【C/C++】胜者树与败者树：多路归并排序的利器

胜者树与败者树：多路归并排序的利器

“胜者树”（Winner Tree）和“败者树”（Loser Tree）都是完全二叉树结构，前者广泛用于多路归并排序和优先级选择问题中，尤其是在归并排序器、堆式选择算法中有重要应用，后者常用于多路归并排序中（例如外部排序），是**胜者树（Winner Tree）**的一种变体。

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1 胜者树简介

1.1 定义

• 胜者树是一棵完全二叉树，每个叶子结点表示一个选手（或者一个序列当前值），
• 每个非叶子节点存储当前两名子选手的胜者（较小者）索引。
• 根节点最终存储的是所有选手中最小值的索引（即冠军/胜者）。

胜者树常用于：

• ✅ 多路归并排序
• ✅ 外部排序（归并多个文件）
• ✅ 堆选择算法（优先队列）
• ✅ 归并K个有序序列/流式合并

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1.2 胜者树结构与原理

1.2.1 构造流程

假设我们要从 k 个已排好序的序列中进行归并，每个序列的当前元素是一个“选手”：

1. 叶子结点存放 k 个选手的索引（或值）。
2. 相邻两个选手进行比较，较小者（胜者）进入上层节点。
3. 一直递归比较，直到根节点，表示最终胜者。
4. 内部节点都记录每次比赛的胜者索引。

1.2.2 归并过程

每轮输出根节点对应的值（最小值），然后用该“选手”所在的序列下一项替代，并自底向上更新路径即可，时间复杂度为 O(log k)。

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2 败者树简介

2.1 背景场景

假设你有多个已经排好序的数组（或文件），想把它们合并成一个大的有序序列。这就叫多路归并。当有很多路时（比如上百个文件），直接线性比较效率很低，败者树可以高效解决这个问题。

2.2 基本定义

• 败者树是一棵完全二叉树，用于记录多路归并中每轮比较的失败者（较大者）。
• 树的内部结点记录的是败者，而不是胜者。
• 整棵树的根节点并不表示最小值，而是指向在当前轮比赛中被打败的选手。

败者树常用于：

• 外部排序中的多路归并排序
• 优先级选择器（类似小根堆）
• K 路归并排序器（如归并 16 个文件，找到最小项）

2.3 败者树结构和原理

假设有 k 个已排好序的输入序列，败者树的构建步骤如下：

2.3.1 树的构造（初始建树）

1. 将 k 个选手（对应于每个输入序列的第一个元素）作为叶子节点。
2. 比较相邻两个选手，将较大的（败者）向上传递，较小的（胜者）继续往上走。
3. 最后胜者会落在“胜者路径”上，沿路的结点记录被其打败的对手（即败者）。
4. 树的根并不是最终胜者，而是最后一次比较的败者。

2.3.2 查询和更新

• 每次输出最小元素（胜者）。
• 然后将该序列推进一个新元素，再从该叶子节点重新进行比较并更新路径，时间复杂度是 O(log k)。

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3 胜者树 vs 败者树

特性	胜者树	败者树
内部节点记录	胜者（最小）	败者（较大）
根节点	胜者（最小值）	败者
插入/更新效率	O(log k)	O(log k)
查询最小值	直接查根	查 tree[0] 对应叶子
代码逻辑复杂度	相对较简单	相对复杂
实际使用	优先队列、归并排序等	多路归并排序优化

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4 胜者树示例代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <climits>
#include <cassert>class WinnerTree {
private:int k;std::vector<int> tree;   // 完全二叉树结构，1-based，tree[1] 是根，tree[0] 存储最终 winner 索引std::vector<int> leaves; // 叶子数组，存储实际数据public:WinnerTree(const std::vector<int>& init) : k(init.size()), leaves(init) {// 树大小需要 2*k（包含叶子和内部节点）tree.resize(2 * k, -1);build();}void build() {// 初始化叶子节点（从 tree[k] 到 tree[2k - 1]）for (int i = 0; i < k; ++i) {tree[k + i] = i;}// 从底向上构建 winner treefor (int i = k - 1; i > 0; --i) {int left = tree[i * 2];int right = tree[i * 2 + 1];if (right == -1 || (left != -1 && leaves[left] <= leaves[right])) {tree[i] = left;} else {tree[i] = right;}}tree[0] = tree[1]; // winner 存到 tree[0]}void adjust(int leafIdx) {int pos = k + leafIdx;while (pos > 1) {int sibling = (pos % 2 == 0) ? pos + 1 : pos - 1;int parent = pos / 2;int left = tree[parent * 2];int right = (parent * 2 + 1 < (int)tree.size()) ? tree[parent * 2 + 1] : -1;if (right == -1 || (left != -1 && leaves[left] <= leaves[right])) {tree[parent] = left;} else {tree[parent] = right;}pos = parent;}tree[0] = tree[1];}int winner() const {return tree[0];}int value(int i) const {return leaves[i];}void popAndReplace(int idx, int newValue) {leaves[idx] = newValue;adjust(idx);}
};int main() {std::vector<int> init = {3, 6, 1, 9};WinnerTree wt(init);for (int i = 0; i < 4; ++i) {int win = wt.winner();std::cout << wt.value(win) << " ";wt.popAndReplace(win, INT_MAX); // 替换为无穷大，模拟归并过程}return 0;
}

输出结果：

1 3 6 9

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5 败者树代码示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <climits>class LoserTree {
private:int k;std::vector<int> tree;   // 内部节点，size k，tree[0]为胜者叶子编号std::vector<int> leaves; // 叶子值，size kpublic:explicit LoserTree(const std::vector<int>& input) : k((int)input.size()), tree(k, -1), leaves(input) {build();}void build() {// 初始化所有内部节点为-1for (int i = 0; i < k; ++i) tree[i] = -1;for (int i = k - 1; i >= 0; --i) {adjust(i);}}void adjust(int s) {int t = s;int parent = (s + k) / 2;while (parent > 0) {if (parent >= k) {std::cerr << "ERROR: parent index out of range: " << parent << std::endl;std::cerr << "k = " << k << std::endl;std::exit(1);}// debug输出当前比较的节点和值// std::cout << "Adjust: parent = " << parent << ", t = " << t//           << ", leaves[t] = " << leaves[t]//           << ", tree[parent] = " << tree[parent]//           << ", leaves[tree[parent]] = " << (tree[parent] == -1 ? INT_MAX : leaves[tree[parent]])//           << std::endl;if (tree[parent] == -1 || leaves[t] < leaves[tree[parent]]) {std::swap(t, tree[parent]);}parent /= 2;}tree[0] = t;}int winner() const { return tree[0]; }int value(int idx) const {if (idx < 0 || idx >= k) return INT_MAX;return leaves[idx];}void popAndReplace(int idx, int newVal) {if (idx < 0 || idx >= k) {std::cerr << "popAndReplace: idx out of range: " << idx << std::endl;return;}leaves[idx] = newVal;adjust(idx);}
};int main() {std::vector<int> input = {20, 15, 30, 10};LoserTree lt(input);std::cout << "Winner index: " << lt.winner() << std::endl;std::cout << "Winner value: " << lt.value(lt.winner()) << std::endl;lt.popAndReplace(lt.winner(), 25);std::cout << "After replacement:" << std::endl;std::cout << "Winner index: " << lt.winner() << std::endl;std::cout << "Winner value: " << lt.value(lt.winner()) << std::endl;return 0;
}

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6 总结

胜者树：

优点	描述
✅ 高效	查询最小值时间复杂度 O(1)，更新 O(log k)
✅ 结构清晰	比堆更适合用于 K 路归并选择
✅ 实用性强	外排序、文件合并、流式排序等场景常见

败者树：

• 败者树是一种适合多路归并排序的高效数据结构。
• 每次找最小值和更新的操作是 O(log k)。
• 通常用于数据量过大、需要外部存储的场景（如磁盘文件排序）。
• 实现比堆略复杂，但效率在多路归并时更优。