Условие: Реализуйте структуру «очередь с приоритетами», поддерживающую следующие операции:
- Добавление элемента в очередь.
- Удаление из очереди элемента с наибольшим приоритетом.
- Изменение приоритета для произвольного элемента, находящегося в очереди.
Тесты:
input data | output data |
add eight 8 | <вывод не предусмотрен> |
add three 3 | <вывод не предусмотрен> |
add eleven 11 | <вывод не предусмотрен> |
add one 1 | <вывод не предусмотрен> |
add five 5 | <вывод не предусмотрен> |
add neun 9 | <вывод не предусмотрен> |
add forteen 14 | <вывод не предусмотрен> |
add six 6 | <вывод не предусмотрен> |
add ten 10 | <вывод не предусмотрен> |
add twelve 12 | <вывод не предусмотрен> |
add fifteen 15 | <вывод не предусмотрен> |
add seven 7 | <вывод не предусмотрен> |
add thirteen 13 | <вывод не предусмотрен> |
change eleven 1100 | <вывод не предусмотрен> |
change eleven 1101 | <вывод не предусмотрен> |
change one 111 | <вывод не предусмотрен> |
pop | eleven 1101 |
pop | one 111 |
pop | fifteen 15 |
pop | forteen 14 |
pop | thirteen 13 |
pop | twelve 12 |
pop | ten 10 |
pop | neun 9 |
pop | eight 8 |
pop | seven 7 |
pop | six 6 |
pop | five 5 |
pop | three 3 |
pop | error |
Код программы:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 |
#include <iostream> using namespace std; // шаблонный класс, описывающий узел списка template <typename KeyType> class ListNode { public: ListNode( KeyType& key, ListNode* next ) { mKey = key; mNext = next; }; KeyType& getKey() { return mKey; }; ListNode* getNext() { return mNext; }; void setNext( ListNode* node ) { mNext = node; }; protected: KeyType mKey; ListNode *mNext; }; // шаблонный класс, описывающий список template <typename KeyType, typename ListNodeType> class List { public: List() { mHead = NULL; }; virtual ~List() { clear(); }; void clear(); bool find( KeyType& key, ListNodeType*& foundNode, ListNodeType*& foundPrevNode ); bool remove( KeyType& key ); void push( KeyType& key ) { mHead = new ListNodeType( key, mHead ); }; bool pop( KeyType& key ); ListNodeType* getHead() { return mHead; }; bool isEmpty() { return mHead == NULL; }; protected: ListNodeType* mHead; }; // очищает все элементы списка и высвобождает память template <typename KeyType, typename ListNodeType> void List<KeyType,ListNodeType>::clear() { ListNodeType *n = mHead; while( NULL != n ) { ListNodeType *prev = n; n = n->getNext(); delete prev; } mHead = NULL; }; // находит узел списка по ключу template <typename KeyType, typename ListNodeType> bool List<KeyType,ListNodeType>::find( KeyType& key, ListNodeType*& foundNode, ListNodeType*& foundPrevNode ) { ListNodeType *n = mHead; ListNodeType *prev = NULL; while( NULL != n ) { if ( n->getKey() == key ) { foundNode = n; foundPrevNode = prev; return true; } prev = n; n = n->getNext(); } return false; } // удаляет узел списка по ключу template <typename KeyType, typename ListNodeType> bool List<KeyType,ListNodeType>::remove( KeyType& key ) { ListNodeType *n = NULL; ListNodeType *prev = NULL; if ( find( key, n, prev ) ) { if ( NULL != prev ) { prev->setNext( n->getNext() ); } else { mHead = n->getNext(); } delete n; return true; } return false; }; // удаляет первый элемент template <typename KeyType, typename ListNodeType> bool List<KeyType,ListNodeType>::pop( KeyType& key ) { if ( mHead != NULL ) { key = mHead->getKey(); ListNodeType* n = mHead; mHead = n->getNext(); delete n; return true; } return false; }; // Шаблонный класс, описывающий узел дерева двоичного поиска template <typename KeyType, typename ValueType> class TreeNode { public: TreeNode( KeyType& key ) : mKey(key), mValue(NULL), mParent(NULL), mLeft(NULL), mRight(NULL) {}; TreeNode( KeyType& key, ValueType& value ) : mKey(key), mValue(value), mParent(NULL), mLeft(NULL), mRight(NULL) {}; ~TreeNode() { }; void setLeft( TreeNode* left ) { mLeft = left; }; void setRight( TreeNode* right ) { mRight = right; }; void setParent( TreeNode* parent ) { mParent = parent; }; KeyType getKey() { return mKey; }; ValueType& getValue() { return mValue; }; void setValue( ValueType& value ) { mValue = value; }; TreeNode* getLeft() { return mLeft; }; TreeNode* getRight() { return mRight; }; TreeNode* getParent() { return mParent; }; virtual string getValueAsText() { return ""; }; protected: KeyType mKey; ValueType mValue; TreeNode* mParent; TreeNode* mLeft; TreeNode* mRight; }; // шаблонный класс, описывающий дерево template <typename KeyType, typename NodeType> class Tree { NodeType* mRoot; public: Tree() { mRoot = NULL; }; ~Tree() { clear(); }; void clear() { dispose( mRoot ); mRoot = NULL; }; bool isEmpty() { return mRoot == NULL; }; NodeType* getRoot() { return mRoot; }; NodeType* findOrInsert( KeyType& key, bool insertIfAbsent ); void exclude( NodeType* node ); void remove( NodeType* node ) { exclude( node ); dispose( node ); }; bool remove( KeyType& key, NodeType* removedNodeCopy ); bool remove( KeyType& key ) { return( key, NULL ); }; NodeType* findMax( NodeType* node ); NodeType* findMax() { return findMax( mRoot ); }; protected: void dispose( NodeType* node ); }; // находит узел двоичного дерева по ключу или всталяет, если не найдено template <typename KeyType, typename NodeType> NodeType* Tree<KeyType,NodeType>::findOrInsert( KeyType& key, bool insertIfAbsent ) { enum EInsertAction { eNONE, eROOT, eLEFT, eRIGHT }; EInsertAction doInsert = eNONE; NodeType *p = mRoot; if ( p != NULL ) { for(;;) { if ( key < p->getKey() ) { if ( p->getLeft() != NULL ) { p = p->getLeft(); } else { doInsert = eLEFT; break; } } else if ( key > p->getKey() ) { if ( p->getRight() != NULL ) { p = p->getRight(); } else { doInsert = eRIGHT; break; } } else { return p; } } } else { doInsert = eROOT; } if ( doInsert != eNONE && insertIfAbsent ) { NodeType* q = new NodeType( key ); switch( doInsert ) { case eLEFT : p->setLeft( q ); break; case eRIGHT: p->setRight( q ); break; case eROOT : mRoot = q; break; default: break; } q->setParent( p ); return q; } return NULL; } // находит узел двоичного дерева с максимальным значением ключа template <typename KeyType, typename NodeType> NodeType* Tree<KeyType,NodeType>::findMax( NodeType* node ) { if ( node != NULL ) { NodeType* n = node; while( NULL != n->getRight() ) { n = n->getRight(); } return n; } return NULL; } // исключает узел двоичного дерева из дерева, не удаляя template <typename KeyType, typename NodeType> void Tree<KeyType,NodeType>::exclude( NodeType* node ) { if ( NULL != node ) { NodeType* successor = NULL; if ( node->getLeft() == NULL ) { successor = node->getRight(); } else if ( node->getRight() == NULL ) { successor = node->getLeft(); } else { successor = node->getRight(); NodeType* left = successor->getLeft(); while( left != NULL ) { successor = left; left = successor->getLeft(); } if ( successor->getParent() != node ) { NodeType* right = successor->getRight(); successor->getParent()->setLeft( right ); if ( NULL != right) { successor->getRight()->setParent( successor->getParent() ); } successor->setRight( node->getRight() ); node->getRight()->setParent( successor ); } successor->setLeft( node->getLeft() ); node->getLeft()->setParent( successor ); } if ( node->getParent() == NULL ) { mRoot = successor; } else if ( node->getParent()->getLeft() == node ) { node->getParent()->setLeft( successor ); } else if ( node->getParent()->getRight() == node ) { node->getParent()->setRight( successor ); } else { cout << "fatal error: orphaned# " << "N:" << node << ",P:" << node->getParent() << ",L:" << node->getLeft() << ",R:"<<node->getRight() << endl; return; } if ( NULL != successor ) { successor->setParent( node->getParent() ); } node->setParent( NULL ); node->setLeft( NULL ); node->setRight( NULL ); } } // находит и удаляет узел дерева по ключу template <typename KeyType, typename NodeType> bool Tree<KeyType,NodeType>::remove( KeyType& key, NodeType* removedNodeCopy ) { NodeType* node = findOrInsert( key, false ); if ( node != NULL ) { exclude( node ); if ( removedNodeCopy != NULL ) { *removedNodeCopy = node; } dispose( node ); return true; } return false; } // удаляет узел из памяти template <typename KeyType, typename NodeType> void Tree<KeyType,NodeType>::dispose( NodeType* node ) { if ( node != NULL ) { dispose( node->getLeft() ); dispose( node->getRight() ); delete node; } } // класы-контейнеры на основе высше описанных шаблонных классов class PrioTreeNode; typedef TreeNode<string,PrioTreeNode*> IdTreeNodeBase; class IdTreeNode : public IdTreeNodeBase { public: IdTreeNode( string& id ) : IdTreeNodeBase( id ) {}; virtual ~IdTreeNode() { mValue = NULL; }; IdTreeNode* getLeft() { return (IdTreeNode*)mLeft; }; IdTreeNode* getRight() { return (IdTreeNode*)mRight; }; IdTreeNode* getParent() { return (IdTreeNode*)mParent; }; }; typedef Tree<string,IdTreeNode> IdTree; typedef ListNode<IdTreeNode*> IdListNode; typedef List<IdTreeNode*,IdListNode> IdList; typedef TreeNode<int,IdList*> PrioTreeNodeBase; class PrioTreeNode : public PrioTreeNodeBase { public: PrioTreeNode( int& prio ) : PrioTreeNodeBase( prio ) { mValue = new IdList(); }; virtual ~PrioTreeNode() { delete mValue; }; PrioTreeNode* getLeft() { return (PrioTreeNode*)mLeft; }; PrioTreeNode* getRight() { return (PrioTreeNode*)mRight; }; PrioTreeNode* getParent() { return (PrioTreeNode*)mParent; }; }; typedef Tree<int,PrioTreeNode> PrioTree; // класс, реализующий очередь с приоритетами class PrioQueue { public: PrioQueue() { } ~PrioQueue() { } bool add( string& id, int prio ); bool pop( string& id, int& prio ); bool change( string& id, int prio ); void clear(); private: IdTree mIdTree; PrioTree mPrioTree; }; bool PrioQueue::add( string& id, int prio ) { IdTreeNode *idNode = mIdTree.findOrInsert( id, true ); if ( NULL != idNode ) { PrioTreeNode* prioNode = mPrioTree.findOrInsert( prio, true ); if ( NULL != prioNode ) { prioNode->getValue()->push( idNode ); idNode->setValue( prioNode ); return true; } } return false; } bool PrioQueue::pop( string& id, int& prio ) { bool result = false; PrioTreeNode* prioNode = mPrioTree.findMax(); if ( NULL != prioNode ) { prio = prioNode->getKey(); if ( ! prioNode->getValue()->isEmpty() ) { IdTreeNode* idNode; if ( prioNode->getValue()->pop( idNode ) ) { id = idNode->getKey(); mIdTree.remove( idNode ); if ( prioNode->getValue()->isEmpty() ) { mPrioTree.remove( prioNode ); } result = true; } } } return result; } bool PrioQueue::change( string& id, int prio ) { bool result = false; IdTreeNode* idNode = mIdTree.findOrInsert( id, false ); if ( NULL != idNode ) { PrioTreeNode* oldPrioNode = idNode->getValue(); (void)oldPrioNode->getValue()->remove( idNode ); if ( oldPrioNode->getValue()->isEmpty() ) { mPrioTree.remove( oldPrioNode ); } PrioTreeNode* newPrioNode = mPrioTree.findOrInsert( prio, true ); idNode->setValue( newPrioNode ); newPrioNode->getValue()->push( idNode ); result = true; } return result; } void PrioQueue::clear() { mIdTree.clear(); mPrioTree.clear(); } int main( int argc, char** argv ) { PrioQueue q; string command; string id; int prio; while ( cin >> command ) { if ( command.compare( 0, 1, "#" ) == 0 ) continue; else if ( command == "add" || command == "ADD" ) { cin >> id; cin >> prio; q.add( id, prio ); } else if ( command == "change" || command == "CHANGE" ) { cin >> id; cin >> prio; q.change( id, prio ); } else if ( command == "pop" || command == "POP" ) { if ( q.pop( id, prio ) ) { cout << id << " " << prio << endl; } else { cout << "error" << endl; } } else if ( command == "clear" || command == "CLEAR" ) { q.clear(); } else if ( command == "exit" || command == "EXIT" ) { cout << "bye" << endl; return 0; } } return 0; } |
Компилировать под Gnu C++ 4.7.1
План программы:
При решении задачи учитывалась необходимость быстрого поиска по двум независимым параметрам — ид и приоритета.
Задача решалась в два этапа, сначала был написан вариант с упорядоченным списком, который позволял мгновенный pop, но add и change не удовлетворили тестам на скорость т.к. основывались на поиску путем перебора. Было приято решение использовать алгоритм поиска в двоичном дереве, учитывая, что условия задачи позволяли большой объем памяти.
Текущий вариант основывается шаблонном классе, реализующем двоичное дерево. Очередь содержит два объекта – дерево со строковыми ключами для хранения Id и дерево с числовыми ключами для хранения приоритетов. Каждый узел дерева Id указывает на узел дерева приоритетов. Это позволяет немедленно получить приоритет данного Id без поиска, что необходимо для операции change. В свою очередь, каждый узел дерева приоритетов указывает на узлы дерева Id с данным приоритетом. Это позволяет немедленно определить какой Id надо удалять при выполнении pop. Для обслуживания нескольких Id с равным приоритетом пришлось ввести еще один шаблонный класс – список.
Краткое описание операций
- Add
- Находим или добавляем узел дерева Id (ситуацию если он есть игнорируем по условию задачи)
- Находим или добавляем узел дерева приоритетов
- Для узла дерева Id устанавливаем указатель на узел дерева приоритетов
- Для узла дерева приоритетов добавляем в его список узел дерева Id
- Pop
- Находим узел дерева приоритетов с максимальным ключом
- Удаляем из списка найденного узла первый попавшийся указатель на узел дерева Id, если список
- Если список уже пуст, удаляем узел дерева приоритетов
- Change
- Находим узел дерева Id (ситуацию если его нет игнорируем по условию задачи)
- Берем узел дерева приоритетов, на который указывает узел Id и удаляем из его списка этот узел Id (т.к. приоритет уже будет новый), если список оказался пуст, удаляем также узел приоритета
- Находим или добавляем узел дерева приоритетов с новым приоритетом и устанавливаем связь с узлом Id как в случае добавления.
Ссылка: http://ideone.com/FROADt
Результат по тестам e-olimp:
Неверные ответы объясняются выводом «ok», которого не должно быть. А вот с временем работы нужно как следует подумать. Если выбросить все лишнее, то пройдут еще два теста:
Операции ADD и CHANGE в Вашем связном списке работают медленно — за линейное время O(n). Операция удаления максимума — быстро — O(1). Т.е. две из трех операций тормозят. Вам нужно сильно ускорить поиск по идентификатору и поиск по приоритету. Это поможет сделать, например, бинарная куча, которую мы изучали.
Лучше ее сделать параметризованной (template), чтобы ускорить обе операции.
Я переделал и добился таких же результатов, как и предложенный вами пример – только 2 случая -16, 17 – исчерпали лимит времени. Также мне пришлось убрать полезную проверку на присутствие элементов в add. Очевидно, устранить это можно только введением двоичного поиска, но у меня возникла проблема, что я не могу его использовать со списком, на чём основана ваша и моя очередь. Двоичный поиск применяется там, где элемент доступен непосредственно по индексу, а в списке я должен всё время перебирать элементы, чтобы найти нужный. Означает ли это, что я должен использовать массив вместо списка? Это приведёт к существенной переделке кода и ограничению на размер.
Если в условии написано «Гарантируется, что в очереди нет элемента с таким идентификатором», то почему Вы считаете полезной перепроверку этого условия? Какие осмысленные действия может выполнить программа, уличившая автора задачи в обмане?
Отказываться от списков нет никакой необходимости. Нужно придумать такую реализацию, чтобы требуемые операции ADD, POP и CHANGE работали как можно быстрее. В идеале время их работы не должно зависеть от количества элементов в очереди. Вполне подойдет если некоторые из них будут иметь логарифмическую сложность. Если сложность хоть одной из указанных операций становится линейной, решение не имеет шансов отработать за отведенное время.
Посчитайте, какова сложность Ваших алгоритмов?
Я тестировал программу на довольно длинных последовательностях, где я сам мог ошибиться и не гарантировать этого условия задачи, поэтому я добавил эту проверку, чтобы проверить свои собственные тесты, где я мог ошибиться и допустить не уникальность. Затем, после того, как на Е-олимпе тесты на скорость прошли, даже с этой проверкой, я предпочел ее не убирать во избежании внесения новых ошибок, а я боюсь, что не успею отладить программу в срок снова.
Что касается списков, мой предыдущий вариант, был выполнен на основании вашего примера, который вы мне прислали , но он не проходил последние 2 теста на скорость. Кстати, я проверил ваш пример — он тоже не проходил именно эти 2 теста. По-этому я нашел ваш совет использовать деревья бинарного поиска единственно возможными., тем более что по условию задачи разрешается использовать очень много памяти — 64 МБ, что является намеком на разрешение использовать всяческие вспомогательные структуры данных, ускоряющие поиск. И, действительно, применение деревьев бинарного поиска по Вашему совету спасло ситуацию — теперь все тесты проходят. Если надо, я прикреплю предыдущий вариант программы, но он не удовлетворяет по производительности, как я уже говорил.
Видимо, я неправильно Вас понял. Если тесты проходят (а они теперь проходят), то ничего делать больше не нужно.