Sari la conținut

Deque

Autor: Ștefan-Cosmin Dăscălescu

Probabil că până acum, v-ati obișnuit cu folosirea stivelor și a cozilor în diverse probleme de algoritmică, iar deși aceste structuri de date sunt foarte puternice, fiecare dintre ele are lipsuri care fac implementarea anumitor părți mult mai dificilă.

Acum, se pune întrebarea firească dacă putem să unim proprietățile cozilor și ale stivelor fără să avem de făcut sacrificii majore, iar răspunsul este din fericire un DA clar. În cele ce urmează, vom discuta despre deque, o structură de date care îmbină proprietățile stivelor și ale cozilor, adăugând și facilități în plus.

Introducere și sintaxă#

Definiție

Un deque (double-ended queue) este o structură de date liniară, similară cu stiva și coada, cu proprietatea că suportă operațiile specifice stivelor și cozilor în timp constant. Așa cum îi zice și numele, practic este o coadă dublă, din care putem extrage valori din ambele capete, dar și adăuga în ambele capete.

Observație

Complexitatea menționată mai sus este cel puțin pentru implementarea din STL (std::deque) una amortizată, cu alte cuvinte, \(n\) operații făcute pe un deque vor fi \(O(n)\), dar asta nu garantează faptul că fiecare operație va lua \(O(1)\). Din acest motiv, vom spune că complexitatea unui deque este \(O(1)\) amortizat.

Sintaxă#

La fel ca și în cazul cozilor și stivelor, deque-ul poate fi implementat de mână, folosind un tablou de lungime fixă, adăugând și scoțând valori într-un mod ciclic.

const int QMAX = 100001;
int coada[100001];

int pop() {
  ultim = (ultim - 1 + QMAX) % QMAX;
  return coada[ultim];
}
void pushFront(int e) {
  prim = (prim - 1 + QMAX) % QMAX;
  coada[prim] = e;
}
void pushBack(int e) {
  ultim = (ultim + 1 - QMAX) % QMAX;
  coada[ultim] = e;
}

Totuși, în cele mai multe probleme, ne vom folosi de versiunea specifică limbajului C++, și anume std::deque. Acesta va avea funcțiile specifice cozilor și stivelor, fără a fi nevoie să le implementăm noi.

Lista operatorilor și funcțiilor pe care le puteți folosi în deque este următoarea:

  1. push_back(value): Adaugă value la sfârșitul deque-ului.
  2. push_front(value): Adaugă value la începutul deque-ului.
  3. pop_back(): Scoate valoarea de la sfârșitul deque-ului.
  4. pop_front(): Scoate valoarea de la începutul deque-ului.
  5. front(): Spune care este valoarea de la începutul deque-ului.
  6. back(): Spune care este valoarea de la capătul deque-ului.
  7. empty(): Spune dacă deque-ul este goală.
  8. size(): Returnează dimensiunea deque-ului.

Mai jos puteți găsi exemple de aplicare a funcțiilor în deque.

deque<int> d;
d.push_back(1); // 1
d.push_back(3); // 1 3
d.push_front(2); // 2 1 3
d.push_back(4); // 2 1 3 4
d.push_front(5); // 5 2 1 3 4
d.pop_back(); // 5 2 1 3
d.pop_back(); // 5 2 1
d.pop_front(); // 2 1
cout << d.front() << '\n'; // 2
cout << d.back() << '\n'; // 1
cout << d.size() << '\n'; // 2
if (!d.empty()) {
    cout << "Are valori";
}

Motivație#

Motivul principal pentru care folosim deque-urile este acela de a putea performa operații pe secvențe de lungime fixă, fiind una din tehnicile des folosite în cazul problemelor ce folosesc tehnica sliding window (sau în română, fereastra glisantă), subiect discutat în acest articol. Acesta va fi și scopul principal al acestui articol, acela de a prezenta cele mai des întâlnite aplicații ale deque-ului.

De cele mai multe ori, atunci când vom lucra cu deque-ul, vom vrea să procesăm secvențe de o lungime fixă, având operații bine stabilite și de cele mai multe ori, preluând aspecte de implementare văzute mai devreme când ați studiat principiile de funcționare ale stivei.

Problema deque#

În această problemă, se cere aflarea valorii minime pentru toate subsecvențele de lungime \(k\). O soluție ce merită menționată, dar care nu este optimă, este folosirea unei structuri de tip set care reușește să obțină rezultatul dorit în \(O(n \log n)\).

Pentru soluția optimă, vom proceda în mod similar cum am proceda dacă am vrea să aflăm cea mai apropiată valoare mai mică de la stânga, singura modificare fiind faptul că dacă valoarea minimă este prea departe de poziția curentă, o scoatem. 

#include <fstream>
#include <deque>

using namespace std;

int n, k, v[5000002];

ifstream fin("deque.in");
ofstream fout("deque.out");

int main() {
    fin >> n >> k;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        fin >> v[i];
    }
    deque<int> d;

    long long ans = 0;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        if (!d.empty() && i - d.front() == k) {
            d.pop_front();
        }
        while (!d.empty() && v[i] <= v[d.back()]) {
            d.pop_back();
        }
        d.push_back(i);
        if (i >= k) {
            ans += v[d.front()];
        }
    }

    fout << ans << '\n';
    return 0;
}

Problema Maximum Subarray Sum II#

Pentru a rezolva această problemă, ne folosim de faptul că suma unei subsecvențe între pozițiile \(L\) și \(R\) este \(sp[R] - sp[L-1]\), unde \(sp[i]\) este suma parțială a valorilor până la poziția \(i\). Astfel, dat fiind că trebuie să aflăm suma maximă a unei subsecvențe între lungimile \(a\) și \(b\), la pasul \(i\), vom insera \(sp[i-a]\), folosind deque-ul drept o stivă care ține sumele minime. La fel ca la problema precedentă, dacă poziția \(i - b - 1\) încă este în deque, o vom scoate.

Observație

Vrem să scădem din suma curentă o sumă cât mai mică pentru a avea o sumă maximă, deoarece \(sp[i]\) este elementul fix, invariant.

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

long long v[200002], sp[200002]; 
int main() {
    int n, a, b;
    cin >> n >> a >> b;

    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        cin >> v[i];
        sp[i] = sp[i-1] + v[i];
    }

    deque<int> d;    
    long long ans = -(1LL<<60);

    for (int i = a; i <= n; i++) {
        while (!d.empty() && sp[i - a] <= sp[d.back()]) {
            d.pop_back();
        }
        while (!d.empty() && i - d.front() > b) {
            d.pop_front();
        }
        d.push_back(i-a);
        if (sp[i] - sp[d.front()] >= ans) {
            ans = sp[i] - sp[d.front()];
        }
    }

    cout << ans;

Problema cetate#

Pentru rezolvarea cerinței \(2\) a acestei probleme, putem fixa două linii și să aplicăm o tehnică similară folosind deque, aflând suma maximă folosindu-ne de sumele parțiale de pe coloane, mai jos fiind codul de la cerința a doua, întreaga submisie putând fi accesată aici 

maxSum = LLONG_MIN;
for (linTop = 1; linTop <= n; linTop++) {
    linBot = linTop;
    while (linBot <= n && (linBot - linTop + 1) <= k) {
        /* precalculam suma pe coloane */
        cols[0] = 0;
        for (col = 1; col <= m; col++) {
            cols[col] = cols[col - 1];
            cols[col] += sp[linBot][col] - sp[linBot][col - 1] - sp[linTop - 1][col] + sp[linTop - 1][col - 1];
        }

        /* sliding window */
        d.clear();
        d.push_back(0);
        for (col = 1; col <= m; col++) {
            /* daca a ramas ceva in urma */
            if (d.front() == (col - k - 1)) {
                d.pop_front();
            }

            sum = cols[col] - cols[d.front()];

            bool isGreater = sum > maxSum;
            bool lexicSort = sum == maxSum && (linTop <= maxLin || d.front() + 1 <= maxCol);
            if (isGreater || lexicSort) {
                maxSum = sum;

                maxLin = linTop, maxCol = d.front() + 1;
                maxLin1 = linBot, maxCol1 = col;
            }

            /* ideea de la next greater element */
            while (!d.empty() && cols[col] < cols[d.back()]) {
                d.pop_back();
            }
            d.push_back(col);
        }
        linBot++;
    }
}

cout << maxSum << "\n";
cout << maxLin << " " << maxCol << " " << maxLin1 << " " << maxCol1 << "\n";

Problema secv - ONI 2016 Baraj Juniori#

Pentru a rezolva prima cerință, este îndeajuns să scoatem din șir de la stânga la dreapta toate secvențele de lungime \(K\) cu sumă mai mare decât \(S\).

Pentru cea de-a doua cerință, aflăm pentru fiecare secvență de lungime \(K+1\) diferența dintre suma ei și \(S\), iar dacă valoarea curentă este mai mică decât diferența minimă pentru o secvență din cele (cel mult) \(K+1\) care o acoperă, atunci ea poate fi scoasă. 

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>

using namespace std;

int main() {
    ifstream cin("secv.in");
    ofstream cout("secv.out");

    int c;
    cin >> c;

    int n, k, s;
    cin >> n >> k >> s;

    if (c == 1) {
        vector <long long> st;
        st.push_back(0);
        int sz = 0;
        int cnt = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            int val;
            cin >> val;

            st.push_back(st.back() + val);
            sz++;
            if (sz > k) {
                if (st[sz] - st[sz - k] > s) {
                    for (int j = 1; j <= k; j++) {
                        st.pop_back();
                    }
                    sz -= k;
                    cnt++;
                }
            }
        }

        cout << cnt << '\n';
    }
    else {
        vector <int> vals(n+1);
        vector <int> sp(n+1);
        vector <int> threshold(n+1);
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            cin >> vals[i];
            sp[i] = sp[i-1] + vals[i];
        }

        for (int i = k+1; i <= n; i++) {
            threshold[i - k] = sp[i] - sp[i - (k + 1)] - s;
        }

        int ans = 0;

        deque <int> s;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            if (i <= n-k) {
                while (!s.empty() && threshold[i] > threshold[s.back()]) {
                    s.pop_back();
                }
                s.push_back(i);
            }
            if (!s.empty() && s.front() == i - (k+1)) {
                s.pop_front();
            }

            if (vals[i] < threshold[s.front()]) {
                ans++;
            }
        }

        cout << ans << '\n';
    }
    return 0;
}

Concluzie#

Deque este o structură de date foarte utilă pentru foarte multe probleme ce folosesc sliding window, precum și în ceea ce privește multe optimizări care pleacă de la aplicații care în mod normal s-ar rezolva cu o stivă sau o coadă.

Probleme suplimentare#

Lectură suplimentară#