最大流算法之ISAP

序：
在之前的博文中，我解释了关于最大流的EK与Dinic算法，以及它们的STL/非STL的实现（其实没什么区别）。本次讲解的是ISAP算法。‘I’，指 improved，也就是说ISAP其实是SAP算法的改进。目前没有官方名称。

经过测试，ISAP的效率在洛谷的板子题中远胜于EK和Dinic的，速度大概是它们的2-3倍。代码量实际上并没有多大变化，在20行读入优化与不压行的情况下（即下文代码），200-210行。（如果压行的话，120行问题不大。不要问我为什么，我空行太多…如果加读入优化的话，再加上15行）

本文给出三种实现方式：递归，非递归，STL，非STL，将ISAP用结构体封装，直接调用函数（每种包含几个，实际上并没有什么差别）。

温馨提示：
在开启O2优化后，vector+queue版的ISAP比数组模拟的要快一点点（10ms?，运行时间均在90-110ms之间）。
如果不开优化，数组模拟比STL版要快2-3倍，达到120-150ms，而STL版是350-400ms（多次提交测试）。
什么级别的考试用什么，这应该很好取舍。

---

ISAP的思路：
当我们使用Dinic跑最大流的时候，我们多次进行了BFS分层，直到汇点不在残余网络之中。而ISAP则只BFS分层一次（事实上你都甚至可以不进行分层，也就比分层慢一点）。ISAP通过新的方式分层。

对于任意一个节点x，当跑完数次最大流之后，我们发现所有与它相连的节点都不满足level[i]+1 == level[x]了。出现这种情况，Dinic的做法是重新分层，而ISAP的做法是将level[x]置成min(level[i])+1，从而构造出一条可行流。

当然，这是有边界的。我们从汇点开始分层，源点的层数最高是n-1（一条链），所以当level[st] >= n的时候，算法结束，残余网络中一定不存在可行流了。
这种方式也就解释了为什么可以不预先分层。因为这样，分层的工作就留给了每一次推进可行流之中（否则无法找到可行流）。

注：分层时从汇点分层。

但是如果仅仅是这样，实际上快不了多少。

---

真正的优化在于这两个：gap优化和当前弧(cur)优化。

gap优化：
Dinic的反复分层被改成了ISAP的向上构造，而可行流必须满足level[起点] = level[终点]+1，也就是说如果出现了断层，也就是说在某一level的层级中不存在节点，那么就不会再出现可行流(比如这一层是x，那么流无法从lev.(x-1)流到lev.(x+1))，直接结束算法，比不加它的ISAP快到不知哪里去了。

cur优化（当前弧）:
对于任意一个节点x，假设最大流已经经过它流向下一个节点，而后在某次又流到了它(比如说已经找到一条可行流，从源点重新寻找可行流，再次到达该节点)，那么该可行流一定不能再流到之前流过的那些弧了（那些弧已经流过了，再进去相当于又走了一遍老路，但是上一次已经最大化的利用了它的流量限制，也就是说这次是没有任何意义的行为。）
为了避免这种情况，我们用一个数组cur[]来记录每个节点当前流到的弧的编号（这是边表存储的情况。如果是邻接矩阵存储，那就记录当前流到了下一个节点的编号），当下一次又经过该节点的时候，我们只需要再去尝试没有流过的弧了。

举个例子：
节点5有三条弧，分别是arc1,arc2,arc3 。在之前寻找可行流的过程中，经过了arc1。那么将cur[5] = arc2，下一次便从arc2开始寻找可行流。

可能会有这样一个问题：
凭什么就说arc1就没有再走的价值了，那如果上一次通过arc1流向了节点6，而可行流最终是通过节点6的某一条弧流向汇点的，但是节点6不一定只有一条弧啊，下一次还可以走节点6的其他弧。

解释也很简单，这是递归的过程，如果流已经流回到了节点5，那么说明节点6以及arc1所抵达的所有节点都已经进行了这项操作。

当然，如果出现对某结点重新分层的时候，要将该节点的cur置回0（因为当前已经到尾了）。

---

代码实现：
1.STL+DFS+非结构体版：

/*
About: Max_flow ISAP STL+DFS
Auther: kongse_qi
Date: 2017/04/30
*/

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctype.h>
#include <queue>

#define maxn 10005
#define maxm 200005
#define INF 0x3f3f3f

#define read(x) Get_Int(), x = in
#define p_b(x) push_back(x)

using namespace std;

struct Edge{
    int st, en, weight;
    Edge(){}
    Edge(int s, int e, int w):
        st(s), en(e), weight(w){}
}edge[maxm];

vector<int> arc[maxn];
typedef vector<int>::iterator iterator_t;

int n, m, st, en, tot;
int max_flow;
int num[maxn];
int dis[maxn];
int cur[maxn];
int pre[maxn];

char *X, *Buffer, c;
int in;

void Get_All()
{
    fseek(stdin, 0, SEEK_END);
    int file_lenth = ftell(stdin);
    rewind(stdin);
    Buffer = (char*)malloc(file_lenth*sizeof(char));
    fread(Buffer, 1, file_lenth, stdin);
    X = Buffer;
    c = *X;
    return ;
}

void Get_Int()
{
    in = 0;
    while(!isdigit(c))  c = *++X;
    while(isdigit(c))
    {
        in = in*10+c-'0';
        c = *++X;
    }
    return ;
}

void Init()
{
    //freopen("test.in", "r", stdin);
    Get_All();
    tot = -1;
    read(n), read(m);
    read(st), read(en);
    int a, b, c;
    for(int i = 0; i != m; ++i)
    {
        read(a), read(b), read(c);
        edge[++tot] = Edge(a, b, c);
        edge[++tot] = Edge(b, a, 0);
        arc[a].p_b(tot-1);
        arc[b].p_b(tot);
    }
    return ;
}

bool Bfs()
{
    bool wh[maxn];
    memset(wh, 0, sizeof wh);
    queue<int> q;
    q.push(en);
    wh[en] = true;
    while(!q.empty())
    {
        int cur = q.front(); q.pop();
        for(iterator_t i = arc[cur].begin(); i != arc[cur].end(); ++i)
        {
            Edge& ne = edge[*i];
            if(wh[ne.en] == false)
            {
                dis[ne.en] = dis[cur]+1;
                q.push(ne.en);
                wh[ne.en] = true;
            }
        }
    }
    if(wh[st] == false) return false;
    return true;
}

int Augment(int x)
{
    int minn = INF;
    while(x != st)
    {
        Edge& e = edge[pre[x]];
        minn = min(minn, e.weight);
        x = e.st;
    }
    x = en;
    while(x != st)
    {
        int curr = pre[x];
        edge[curr].weight -= minn;
        edge[curr^1].weight += minn;
        x = edge[curr].st;
    }
    return minn;
}

void Advance(int x)
{
    bool wh = false;
    for(int& i = cur[x]; i != arc[x].size(); ++i)
    {
        Edge& e = edge[arc[x][i]];
        if(e.weight > 0 && dis[x] == dis[e.en]+1)
        {
            wh = true;
            pre[e.en] = arc[x][i];
            x = e.en;
            break;
        }
    }
    if(wh == false)
    {
        int m = n-1;
        for(iterator_t i = arc[x].begin(); i != arc[x].end(); ++i)
        {
            Edge& e = edge[*i];
            if(e.weight > 0)
            {
                m = min(m, dis[e.en]);
            }
        }
        if(--num[dis[x]] == 0)  return ;
        ++num[dis[x] = m+1];
        cur[x] = 0;
        if(x != st) x = edge[pre[x]].st;
    }
    if(x == en)
    {
        max_flow += Augment(en);
        x = st;
    }
    if(dis[st] >= n)    return ;
    Advance(x);
    return ;
}

int Isap()
{
    if(Bfs())
    {
        for(int i = 1; i != n+1; ++i)
        {
            ++num[dis[i]];
        }
        Advance(st);
    }
    else return -1;
    return max_flow;
}

int main()
{
    Init();
    printf("%d\n", Isap());
    return 0;
}

2.struct+非STL+BFS版 (不开O2它最快)

/*
About: Max_flow ISAP struct 非STL+BFS
Auther: kongse_qi
Date: 2017/04/30
*/

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctype.h>

#define maxn 10005
#define maxm 200005
#define INF 0x3f3f3f

#define read(x) Get_Int(), x = in

using namespace std;

void Get_Int();
void Get_All();

char *X, *Buffer, c;
int in;

struct Edge{
    int st, en, weight;
    Edge(){}
    Edge(int s, int e, int w):
        st(s), en(e), weight(w){}
};

struct Isap{
    int st, en, tot, n, m;
    int max_flow;
    int num[maxn];
    int dis[maxn];
    int cur[maxn];
    int pre[maxn];
    int arc[maxn][maxn/50];
    int amount[maxn];
    Edge edge[maxm];

    void Init(int st, int en, int n, int m)
    {
        tot = -1;
        this -> st = st; this -> en = en;
        this -> n = n; this -> m = m;
        max_flow = 0;
        memset(cur, 0, sizeof cur);
        memset(num, 0, sizeof num);
        memset(amount, -1, sizeof amount);
        return ;
    }

    void Add_edge(int s, int e, int w)
    {
        edge[++tot] = Edge(s, e, w);
        edge[++tot] = Edge(e, s, 0);
        arc[s][++amount[s]] = tot-1;
        arc[e][++amount[e]] = tot;
        return ;
    }

    bool Bfs()
    {
        bool wh[maxn];
        memset(wh, 0, sizeof wh);
        int q[maxn], st_pos = -1, en_pos = -1;
        q[++en_pos] = en;
        wh[en] = true;
        while(st_pos != en_pos)
        {
            int cur = q[++st_pos];
            for(int i = 0; i != amount[cur]+1; ++i)
            {
                Edge& ne = edge[arc[cur][i]];
                if(wh[ne.en] == false)
                {
                    dis[ne.en] = dis[cur]+1;
                    q[++en_pos] = ne.en;
                    wh[ne.en] = true;
                }
            }
        }
        if(wh[st] == false) return false;
        return true;
    }

    int Augment(int x)
    {
        int minn = INF;
        while(x != st)
        {
            Edge& e = edge[pre[x]];
            minn = min(minn, e.weight);
            x = e.st;
        }
        x = en;
        while(x != st)
        {
            int curr = pre[x];
            edge[curr].weight -= minn;
            edge[curr^1].weight += minn;
            x = edge[curr].st;
        }
        return minn;
    }

    void Advance(int x)
    {
        while(dis[st] < n)
        {
            bool wh = false;
            for(int& i = cur[x]; i != amount[x]+1; ++i)
            {
                Edge& e = edge[arc[x][i]];
                if(e.weight > 0 && dis[x] == dis[e.en]+1)
                {
                    wh = true;
                    pre[e.en] = arc[x][i];
                    x = e.en;
                    break;
                }
            }
            if(wh == false)
            {
                int m = n-1;
                for(int i = 0; i != amount[x]+1; ++i)
                {
                    Edge& e = edge[arc[x][i]];
                    if(e.weight > 0)
                    {
                        m = min(m, dis[e.en]);
                    }
                }
                if(--num[dis[x]] == 0)  return ;
                ++num[dis[x] = m+1];
                cur[x] = 0;
                if(x != st) x = edge[pre[x]].st;
            }
            if(x == en)
            {
                max_flow += Augment(en);
                x = st;
            }
        }
        return ;
    }

    int Max_flow()
    {
        Bfs();
        for(int i = 1; i != n+1; ++i)
        {
            ++num[dis[i]];
        }
        Advance(st);
        return max_flow;
    }
}doit;

int main()
{
    int a, b, c, n, m, st, en;
    freopen("test.in", "r", stdin);
    Get_All();
    read(n), read(m);
    read(st), read(en);
    doit.Init(st, en, n, m);
    for(int i = 0; i != m; ++i)
    {
        read(a), read(b), read(c);
        doit.Add_edge(a, b, c);
    }
    printf("%d\n", doit.Max_flow());
    return 0;
}

void Get_All()
{
    fseek(stdin, 0, SEEK_END);
    int file_lenth = ftell(stdin);
    rewind(stdin);
    Buffer = (char*)malloc(file_lenth*sizeof(char));
    fread(Buffer, 1, file_lenth, stdin);
    X = Buffer;
    c = *X;
    return ;
}

void Get_Int()
{
    in = 0;
    while(!isdigit(c))  c = *++X;
    while(isdigit(c))
    {
        in = in*10+c-'0';
        c = *++X;
    }
    return ;
}

3 struct+STL+BFS版

/*
About: Max_flow ISAP struct STL+BFS
Auther: kongse_qi
Date: 2017/04/30
*/

#pragma GCC optimize(3)
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctype.h>
#include <queue>

#define maxn 10005
#define maxm 200005
#define INF 0x3f3f3f

#define read(x) Get_Int(), x = in
#define p_b(x) push_back(x)

using namespace std;

void Get_Int();
void Get_All();

char *X, *Buffer, c;
int in;

typedef vector<int>::iterator iterator_t;

struct Edge{
      int st, en, weight;
      Edge(){}
    Edge(int s, int e, int w):
        st(s), en(e), weight(w){}
};

struct Isap{
    int st, en, tot, n, m;
    int max_flow;
    int num[maxn];
    int dis[maxn];
    int cur[maxn];
    int pre[maxn];
    vector<int> arc[maxn];
    Edge edge[maxm];

    void Init(int st, int en, int n, int m)
    {
        tot = -1;
        this -> st = st; this -> en = en;
        this -> n = n; this -> m = m;
        for(int i = 1; i != n+1; ++i)
        {
            arc[i].clear();
        }
        max_flow = 0;
        memset(cur, 0, sizeof cur);
        memset(num, 0, sizeof num);
        return ;
    }

    void Add_edge(int s, int e, int w)
    {
        edge[++tot] = Edge(s, e, w);
        edge[++tot] = Edge(e, s, 0);
        arc[s].p_b(tot-1);
        arc[e].p_b(tot);
        return ;
    }

    bool Bfs()
    {
        bool wh[maxn];
        memset(wh, 0, sizeof wh);
        queue<int> q;
        q.push(en);
        wh[en] = true;
        while(!q.empty())
        {
            int cur = q.front(); q.pop();
            for(iterator_t i = arc[cur].begin(); i != arc[cur].end(); ++i)
            {
                Edge& ne = edge[*i];
                if(wh[ne.en] == false)
                {
                    dis[ne.en] = dis[cur]+1;
                    q.push(ne.en);
                    wh[ne.en] = true;
                }
            }
        }
        if(wh[st] == false)    return false;
        return true;
    }

    int Augment(int x)
    {
        int minn = INF;
        while(x != st)
        {
            Edge& e = edge[pre[x]];
            minn = min(minn, e.weight);
            x = e.st;
        }
        x = en;
        while(x != st)
        {
            int curr = pre[x];
            edge[curr].weight -= minn;
            edge[curr^1].weight += minn;
            x = edge[curr].st;
        }
        return minn;
    }

    void Advance(int x)
    {
        while(dis[st] < n)
        {
            bool wh = false;
            for(int& i = cur[x]; i != arc[x].size(); ++i)
            {
                Edge& e = edge[arc[x][i]];
                if(e.weight > 0 && dis[x] == dis[e.en]+1)
                {
                    wh = true;
                    pre[e.en] = arc[x][i];
                    x = e.en;
                    break;
                }
            }
            if(wh == false)
            {
                int m = n-1;
                for(iterator_t i = arc[x].begin(); i != arc[x].end(); ++i)
                {
                    Edge& e = edge[*i];
                    if(e.weight > 0)
                    {
                        m = min(m, dis[e.en]);
                    }
                }
                if(--num[dis[x]] == 0)    return ;
                ++num[dis[x] = m+1];
                cur[x] = 0;
                if(x != st)    x = edge[pre[x]].st;
            }
            if(x == en)
            {
                max_flow += Augment(en);
                x = st;
            }
        }
        return ;
    }

    int Max_flow()
    {
        Bfs();
        for(int i = 1; i != n+1; ++i)
        {
            ++num[dis[i]];
        }
        Advance(st);
        return max_flow;
    }
}doit;

int main()
{
    int a, b, c, n, m, st, en;
    //freopen("test.in", "r", stdin);
    Get_All();
    read(n), read(m);
    read(st), read(en);
    doit.Init(st, en, n, m);
    for(int i = 0; i != m; ++i)
    {
        read(a), read(b), read(c);
        doit.Add_edge(a, b, c);
    }
    printf("%d\n", doit.Max_flow());
    return 0;
}

void Get_All()
{
    fseek(stdin, 0, SEEK_END);
    int file_lenth = ftell(stdin);
    rewind(stdin);
    Buffer = (char*)malloc(file_lenth*sizeof(char));
    fread(Buffer, 1, file_lenth, stdin);
    X = Buffer;
    c = *X;
    return ;
}

void Get_Int()
{
    in = 0;
    while(!isdigit(c))    c = *++X;
    while(isdigit(c))
    {
        in = in*10+c-'0';
        c = *++X;
    }
    return ;
}

结构体版实际上就是将函数作为结构体的成员函数运行，在主函数中调用时逻辑会更加清晰（分区很明显）。

---

实测结果：

O2优化情况下：
1.耗时：115ms
内存：17281kb

2.耗时：80ms
内存：23304kb

3.耗时：103ms
内存：17281kb

其实差距不大。

不开O2的情况下：

1.耗时：322ms
内存：17429kb

2.耗时：141ms
内存：23304kb

3.耗时：323ms
内存：17292kb
（结果不一定十分稳定）
因此不开优化的STL是非常不建议使用的。
STL的快速与便捷只有在开启优化的情况下才能兼得。

---

附压行代码：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <ctype.h>
#include <vector>
#define maxn 10005
#define maxm 200005
#define INF 0x3f3f3f
using namespace std;
struct Edge{
    int st, en, weight;
    Edge(){}
    Edge(int s, int e, int w):
        st(s), en(e), weight(w){}
};
struct Isap{
    int st, en, tot, n, m, max_flow;
    int num[maxn], dis[maxn], cur[maxn], pre[maxn], arc[maxn][100], amount[maxn];
    vector<Edge> edge;
    void Init(int st, int en, int n, int m){
        tot = -1;
        this -> st = st; this -> en = en;
        this -> n = n; this -> m = m;
        max_flow = 0;
        edge.resize(m*2);
        memset(cur, 0, sizeof cur);
        memset(num, 0, sizeof num);
        memset(amount, -1, sizeof amount);
    }
    void Add_edge(int s, int e, int w){
        edge[++tot] = Edge(s, e, w);
        edge[++tot] = Edge(e, s, 0);
        arc[s][++amount[s]] = tot-1;
        arc[e][++amount[e]] = tot;
    }
    void Bfs(){
        bool wh[maxn] = {0};
        int q[maxn], st_pos = -1, en_pos = -1;
        q[++en_pos] = en;
        wh[en] = true;
        while(st_pos != en_pos){
            int cur = q[++st_pos];
            for(int i = 0; i != amount[cur]+1; ++i){
                Edge ne = edge[arc[cur][i]];
                if(wh[ne.en] == false){
                    dis[ne.en] = dis[cur]+1;
                    q[++en_pos] = ne.en;
                    wh[ne.en] = true;
                }
            }
        }
    }
    int Augment(){
        int minn = INF, curr;
        Edge e;
        for(int x = en; x != st; ){
            e = edge[pre[x]];
            minn = min(minn, e.weight);
            x = e.st;
        }
        for(int x = en; x != st;){
            curr = pre[x];
            edge[curr].weight -= minn;
            edge[curr^1].weight += minn;
            x = edge[curr].st;
        }
        return minn;
    }
    void Advance(int x){
        while(dis[st] < n){
            bool wh = false;
            for(int& i = cur[x]; i != amount[x]+1; ++i){
                Edge &e = edge[arc[x][i]];
                if(e.weight > 0 && dis[x] == dis[e.en]+1){
                    wh = true;
                    pre[e.en] = arc[x][i];
                    x = e.en;
                    break;
                }
            }
            if(wh == false){
                int minn = n-1;
                for(int i = 0; i != amount[x]+1; ++i){
                    Edge& e = edge[arc[x][i]];
                    if(e.weight > 0)
                        minn = min(minn, dis[e.en]);
                }
                if(--num[dis[x]] == 0)  return ;
                ++num[dis[x] = minn+1];
                cur[x] = 0;
                if(x != st) x = edge[pre[x]].st;
            }
            if(x == en) {
                max_flow += Augment();
                x = st;
            }
        }
    }
    int Max_flow(){
        Bfs();
        for(int i = 1; i != n+1; ++i)
            ++num[dis[i]];
        Advance(st);
        return max_flow;
    }
}doit;
int main(){
    int a, b, c, n, m, st, en;
    //freopen("test.in", "r", stdin);
    scanf("%d%d", &n, &m);
    st = 1, en = n;
    doit.Init(st, en, n, m);
    for(int i = 0; i != m; ++i){
        scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
        doit.Add_edge(a, b, c);
    }
    printf("%d\n", doit.Max_flow());
    return 0;
}

（121行total）

---

自此结束。
箜瑟_qi 2017.04.30 23:20
四月最后一篇。