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（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：

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

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

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。

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。

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

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:

如图就是一个 vEB 结构：

结构体和定义：

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：

• 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

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

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

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：

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。

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。

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

### $Code:

#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，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。