《数据结构、算法与应用C++语言描述》- 最小赢者树模板的C++实现

赢者树

完整可编译运行代码见：Github::Data-Structures-Algorithms-and-Applications/_30winnerTree

比赛规则

假定有 n 个选手参加一次网球比赛。比赛规则是“突然死亡法”(sudden-death mode)：一名选手只要输掉一场球，就被淘汰。一对一对选手比赛，最终只剩下一个选手保持不败。这个“幸存者”就是比赛赢者。

比赛建模

为了便于计算机的实现，将赢者树限制为完全二叉树，这样可以使得比赛的场次最少。每个外部节点表示一名选手，每个内部节点表示一场比赛，该节点的孩子表示比赛的选手。在同一层的内部节点代表一轮比赛，可以同时进行。

定义

赢者树：每一个内部节点所记录的都是比赛的赢者。

输者树：每一个内部节点所记录的都是比赛的输者，晋级的节点记录在边上。

竞赛树也称为选择树(selection tree)。

**定义 13-1[赢者树]**有 n 个选手的一棵赢者树是一棵完全二叉树，它有 n 个外部节点和n-1 个内部节点，每个内部节点记录的是在该节点比赛的赢者。

分数&赢者：为了确定一场比赛的赢者树，我们假设每个选手都有一个分数，而且有一个规则用来比较两个选手的分数以确定赢者。在**最小赢者树(min winner tree)中，分数小的选手获胜。在最大赢者树(max winner tree)中，分数大的选手获胜。在分数相等，即平局的时候，左孩子表示的选手获胜。**图 13-2a 是一棵有 8 名选手的最小赢者树，而图 13-2b 是一棵有 5 名选手的最大赢者树。每个外部节点下面的数字表示选手的分数。

在这里插入图片描述

赢者树优点

当一名选手的分数改变时，修改竞赛树比较容易。例如，当选手 d 的分数由 9 改为1时，只有从 d到根的路径上的节点所表示的比赛可能需要重赛，而其他比赛的结果不受影响。有时，甚至连这种路径上的一些比赛也不需要重赛。例如，在图13-2a 中，当 b 的分数从 6 改为 5 时，在其父节点的比赛中，b 仍为输家，因此 b 的祖父及曾祖父节点所表示的比赛都不必重赛。
在一棵 n 个选手的赢者树中，当一个选手的分数发生变化时，需要修改的比赛场次介于 $1\sim\lceil log_2n\rceil$ 之间。因此，赢者树的重构需耗时O(logn)。
n个选手的赢者树可以在0(n)时间内初始化，方法是沿着从叶子到根的方向，在内部节点进行 n-1 场比赛。

与堆相比，赢者树的优点？

在排序时：

堆每次取出最小值之后，把最后一个数放到堆顶，调整堆的时候，每次都要选出父节点的两个孩子节点的最小值，然后再用孩子节点的最小值和父节点进行比较，所以每调整一层需要比较两次。

赢者树每次取出最小值(赢者)之后，就将最小值的选手分数设置为 $\infty$ ，调整赢者树，重新获取赢者；因此，赢者树每次比较只用跟自己的兄弟节点进行比较就好，所以用赢者树树可以比堆少一半的比较次数。

应用

赢者树排序

可以用一棵最小赢者树，用时 $\Theta(nlogn)$ 对 n 个元素排序。首先，用n 个元素代表n名选手对赢者树进行初始化。关键字决定每场比赛的结果，总冠军是关键字最小的元素。将该元素的关键字改为最大值(如 $\infty$ )，使它赢不了其他任何选手。然后重构赢者树，以反映出该元素的关键字的变化。这时的总冠军是按序排在第二的元素。将该元素的关键字改为 $\infty$ 。再一次重构赢者树。这时的总冠军是按序排在第三的元素。以此类推，可以完成n个元素的排序。赢者树初始化的用时为0(n)。每次改变赢者的关键字并重构赢者树的用时为0(logn)，因为在从一个外部节点到根的路径上，所有的比赛需要重赛。赢者树的重构共需n-1次。整个排序过程的时间为 $\Theta(n+nlogn)=\Theta(nlogn)$ 。

归并排序

内部排序与外部排序

内部排序法(internal sorting method)：要求待排序的元素全部放入计算机内存。

缺点：当待排序的元素所需要的空间超出内存的容量时，内部排序法就需要频繁地访问外部存储介质(如磁盘)，那里存储着部分或全部待排的元素。这使得排序效率大打折扣。插入排序与堆排序等都是内部排序。

**外部排序法(extemal sorting method)**两个步骤：

1)生成一些初始归并段(run)，每一个初始归并段都是有序集；

2)将这些初始归并段合并为一个归并段。

举例：假设待排序的记录有 16 000个，使用内部排序一次最多可排序 1000 个记录。在步骤 1)中，重复以下操作 16 次，可得到 16 个初始归并段：

输入 1000 个记录
用内部排序法对这1000个记录排序
输出排序结果，即归并段
生成初始归并段之后，我们开始合并归并段，即步骤 2)。在这个步骤中，我们进行若干次归并。每一次归并，都是将最多k个归并段合并成一个归并段，归并段的个数也因此降到归并前的1/k。这个过程持续到归并段的个数等于1为止。

本例有 16 个初始归并段(如图 13-3 所示)。它们的编号分别为 R1，R2，.，R16。在第一次归并过程中，先将 R1~R4 合并为 S1，其长度为 4000 个记录。然后将 R5~R8 合并，以此类推。在第二次归并过程中，将S1~S4合并为T1，它是外部排序的最终结果。

在这里插入图片描述

合并k个归并段

简单方法：从k个归并段的前面，不断把关键字最小的元素移到正在生成的输出归并段。当所有元素从 k个输入归并段移至输出归并段时，合并过程就完成了。注意，在选择输出归并段的下一元素时，在内存中只需要知道每个输入归并段的首元素的关键字即可。因此，只要有足够的内存来保存k个关键字，就可以合并k个任意长度的归并段。
实际应用中，要求每一次能输入/输出很多元素，以减少输入/输出的次数。

在上列待排的 16 000 个记录中，每个归并段有 1000 个记录，而内存容量也是 1000 个记录。为了合并前4个归并段，可将内存分为5个缓冲区，每个缓冲区的容量为200个记录。前4个为输入缓冲区，第5个为输出缓冲区。**从前4个输入归并段各取200个记录放入4个输入缓冲区。把合并的记录放入输出缓冲区。**不断把输入缓冲区的记录合并后放入输出缓冲区，直到以下的一个条件满足为止：
1)输出缓冲区已满。
2)某一输入缓冲区变空。
当第一个条件满足时，将输出缓冲区的记录写入磁盘，写完之后继续合并。当第二个条件满足时，从空输入缓冲区对应的归并段继续读取记录到空输入缓冲区，读取过程结束之后，继续合并。当4000个记录都写入一个归并段S1时，前4个归并段的合并过程结束。

时间复杂度：每一个元素合并到输出归并段所需时间为 O(k)，因为每一次迭代都需要在k个关键字中找到最小值。因此，产生一个大小为 n 的归并段所需要的总时间为O(kn)。

赢者树k路合并

首先用 $\Theta(k)$ 的时间初始化一棵有k个选手的赢者树，这k个选手分别是k个归并段的头元素。然后将赢者移入输出归并段，并从相应的输入归并段中取出下一个元素替代赢者的位置。若该输入段无下一个元素，则用一个关键字值很大(不妨为 $\infty$ )的元素替代。这个提取和替代赢家的过程需要n次，一次需要时间为O(logk)。一次k路合并的总时间为O(k+nlogk)。

赢者树抽象数据类型

假设选手的个数是固定的。也就是说，如果初始化时的选手个数为n，那么初始化之后不能再增减选手。

在这里插入图片描述

赢者树的实现

表示

假设用完全二叉树的数组表示来表示赢者树。一棵赢者树有 n名选手，需要 n-1 个内部节点tree[1：n-1]。选手（或外部节点）用数组player[1：n]表示，因此 tree[i]是数组 player的一个索引，类型为int。在赢者树的节点i对应比赛中，tree[i]代表赢者。图13-4给出了在有5选手的赢者树中，各节点与数组 tree 和 player之间的对应关系。

在这里插入图片描述

为实现这种对应关系，我们必须能够确定外部节点player[1]的父节点tree[p]。当外部节点的个数为n时，内部节点的个数为n-1。最底层最左端的内部节点，其编号为s，且 $s=2^{\lfloor log_2(n-1)\rfloor}$ 。因此，最底层内部节点的个数是 n-s，最底层外部节点个数 lowExt是这个数的 2 倍。例如，在图 13-4 中，n=5，s=4，最底层最左端的内部节点是 tree[4]，这一层的内部节点个数是 n-4=1 个。最底层外部节点个数 lowExt=2，倒数第2 层最左端的外部节点号为lowExt+1。令offset =2*s-1。对于任何一个外部节点 player[1]，其父节点 tree[p]由以下公式给出：
$p=\left\{ \begin{array}{ll} \frac{(i+offset)}{2}&i\leq lowExt\\ \frac{i-lowExt+n-1}{2}&i>lowExt \end{array} \right.$

赢者树的初始化

为了初始化一棵赢者树，我们从右孩子选手开始，进行他所参加的比赛，而且逐层往上，只要是从右孩子上升到比赛节点，就可以进行在该节点的比赛。为此，要从左往右地考察右孩子选手。在图13-4的树中，我们首先进行选手player[2]参加的比赛，然后进行选手player[3]参加的比赛，最后进行选手player[5]参加的比赛。首先，我们进行选手player[2]参加的在节点tree[4]的比赛。然后我们进行选手player[3]参加的在节点tree[2]的比赛。最后我们进行选手player[5]参加的在节点tree[3]的比赛和在节点tree[1]的比赛。注意，当在节点tree[i]进行比赛时，参加该比赛的选手已经确定，而且选手的记录已经存储在节点tree[i]的子节点中。

时间复杂度是O(n)。

重新组织比赛

当选手thePlayer的值改变时，在从外部节点player[thePlayer]到根tree[1]的路径上，一部分或全部比赛都需要重赛。为简单起见，我们将该路径上的全部比赛进行重赛。

时间复杂度是log(n)

代码

实现最小赢者树

main.cpp

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月19日11点18分
Last Version:			V1.0
Descriptions:			最小赢者树——main函数
*/
#include "completeWinnerTree.h"

int main() {
    completeWinnerTreeTest();
    return 0;
}

completeWinnerTree.h

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月19日11点18分
Last Version:			V1.0
Descriptions:			最小赢者树——模板类
*/

#ifndef _30WINNERTREE_COMPLETEWINNERTREE_H
#define _30WINNERTREE_COMPLETEWINNERTREE_H
#include <iostream>
#include "winnerTree.h"
#include "myExceptions.h"
void completeWinnerTreeTest();
template<class T>
class completeWinnerTree : public winnerTree<T>
{
public:
    completeWinnerTree(T *thePlayer, int theNumberOfPlayers)
    {
        tree = nullptr;
        initialize(thePlayer, theNumberOfPlayers);
    }
    ~completeWinnerTree() {delete [] tree;}
    void initialize(T*, int);
    [[nodiscard]] int winner() const
    {return tree[1];}
    [[nodiscard]] int winner(int i) const
    // 返回节点i的胜者的index
    {return (i < numberOfPlayers) ? tree[i] : 0;}
    void rePlay(int);
    void output() const;
private:
    int lowExt{};           // lowest-level external nodes
    int offset{};           // 2^log(n-1) - 1
    int *tree;            // array for winner tree
    int numberOfPlayers{};
    T *player;            // array of players
    void play(int, int, int);
};

template<class T>
void completeWinnerTree<T>::initialize(T *thePlayer,
                                       int theNumberOfPlayers)
{// 使用thePlayer[1:numberOfPlayers]数组初始化赢者树
    int n = theNumberOfPlayers;
    if (n < 2)
        throw illegalParameterValue("must have at least 2 players");

    player = thePlayer;
    numberOfPlayers = n;
    delete [] tree;// 清空tree
    tree = new int [n];// 重新为tree初始化空间

    // 计算  s = 2^log (n-1)
    int i, s;
    for (s = 1; 2 * s <= n - 1; s += s);

    lowExt = 2 * (n - s);
    offset = 2 * s - 1;

    // 从最底层的外部节点开始比赛
    for (i = 2; i <= lowExt; i += 2)
        play((offset + i) / 2, i - 1, i);

    // 处理剩余的外部节点
    if (n % 2 == 1) // 当n是奇数时，总是有一场内部节点和外部节点的比赛
    {
        play(n/2, tree[n - 1], lowExt + 1);
        i = lowExt + 3;
    }
    else i = lowExt + 2;

    // i是最右边的外部节点
    for (; i <= n; i += 2)
        play((i - lowExt + n - 1) / 2, i - 1, i);
}

template<class T>
void completeWinnerTree<T>::play(int p, int leftChild, int rightChild)
{// 开展tree[p]处的比赛
    // leftChild是p的左孩子
    // rightChild是p的右孩子
    // 定义的是数越小就胜出

    tree[p] = (player[leftChild] <= player[rightChild]) ?
              leftChild : rightChild;

    // 如果p是右孩子
    while (p % 2 == 1 && p > 1)
    {// 从右孩子开始
        tree[p / 2] = (player[tree[p - 1]] <= player[tree[p]]) ?
                      tree[p - 1] : tree[p];
        p /= 2;  // 到其父亲节点
    }
}


template<class T>
void completeWinnerTree<T>::rePlay(int thePlayer)
{//  为玩家thePlayer重新组织比赛
    int n = numberOfPlayers;
    if (thePlayer <= 0 || thePlayer > n)
        throw illegalParameterValue("Player index is illegal");

    int matchNode,       // 进行下一场比赛的节点
    leftChild,       // matchNode的左孩子
    rightChild;      // matchNode的右孩子

    // 找到第一个match节点和他的孩子
    if (thePlayer <= lowExt)
    {// 从最底层开始
        matchNode = (offset + thePlayer) / 2;
        leftChild = 2 * matchNode - offset;
        rightChild = leftChild + 1;
    }
    else
    {
        matchNode = (thePlayer - lowExt + n - 1) / 2;
        if (2 * matchNode == n - 1)
        {
            leftChild = tree[2 * matchNode];
            rightChild = thePlayer;
        }
        else
        {
            leftChild = 2 * matchNode - n + 1 + lowExt;
            rightChild = leftChild + 1;
        }
    }

    tree[matchNode] = (player[leftChild] <= player[rightChild])
                      ? leftChild : rightChild;

    // 第二场比赛的特殊情况
    if (matchNode == n - 1 && n % 2 == 1)
    {
        matchNode /= 2;   // move to parent
        tree[matchNode] = (player[tree[n - 1]] <=
                           player[lowExt + 1]) ?
                          tree[n - 1] : lowExt + 1;
    }

    // 进行其他比赛，也就是父亲节点的比赛
    matchNode /= 2;  // 移动到父亲节点
    for (; matchNode >= 1; matchNode /= 2)
        tree[matchNode] = (player[tree[2 * matchNode]] <=
                           player[tree[2 * matchNode + 1]]) ?
                          tree[2 * matchNode] : tree[2 * matchNode + 1];
}

template<class T>
void completeWinnerTree<T>::output() const
{
    cout << "number of players  = " << numberOfPlayers
         << " lowExt = " << lowExt
         << " offset = " << offset << endl;
    cout << "complete winner tree pointers are" << endl;
    for (int i = 1; i < numberOfPlayers; i++)
        cout << tree[i] << ' ';
    cout << endl;
}

#endif //_30WINNERTREE_COMPLETEWINNERTREE_H

completeWinnerTree.cpp

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月19日11点18分
Last Version:			V1.0
Descriptions:			最小赢者树——测试函数
*/

#include <iostream>
#include "completeWinnerTree.h"
#include "player.h"

using namespace std;

void completeWinnerTreeTest()
{
    int n;
    cout << "Enter number of players, >= 2" << endl;
    cin >> n;
    if (n < 2)
    {cout << "Bad input" << endl;
        exit(1);}


    player *thePlayer = new player[n + 1];

    cout << "Enter player values" << endl;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        cin >> thePlayer[i].key;
        thePlayer[i].id = i;
    }

    completeWinnerTree<player> *w =
            new completeWinnerTree<player>(thePlayer, n);
    cout << "The winner tree is" << endl;
    w->output();

    thePlayer[2].key = 0;
    w->rePlay(2);
    cout << "Changed player 2 to zero, new tree is" << endl;
    w->output();

    thePlayer[3].key = -1;
    w->rePlay(3);
    cout << "Changed player 3 to -1, new tree is" << endl;
    w->output();

    thePlayer[7].key = 2;
    w->rePlay(7);
    cout << "Changed player 7 to 2, new tree is" << endl;
    w->output();
    delete [] thePlayer;
    delete w;
}

player.h

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月19日11点18分
Last Version:			V1.0
Descriptions:		    id&键值
*/

#ifndef _30WINNERTREE_PLAYER_H
#define _30WINNERTREE_PLAYER_H
struct player
{
    int id, key;

    operator int () const {return key;}
};
#endif //_30WINNERTREE_PLAYER_H

winnerTree.h

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月18日16点28分
Last Version:			V1.0
Descriptions:			最小赢者树的抽象类
*/

#ifndef _30WINNERTREE_WINNERTREE_H
#define _30WINNERTREE_WINNERTREE_H
using namespace std;

template<class T>
class winnerTree
{
public:
    virtual ~winnerTree() {}
    virtual void initialize(T *thePlayer, int theNumberOfPlayers) = 0;
    // 使用thePlayer[1:numberOfPlayers]创建赢者树
    virtual int winner() const = 0;
    // 返回赢者树的index
    virtual void rePlay(int thePLayer) = 0;
    // 改变选手thePLayer的值之后重新组织比赛
};
#endif //_30WINNERTREE_WINNERTREE_H

myExceptions.h

/*
Project name :			_30winnerTree
Last modified Date:		2023年12月18日16点28分
Last Version:			V1.0
Descriptions:			异常汇总
*/
#pragma once
#ifndef _MYEXCEPTIONS_H_
#define _MYEXCEPTIONS_H_
#include <string>
#include<iostream>
#include <utility>

using namespace std;

// illegal parameter value
class illegalParameterValue : public std::exception
{
public:
    explicit illegalParameterValue(string theMessage = "Illegal parameter value")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// illegal input data
class illegalInputData : public std::exception
{
public:
    explicit illegalInputData(string theMessage = "Illegal data input")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// illegal index
class illegalIndex : public std::exception
{
public:
    explicit illegalIndex(string theMessage = "Illegal index")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// matrix index out of bounds
class matrixIndexOutOfBounds : public std::exception
{
public:
    explicit matrixIndexOutOfBounds
            (string theMessage = "Matrix index out of bounds")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// matrix size mismatch
class matrixSizeMismatch : public std::exception
{
public:
    explicit matrixSizeMismatch(string theMessage =
    "The size of the two matrics doesn't match")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// stack is empty
class stackEmpty : public std::exception
{
public:
    explicit stackEmpty(string theMessage =
    "Invalid operation on empty stack")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// queue is empty
class queueEmpty : public std::exception
{
public:
    explicit queueEmpty(string theMessage =
    "Invalid operation on empty queue")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// hash table is full
class hashTableFull : public std::exception
{
public:
    explicit hashTableFull(string theMessage =
    "The hash table is full")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// edge weight undefined
class undefinedEdgeWeight : public std::exception
{
public:
    explicit undefinedEdgeWeight(string theMessage =
    "No edge weights defined")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};

// method undefined
class undefinedMethod : public std::exception
{
public:
    explicit undefinedMethod(string theMessage =
    "This method is undefined")
    {message = std::move(theMessage);}
    void outputMessage() {cout << message << endl;}
private:
    string message;
};
#endif

运行结果

"C:\Users\15495\Documents\Jasmine\prj\_Algorithm\Data Structures, Algorithms and Applications in C++\_30winnerTree\cmake-build-debug\_30winnerTree.exe"
Enter number of players, >= 2
8
Enter player values
4
6
5
9
8
2
3
7
The winner tree is
number of players  = 8 lowExt = 8 offset = 7
complete winner tree pointers are
6 1 6 1 3 6 7
Changed player 2 to zero, new tree is
number of players  = 8 lowExt = 8 offset = 7
complete winner tree pointers are
2 2 6 2 3 6 7
Changed player 3 to -1, new tree is
number of players  = 8 lowExt = 8 offset = 7
complete winner tree pointers are
3 3 6 2 3 6 7
Changed player 7 to 2, new tree is
number of players  = 8 lowExt = 8 offset = 7
complete winner tree pointers are
3 3 6 2 3 6 7

Process finished with exit code 0