = tr[now].son[1];
        }
    }
    return tr[now].val;
}

int main(){
    scanf("%d", &n);
    root = newNode(-INF, 0);
    tr[root].son[1] = newNode(INF, root), pushup(root);
    while(n--){
        scanf("%d%d", &opt, &q);
        if(opt == 1)	insert(q);
        else if(opt == 2)	del(q);
        else if(opt == 3)	printf("%d\n", getRank(q));
        else if(opt == 4)	printf("%d\n", findRank(q+1));
        else if(opt == 5)	printf("%d\n", getPre(q));
        else if(opt == 6)	printf("%d\n", getSub(q));
    }
    return 0;
}

二、非旋Treap

每个节点表示一个值，同时记录该点及其子树大小、左右儿子。

  • 插入：从x处split，新建一个值为x的节点，再将三部分merge起来。（注：从x处分开：x在前一部分，下同）
  • 删除：从x、x+1处split成三部分（记为l、t、r），将t的左右儿子merge起来，这样就删除了一个节点，再将三部分merge起来。
  • 查x排名：从x-1处split，则x排名为前一部分的大小+1
  • 查排名为x的数：同Splay
  • 求x前驱：同Splay
  • 求x后继：同Splay

时间复杂度：每次操作 $O(log_2n)$

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

using namespace std;

const int INF = 1e9;
const int N = 100005;
int n, opt, q;

struct Treap{
	int val, son[2], size, hp;
}tr[N];

struct OPT_Treap{
	int cnt, root;
	inline int newNode(int val){
		cnt++;
		tr[cnt].val = val;
		tr[cnt].hp = rand();
		tr[cnt].son[0] = tr[cnt].son[1] = 0;
		tr[cnt].size = 1;
		return cnt;
	}
	inline void pushup(int id){
		tr[id].size = 1;
		if(tr[id].son[0])	tr[id].size += tr[tr[id].son[0]].size;
		if(tr[id].son[1])	tr[id].size += tr[tr[id].son[1]].size;
	}
	inline void pushdown(int id){
		return;
	}
	int merge(int a, int b){
		if(a == 0)	return b;
		if(b == 0)	return a;
		if(tr[a].hp <= tr[b].hp){
			pushdown(a);
			tr[a].son[1] = merge(tr[a].son[1], b);
			pushup(a);
			return a;
		}
		else{
			pushdown(b);
			tr[b].son[0] = merge(a, tr[b].son[0]);
			pushup(b);
			return b;
		}
	}
	void split(int id, int k, int &x, int &y){
		if(!id){
			x = 0, y = 0;
			return;
		}
		pushdown(id);
		if(tr[id].val > k)
			y = id, split(tr[id].son[0], k, x, tr[id].son[0]);
		else
			x = id, split(tr[id].son[1], k, tr[id].son[1], y);
		pushup(id);
	}
	inline void insert(int val){
		int l = 0, r = 0;
		split(root, val, l, r);
		int t = newNode(val);
		root = merge(merge(l, t), r);
	}
	inline void del(int val){
		int l = 0, r = 0, t = 0;
		split(root, val - 1, l, t);
		split(t, val, t, r);
		t = merge(tr[t].son[0], tr[t].son[1]);
		root = merge(merge(l, t), r);
	}
	inline int getRank(int x){
		int ans = 0, l = 0, r = 0;
		split(root, x-1, l, r);
		ans = tr[l].size + 1;
		root = merge(l, r);
		return ans;
	}
	inline int getKth(int k){
		int now = root;
		while(now){
			if(tr[tr[now].son[0]].size + 1 == k)	return tr[now].val;
			else if(tr[tr[now].son[0]].size >= k)	now = tr[now].son[0];
			else	k -= (tr[tr[now].son[0]].size + 1), now = tr[now].son[1];
		}
		return -INF;
	}
	inline int getPre(int x){
		int ans = -INF, now = root;
		while(now){
			if(tr[now].val >= x)	now = tr[now].son[0];
			else{
				ans = max(ans, tr[now].val);
				now = tr[now].son[1];
			}
		}
		return ans;
	}
	inline int getSub(int x){
		int ans = INF, now = root;
		while(now){
			if(tr[now].val <= x)	now = tr[now].son[1];
			else{
				ans = min(ans, tr[now].val);
				now = tr[now].son[0];
			}
		}
		return ans;
	}
}BST;

int main(){
	srand(200127);
	scanf("%d", &n);
	BST.root = BST.newNode(INF);
	while(n--){
		scanf("%d%d", &opt, &q);
		if(opt == 1)	BST.insert(q);
		else if(opt == 2)	BST.del(q);
		else if(opt == 3)	printf("%d\n", BST.getRank(q));
		else if(opt == 4)	printf("%d\n", BST.getKth(q));
		else if(opt == 5)	printf("%d\n", BST.getPre(q));
		else if(opt == 6)	printf("%d\n", BST.getSub(q));
	}
	return 0;
}

文艺平衡树

题目链接：
luogu3391
bzoj3223

解题思路

一、Splay

这道题只有区间翻转操作，线段树不好维护，只有用平衡树了。
对于一次$[l,r]$的区间翻转，把$l-1$旋至根，$r+1$旋至根的右儿子，那么$[l,r]$就在根的右儿子的左儿子处了。和线段树一样，我们可以将它的左右儿子互换后打上一个翻转标记(rev ^= 1)，之后再pushdown。

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

using namespace std;

const int INF = 0x7fffffff;
const int N = 100005;
int n, m, ql, qr;

int cnt, root;

struct Splay_tree{
    int fa, son[2], size, val;
    bool rev;
}tr[N];

inline void pushup(int x){
    if(x){
        tr[x].size = 1;
        if(tr[x].son[0])	tr[x].size += tr[tr[x].son[0]].size;
        if(tr[x].son[1])	tr[x].size += tr[tr[x].son[1]].size;
    }
}

inline void pushdown(int x){
    if(tr[x].rev){
        if(tr[x].son[0]){
            tr[tr[x].son[0]].rev ^= 1;
            swap(tr[tr[x].son[0]].son[0], tr[tr[x].son[0]].son[1]);
        }
        if(tr[x].son[1]){
            tr[tr[x].son[1]].rev ^= 1;
            swap(tr[tr[x].son[1]].son[0], tr[tr[x].son[1]].son[1]);
        }
        tr[x].rev = 0;
    }
}

inline void rotate(int x, int kind){
    int y = tr[x].fa, z = tr[y].fa, A = tr[y].son[kind], B = tr[x].son[kind], C = tr[x].son[!kind];
    tr[x].son[kind] = y, tr[x].fa = z;
    tr[y].son[!kind] = B, tr[y].fa = x;
    tr[z].son[tr[z].son[1] == y] = x;
    tr[B].fa = y;
    pushup(y), pushup(x);
}

inline void splay(int x, int goal){
    if(x == goal)	return;
    while(tr[x].fa != goal){
        int y = tr[x].fa, z = tr[y].fa;
        pushdown(z), pushdown(y), pushdown(x);
        int isrson1 = tr[y].son[1] == x, isrson2 = tr[z].son[1] == y;
        if(z == goal)	rotate(x, !isrson1);
        else{
            if(isrson1 == isrson2)	rotate(y, !isrson2);
            else	rotate(x, !isrson1);
            rotate(x, !isrson2);
        }
    }
    if(goal == 0)	root = x;
}

inline int newNode(int val, int f){
    cnt++;
    tr[cnt].val = val;
    tr[cnt].fa = f;
    tr[cnt].son[0] = tr[cnt].son[1] = 0;
    tr[cnt].size = 1;
    return cnt;
}

int select(int x){
    int now = root;
    pushdown(now);
    while(tr[tr[now].son[0]].size + 1 != x){
        if(tr[tr[now].son[0]].size + 1 > x)	now = tr[now].son[0];
        else{
            x -= tr[tr[now].son[0]].size + 1;
            now = tr[now].son[1];
        }
        pushdown(now);
    }
    return now;
}

inline void reverse(int l, int r){
    splay(select(l-1), 0);
    splay(select(r+1), root);
    int t = tr[tr[root].son[1]].son[0];
    tr[t].rev ^= 1;
    swap(tr[t].son[0], tr[t].son[1]);
}

int build(int l, int r, int f){
    if(l > r)	return 0;
    int mid = (l + r) >> 1, x = ++cnt;
    tr[x].val = mid - 1;
    tr[x].size = 1;
    tr[x].fa = f;
    tr[x].rev = 0;
    tr[x].son[0] = build(l, mid-1, x);
    tr[x].son[1] = build(mid+1, r, x);
    pushup(x);
    return x;
}

void print(int x){
    pushdown(x);
    if(tr[x].son[0])	print(tr[x].son[0]);
    if(tr[x].val >= 1 && tr[x].val <= n)	printf("%d ", tr[x].val);
    if(tr[x].son[1])	print(tr[x].son[1]);
}

int main(){
    scanf("%d%d", &n, &m);
    root = build(1, n+2, 0);
    while(m--){
        scanf("%d%d", &ql, &qr);
        reverse(ql+1, qr+1);
    }
    print(root);
    return 0;
}

二、非旋Treap

同上。

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

using namespace std;

const int INF = 1e9;
const int N = 100005;
int n, m, ql, qr;

struct Treap{
	int val, size, son[2], hp;
	bool rev;
}tr[N];

struct OPT_Treap{
	int cnt, root;
	inline int newNode(int val){
		cnt++;
		tr[cnt].val = val;
		tr[cnt].hp = rand();
		tr[cnt].size = 1;
		tr[cnt].son[0] = tr[cnt].son[1] = 0;
		tr[cnt].rev = 0;
		return cnt;
	}
	inline void pushup(int id){
		if(!id)	return;
		tr[id].size = 1;
		if(tr[id].son[0])	tr[id].size += tr[tr[id].son[0]].size;
		if(tr[id].son[1])	tr[id].size += tr[tr[id].son[1]].size;
	}
	inline void pushdown(int id){
		if(!tr[id].rev)	return;
		if(tr[id].son[0]){
			int t = tr[id].son[0];
			tr[t].rev ^= 1;
			swap(tr[t].son[0], tr[t].son[1]);
		}
		if(tr[id].son[1]){
			int t = tr[id].son[1];
			tr[t].rev ^= 1;
			swap(tr[t].son[0], tr[t].son[1]);
		}
		tr[id].rev ^= 1;
	}
	int merge(int a, int b){
		if(a == 0)	return b;
		if(b == 0)	return a;
		if(tr[a].hp <= tr[b].hp){
			pushdown(a);
			tr[a].son[1] = merge(tr[a].son[1], b);
			pushup(a);
			return a;
		}
		else{
			pushdown(b);
			tr[b].son[0] = merge(a, tr[b].son[0]);
			pushup(b);
			return b;
		}
	}
	void split(int id, int k, int &x, int &y){
		if(!id){
			x = 0, y = 0;
			return;
		}
		pushdown(id);
		if(tr[tr[id].son[0]].size >= k)
			y = id, split(tr[id].son[0], k, x, tr[id].son[0]);
		else
			x = id, split(tr[id].son[1], k - tr[tr[id].son[0]].size - 1, tr[id].son[1], y);
		pushup(id);
	}
	inline void reverse(int l, int r){
		int L, t, R;
		split(root, l - 1, L, t);
		split(t, r - l + 1, t, R);
		tr[t].rev ^= 1;
		swap(tr[t].son[0], tr[t].son[1]);
		root = merge(merge(L, t), R);
	}
	inline int build(int l, int r){
		if(l > r)	return 0;
		int mid = (l + r) >> 1;
		int t = newNode(mid);
		tr[t].son[0] = build(l, mid - 1);
		tr[t].son[1] = build(mid + 1, r);
		pushup(t);
		return t;
	}
}BST;

void print(int x){
	BST.pushdown(x);
	if(tr[x].son[0])	print(tr[x].son[0]);
	printf("%d ", tr[x].val);
	if(tr[x].son[1])	print(tr[x].son[1]);
}

int main(){
	srand(200127);
	scanf("%d%d", &n, &m);
	BST.root = BST.build(1, n);
	while(m--){
		scanf("%d%d", &ql, &qr);
		BST.reverse(ql, qr);
	}
	print(BST.root);
	return 0;
}

二逼平衡树

题目链接：
luogu3380
bzoj3196

解题思路

一、线段树套Splay

这道题与普通平衡树唯一的不同就在于所有查询都是区间查询，那么我们需要在平衡树外面套一层线段树以供区间查询，即线段树套平衡树。
当然，并非真的要在每个线段树节点内建一颗平衡树，存一下在这个节点的平衡树的根的编号就行了。

  • 查询区间内k的排名：在线段树上递归找查询的区间，在相应节点上的平衡树上查询比k小的数的个数，回溯时将所有答案相加得到了区间内比k小的数的个数，最后+1就是排名；
  • 查询区间内排名为k的值：这个要麻烦一点，由于不同线段树节点上的答案不能进行合并，只能考虑二分答案，问题转化为二分出的答案在区间内的排名问题，即第一问；
  • 修改某位置的值：修改即先删除原值，再插入新值；在线段树上找到该节点，对所经路线上所有线段树里的平衡树进行删除插入操作；
  • 查询k在区间内的前驱：同第一问，只不过在更新答案时不是相加，而是取max；
  • 查询k在区间内的后继：同第一问，只不过在更新答案时不是相加，而是取min。

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#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<algorithm>

#define lid id<<1
#define rid id<<1|1
#define mid ((A[id].l+A[id].r)>>1)

using namespace std;

const int INF = 0x7fffffff;
const int N = 50005;
int n, m, a[N], opt, ql, qr, qk, qpos, tmp;

struct splay{
    int size, times, val, son[2], fa;
}B[(int)4e6];

struct segTree{
    int l, r, root;
}A[N<<2];

struct OPT_splay{
    int cnt;
    inline void pushup(int x){
        if(x){
            B[x].size = B[x].times;
            if(B[x].son[0])	B[x].size += B[B[x].son[0]].size;
            if(B[x].son[1])	B[x].size += B[B[x].son[1]].size;
        }
    }
    inline void rotate(int x, int kind){
        int y = B[x].fa, z = B[y].fa, a = B[y].son[kind], b = B[x].son[kind], c = B[x].son[!kind];
        B[x].fa = z, B[x].son[kind] = y;
        B[y].fa = x, B[y].son[!kind] = b;
        B[z].son[B[z].son[1] == y] = x;
        B[b].fa = y;
        pushup(y), pushup(x);
    }
    inline void splay(int x, int goal, int id){
        if(x == goal)	return;
        while(B[x].fa != goal){
            int y = B[x].fa, z = B[y].fa;
            int isrson1 = B[y].son[1] == x, isrson2 = B[z].son[1] == y;
            if(z == goal)	rotate(x, !isrson1);
            else{
                if(isrson1 == isrson2)	rotate(y, !isrson2);
                else	rotate(x, !isrson1);
                rotate(x, !isrson2);
            }
        }
        if(goal == 0)	A[id].root = x;
    }
    inline int newNode(int val, int fa){
        cnt++;
        B[cnt].fa = fa;
        B[cnt].val = val;
        B[cnt].size = B[cnt].times = 1;
        B[cnt].son[0] = B[cnt].son[1] = 0;
        return cnt;
    }
    inline int getPre(int x, int id){
        int now = A[id].root, res = -INF;
        while(now){
            if(B[now].val < x){
                res = max(res, B[now].val);
                now = B[now].son[1];
            }
            else	now = B[now].son[0];
        }
        return res;
    }
    inline int getSub(int x, int id){
        int now = A[id].root, res = INF;
        while(now){
            if(B[now].val > x){
                res = min(res, B[now].val);
                now = B[now].son[0];
            }
            else	now = B[now].son[1];
        }
        return res;
    }
    inline int select(int x, int id){
        int now = A[id].root;
        while(now){
            if(B[now].val == x)	break;
            else if(B[now].val > x)	now = B[now].son[0];
            else if(B[now].val < x)	now = B[now].son[1];
        }
        if(!now)	return -1;
        return now;
    }
    inline int getRank(int x, int id){
        if(select(x, id) != -1)	splay(select(x, id), 0, id);
        else	splay(select(getSub(x, id), id), 0, id);
        return B[B[A[id].root].son[0]].size;
    }
    inline void insert(int val, int id){
        splay(select(getPre(val, id), id), 0, id);
        splay(select(getSub(val, id), id), A[id].root, id);
        int t = B[B[A[id].root].son[1]].son[0];
        if(!t)	B[B[A[id].root].son[1]].son[0] = newNode(val, B[A[id].root].son[1]);
        else	B[t].times++, B[t].size++;
        pushup(B[A[id].root].son[1]);
        pushup(A[id].root);
    }
    inline void del(int val, int id){
        splay(select(getPre(val, id), id), 0, id);
        splay(select(getSub(val, id), id), A[id].root, id);
        int t = B[B[A[id].root].son[1]].son[0];
        if(!t || B[t].times == 0)	return;
        B[t].times--, B[t].size--;
        if(B[t].times == 0)	B[B[A[id].root].son[1]].son[0] = 0;
        pushup(B[A[id].root].son[1]);
        pushup(A[id].root);
    }
}Splay;

struct OPT_segTree{
    void build(int id, int l, int r){
        A[id].root = Splay.newNode(-INF, 0);
        B[A[id].root].son[1] = Splay.newNode(INF, A[id].root);
        A[id].l = l, A[id].r = r;
        if(A[id].l == A[id].r)	return;
        build(lid, l, mid);
        build(rid, mid+1, r);
    }
    void insert(int id, int pos, int val){
        Splay.insert(val, id);
        if(A[id].l == A[id].r)	return;
        if(pos <= mid)	insert(lid, pos, val);
        else	insert(rid, pos, val);
    }
    int getRank(int id, int l, int r, int x){
        if(A[id].l == l && A[id].r == r)	return Splay.getRank(x, id) - 1;
        if(r <= mid)	return getRank(lid, l, r, x);
        else if(l > mid)	return getRank(rid, l, r, x);
        else	return getRank(lid, l, mid, x) + getRank(rid, mid+1, r, x);
    }
    int getKth(int l, int r, int k){
        int ans = -1, L = 0, R = 1e8;
        while(L <= R){
            int Mid = (L + R) >> 1;
            int t1 = getRank(1, l, r, Mid) + 1;
            int t2 = getRank(1, l, r, Mid+1);
            if(t1 <= k && k <= t2){ ans = Mid; break; }
            if(t2 < k)	L = Mid+1;
            else if(t1 > k)	R = Mid-1;
        }
        return ans;
    }
    void modify(int id, int pos, int val){
        Splay.del(a[pos], id);
        Splay.insert(val, id);
        if(A[id].l == A[id].r)	return;
        if(pos <= mid)	modify(lid, pos, val);
        else	modify(rid, pos, val);
    }
    int getPre(int id, int l, int r, int x){
        if(A[id].l == l && A[id].r == r)	return Splay.getPre(x, id);
        if(r <= mid)	return getPre(lid, l, r, x);
        else if(l > mid)	return getPre(rid, l, r, x);
        else	return max(getPre(lid, l, mid, x), getPre(rid, mid+1, r, x));
    }
    int getSub(int id, int l, int r, int x){
        if(A[id].l == l && A[id].r == r)	return Splay.getSub(x, id);
        if(r <= mid)	return getSub(lid, l, r, x);
        else if(l > mid)	return getSub(rid, l, r, x);
        else	return min(getSub(lid, l, mid, x), getSub(rid, mid+1, r, x));
    }
}Seg;

int main(){
    scanf("%d%d", &n, &m);
    Seg.build(1, 1, n);
    for(int i = 1; i <= n; i++){
        scanf("%d", &a[i]);
        Seg.insert(1, i, a[i]);
    }
    while(m--){
        scanf("%d", &opt);
        if(opt == 3)	scanf("%d%d", &qpos, &qk);
        else	scanf("%d%d%d", &ql, &qr, &qk);
        if(opt == 1)	printf("%d\n", Seg.getRank(1, ql, qr, qk) + 1);
        else if(opt == 2)	printf("%d\n", Seg.getKth(ql, qr, qk));
        else if(opt == 3)	Seg.modify(1, qpos, qk), a[qpos] = qk;
        else if(opt == 4)	printf("%d\n", Seg.getPre(1, ql, qr, qk));
        else if(opt == 5)	printf("%d\n", Seg.getSub(1, ql, qr, qk));
    }
    return 0;
}

二、线段树套非旋Treap

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

#define lid id<<1
#define rid id<<1|1
#define mid ((A[id].l + A[id].r) >> 1)

using namespace std;

const int INF = 0x7fffffff;
const int N = 50005;
int n, m, opt, ql, qr, qk, qpos, a[N];

struct Treap{
	int val, son[2], size, hp;
}B[(int)4e6];
struct segTree{
	int l, r, root;
}A[N<<2];

struct OPT_Treap{
	int cnt;
	inline int newNode(int val){
		cnt++;
		B[cnt].val = val;
		B[cnt].son[0] = B[cnt].son[1] = 0;
		B[cnt].size = 1;
		B[cnt].hp = rand();
		return cnt;
	}
	inline void pushup(int id){
		if(!id)	return;
		B[id].size = 1;
		if(B[id].son[0])	B[id].size += B[B[id].son[0]].size;
		if(B[id].son[1])	B[id].size += B[B[id].son[1]].size;
	}
	int merge(int a, int b){
		if(a == 0)	return b;
		if(b == 0)	return a;
		if(B[a].hp <= B[b].hp){
			B[a].son[1] = merge(B[a].son[1], b);
			pushup(a);
			return a;
		}
		else{
			B[b].son[0] = merge(a, B[b].son[0]);
			pushup(b);
			return b;
		}
	}
	void split(int id, int k, int &x, int &y){
		if(!id){
			x = 0, y = 0;
			return;
		}
		if(B[id].val > k)
			y = id, split(B[id].son[0], k, x, B[id].son[0]);
		else
			x = id, split(B[id].son[1], k, B[id].son[1], y);
		pushup(id);
	}
	inline void insert(int &rt, int val){
		int l = 0, r = 0;
		split(rt, val, l, r);
		int t = newNode(val);
		rt = merge(merge(l, t), r);
	}
	inline void del(int &rt, int val){
		int l = 0, r = 0, t = 0;
		split(rt, val - 1, l, t);
		split(t, val, t, r);
		t = merge(B[t].son[0], B[t].son[1]);
		rt = merge(merge(l, t), r);
	}
	inline int getRank(int &rt, int x){
		int l = 0, r = 0;
		split(rt, x - 1, l, r);
		int ans = B[l].size + 1;
		rt = merge(l, r);
		return ans;
	}
	inline int getPre(int &rt, int x){
		int now = rt, ans = -INF;
		while(now){
			if(B[now].val < x){
				ans = max(ans, B[now].val);
				now = B[now].son[1];
			}
			else	now = B[now].son[0];
		}
		return ans;
	}
	inline int getSub(int &rt, int x){
		int now = rt, ans = INF;
		while(now){
			if(B[now].val > x){
				ans = min(ans, B[now].val);
				now = B[now].son[0];
			}
			else	now = B[now].son[1];
		}
		return ans;
	}
}BST;

struct OPT_segTree{
	void build(int id, int l, int r){
		A[id].l = l, A[id].r = r;
		A[id].root = BST.newNode(INF);
		if(A[id].l == A[id].r)	return;
		build(lid, l, mid);
		build(rid, mid+1, r);
	}
	void insert(int id, int pos, int val){
		BST.insert(A[id].root, val);
		if(A[id].l == A[id].r)	return;
		if(pos <= mid)	insert(lid, pos, val);
		else	insert(rid, pos, val);
	}
	void modify(int id, int pos, int val){
		BST.del(A[id].root, a[pos]);
		BST.insert(A[id].root, val);
		if(A[id].l == A[id].r)	return;
		if(pos <= mid)	modify(lid, pos, val);
		else	modify(rid, pos, val);
	}
	int query(int id, int l, int r, int x, int kind){
		if(A[id].l == l && A[id].r == r){
			if(kind == 0)	return BST.getRank(A[id].root, x);
			if(kind == 1)	return BST.getPre(A[id].root, x);
			if(kind == 2)	return BST.getSub(A[id].root, x);
		}
		if(r <= mid)	return query(lid, l, r, x, kind);
		else if(l > mid)	return query(rid, l, r, x, kind);
		else{
			if(kind == 0)	return query(lid, l, mid, x, kind) + query(rid, mid+1, r, x, kind) - 1;
			if(kind == 1)	return max(query(lid, l, mid, x, kind), query(rid, mid+1, r, x, kind));
			if(kind == 2)	return min(query(lid, l, mid, x, kind), query(rid, mid+1, r, x, kind));
		}
	}
	int getKth(int l, int r, int k){
		int L = 0, R = 1e8, ans = 0;
		while(L <= R){
			int Mid = (L + R) >> 1;
			int t1 = query(1, l, r, Mid, 0);
			int t2 = query(1, l, r, Mid+1, 0) - 1;
			if(t1 <= k && k <= t2){ ans = Mid; break; }
			else if(t2 < k)	L = Mid + 1;
			else if(t1 > k)	R = Mid - 1;
		}
		return ans;
	}
}Seg;

int main(){
	srand(200127);
	scanf("%d%d", &n, &m);
	BST.cnt = 0;
	Seg.build(1, 1, n);
	for(int i = 1; i <= n; i++){
		scanf("%d", &a[i]);
		Seg.insert(1, i, a[i]);
	}
	while(m--){
		scanf("%d", &opt);
		if(opt == 3)	scanf("%d%d", &qpos, &qk);
		else	scanf("%d%d%d", &ql, &qr, &qk);
		if(opt == 1)	printf("%d\n", Seg.query(1, ql, qr, qk, 0));
		else if(opt == 2)	printf("%d\n", Seg.getKth(ql, qr, qk));
		else if(opt == 3)	Seg.modify(1, qpos, qk), a[qpos] = qk;
		else if(opt == 4)	printf("%d\n", Seg.query(1, ql, qr, qk, 1));
		else if(opt == 5)	printf("%d\n", Seg.query(1, ql, qr, qk, 2));
	}
	return 0;
}

三、树状数组套值域线段树（带修改主席树）

hmm…这道题其实可以不用平衡树做，因为要求第k大，自然而然想到主席树可以做到，但这道题有修改操作，普通的维护前缀和的主席树修改一次就要把后面所有树都改了，所以修改一次的时间复杂度就是$O(NlogN)$的，显然不行。于是，带修改主席树应运而生：我们不再让值域线段树们维护前缀和了，而是让它们维护树状数组上对应的约$logN$个点，这样一次修改的时间复杂度就降到了$O(log_2^2N)$。

  • 查询区间内k的排名：相当于找比k小的数有多少个（答案是个数+1）。在值域线段树上二分查找k时，如果往右儿子走，就把左儿子大小加进答案里去就行了；
  • 查询区间内排名为k的值：找到树状数组里面相关的值域线段树（存进一个数组，见代码中的A[]和B[]），算出当前点左儿子大小，再决定是向左还是向右二分下去；
  • 修改某位置的值：修改即先删除原值，再插入新值；找到树状数组里面相关的值域线段树，对每棵树都进行删除和插入操作；
  • 查询k在区间内的前驱：查询区间内比k小的数有多少个，如果没有，输出-INF；否则输出区间内相应排名的值；
  • 查询k在区间内的后继：查询区间内比k大的数有多少个，如果没有，输出INF；否则输出区间内相应排名的值。

涉及到值域线段树一般都要离散化，以保证空间；同时，这道题还必须动态开点才能保证空间。

Code#7

纪念我的第一份超过200行的代码…

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#include<cstdio>
#include<algorithm>

using namespace std;

const int INF = 0x7fffffff;
const int N = 50005;
int n, m, a[N], t[N<<1], f[N<<1], MX, A[20], B[20];//因为有询问操作，t[]和f[]空间一定要开够!
int root[N], cnt;

struct Query{
	int opt, l, r, k, pos;
}q[N];

struct segTree{
	int size, son[2];
}tr[N*15*15];

inline void readin(){
	scanf("%d%d", &n, &m);
	for(int i = 1; i <= n; i++)	scanf("%d", &a[i]), t[++t[0]] = a[i];
	for(int i = 1; i <= m; i++){
		scanf("%d", &q[i].opt);
		if(q[i].opt != 3){
			scanf("%d%d%d", &q[i].l, &q[i].r, &q[i].k);
			if(q[i].opt != 2)	t[++t[0]] = q[i].k;
		}
		else{
			scanf("%d%d", &q[i].pos, &q[i].k);
			t[++t[0]] = q[i].k;
		}
	}
}
inline void disc(){
	sort(t+1, t+t[0]+1);
	int len = unique(t+1, t+t[0]+1) - (t+1);
	for(int i = 1; i <= n; i++){
		int temp = lower_bound(t+1, t+len+1, a[i]) - t;
		f[temp] = a[i], a[i] = temp;
		MX = max(MX, temp);
	}
	for(int i = 1; i <= m; i++){
		if(q[i].opt == 2)	continue;
		int temp = lower_bound(t+1, t+len+1, q[i].k) - t;
		f[temp] = q[i].k, q[i].k = temp;
		MX = max(MX, temp);
	}
	f[MX+1] = -INF;
	f[MX+2] = INF;
}
inline int lowbit(int x){ return x & -x; }

inline void init1(int x, int X[]){
	X[0] = 0;
	for(int i = x; i; i -= lowbit(i)){
		if(!root[i])	root[i] = ++cnt;
		X[++X[0]] = root[i];
	}
}
inline void init2(int x, int X[]){
	X[0] = 0;
	for(int i = x; i <= n; i += lowbit(i)){
		if(!root[i])	root[i] = ++cnt;
		X[++X[0]] = root[i];
	}
}

inline void pushup(int id){
	tr[id].size = tr[tr[id].son[0]].size + tr[tr[id].son[1]].size;
}

void insert(int &id, int l, int r, int val){
	if(!id)	id = ++cnt;
	if(l == r){
		tr[id].size++;
		return;
	}
	int mid = (l + r) >> 1;
	if(val <= mid)	insert(tr[id].son[0], l, mid, val);
	else	insert(tr[id].son[1], mid+1, r, val);
	pushup(id);
}

void del(int &id, int l, int r, int val){
	if(!id)	id = ++cnt;
	if(l == r){
		if(tr[id].size > 0)	tr[id].size--;
		return;
	}
	int mid = (l + r) >> 1;
	if(val <= mid)	del(tr[id].son[0], l, mid, val);
	else	del(tr[id].son[1], mid+1, r, val);
	pushup(id);
}

int getSmaller(int l, int r, int k){
	if(l == r)	return 0;
	int mid = (l + r) >> 1;
	if(k <= mid){
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[0])	tr[A[i]].son[0] = ++cnt;
			A[i] = tr[A[i]].son[0];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[0])	tr[B[i]].son[0] = ++cnt;
			B[i] = tr[B[i]].son[0];
		}
		return getSmaller(l, mid, k);
	}
	else{
		int res = 0;
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[1])	tr[A[i]].son[1] = ++cnt;
			res -= tr[tr[A[i]].son[0]].size;
			A[i] = tr[A[i]].son[1];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[1])	tr[B[i]].son[1] = ++cnt;
			res += tr[tr[B[i]].son[0]].size;
			B[i] = tr[B[i]].son[1];
		}
		return res + getSmaller(mid+1, r, k);
	}
}

int getBigger(int l, int r, int k){
	if(l == r)	return 0;
	int mid = (l + r) >> 1;
	if(k <= mid){
		int res = 0;
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[0])	tr[A[i]].son[0] = ++cnt;
			res -= tr[tr[A[i]].son[1]].size;
			A[i] = tr[A[i]].son[0];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[0])	tr[B[i]].son[0] = ++cnt;
			res += tr[tr[B[i]].son[1]].size;
			B[i] = tr[B[i]].son[0];
		}
		return res + getBigger(l, mid, k);
	}
	else{
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[1])	tr[A[i]].son[1] = ++cnt;
			A[i] = tr[A[i]].son[1];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[1])	tr[B[i]].son[1] = ++cnt;
			B[i] = tr[B[i]].son[1];
		}
		return getBigger(mid+1, r, k);
	}
}

int getKth(int l, int r, int k){
	if(l == r)	return l;
	int lsize = 0;
	for(int i = 1; i <= A[0]; i++)	lsize -= tr[tr[A[i]].son[0]].size;
	for(int i = 1; i <= B[0]; i++)	lsize += tr[tr[B[i]].son[0]].size;
	int mid = (l + r) >> 1;
	if(lsize >= k){
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[0])	tr[A[i]].son[0] = ++cnt;
			A[i] = tr[A[i]].son[0];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[0])	tr[B[i]].son[0] = ++cnt;
			B[i] = tr[B[i]].son[0];
		}
		return getKth(l, mid, k);
	}
	else{
		for(int i = 1; i <= A[0]; i++){
			if(!tr[A[i]].son[1])	tr[A[i]].son[1] = ++cnt;
			A[i] = tr[A[i]].son[1];
		}
		for(int i = 1; i <= B[0]; i++){
			if(!tr[B[i]].son[1])	tr[B[i]].son[1] = ++cnt;
			B[i] = tr[B[i]].son[1];
		}
		return getKth(mid+1, r, k - lsize);
	}
}

inline int getPre(int ql, int qr, int k){
	init1(ql-1, A), init1(qr, B);
	int rank = getSmaller(1, MX, k) + 1;
	init1(ql-1, A), init1(qr, B);
	if(rank == 1)	return MX+1;
	else	return getKth(1, MX, rank-1);
}

inline int getSub(int ql, int qr, int k){
	init1(ql-1, A), init1(qr, B);
	int rank = getBigger(1, MX, k) + 1;
	init1(ql-1, A), init1(qr, B);
	if(rank == 1)	return MX+2;
	else	return getKth(1, MX, qr - ql + 3 - rank);
}

int main(){
	readin();
	disc();
	for(int i = 1; i <= n; i++){
		init2(i, A);
		for(int j = 1; j <= A[0]; j++)
			insert(A[j], 1, MX, a[i]);
	}
	for(int i = 1; i <= m; i++){
		switch(q[i].opt){
			case 1: init1(q[i].l-1, A); init1(q[i].r, B); printf("%d\n", getSmaller(1, MX, q[i].k) + 1); break;
			case 2: init1(q[i].l-1, A); init1(q[i].r, B); printf("%d\n", f[getKth(1, MX, q[i].k)]); break;
			case 3:{
				init2(q[i].pos, A);
				for(int j = 1; j <= A[0]; j++){
					del(A[j], 1, MX, a[q[i].pos]);
					insert(A[j], 1, MX, q[i].k);
				}
				a[q[i].pos] = q[i].k;
				break;
			}
			case 4: printf("%d\n", f[getPre(q[i].l, q[i].r, q[i].k)]); break;
			case 5: printf("%d\n", f[getSub(q[i].l, q[i].r, q[i].k)]); break;
		}
	}
	return 0;
}