c++算法入门：基础篇

第1章 枚举算法

枚举，说白了就是 把所有可能的情况都试一遍。你想啊，如果一个问题可能的答案只有有限的几种，那最直接的办法不就是挨个儿试吗？暴力出奇迹嘛！

1.1 什么时候用枚举？

  • 问题的可能情况是 有限的
  • 数据范围 比较小（一般在几万到几十万以内）
  • 实在想不出更好的算法了（保底方案）

1.2 例题1：求1~100中所有能被3整除的数

这题太简单了，直接遍历1到100，判断每个数能不能被3整除就行。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        if (i % 3 == 0)
        {
            cout << i << " ";
        }
    }
    return 0;
}

运行结果会输出：3 6 9 12 … 99。这就是最基础的枚举——穷举所有可能，然后筛选出符合条件的。

1.3 例题2：百钱买百鸡（经典枚举题）

这是中国古代数学家张丘建在《算经》里提出的问题：

公鸡5文钱一只，母鸡3文钱一只，小鸡3只1文钱。用100文钱买100只鸡，问公鸡、母鸡、小鸡各多少只？

我们设公鸡x只，母鸡y只，小鸡z只，那么：

  • x + y + z = 100（总数量）
  • 5x + 3y + z/3 = 100（总价钱，注意z必须是3的倍数）

最暴力的做法：x从0到100枚举，y从0到100枚举，z = 100 - x - y，然后检查价格条件。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    for (int x = 0; x <= 100; x++)
    {
        for (int y = 0; y <= 100; y++)
        {
            int z = 100 - x - y;
            if (z >= 0 && z % 3 == 0 && 5 * x + 3 * y + z / 3 == 100)
            {
                cout << "公鸡:" << x << " 母鸡:" << y << " 小鸡:" << z << endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

优化思路：其实不需要枚举到100。公鸡5文一只，最多20只；母鸡3文一只，最多33只。这样能大大减少枚举次数：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    for (int x = 0; x <= 20; x++)
    {
        for (int y = 0; y <= 33; y++)
        {
            int z = 100 - x - y;
            if (z >= 0 && z % 3 == 0 && 5 * x + 3 * y + z / 3 == 100)
            {
                cout << "公鸡:" << x << " 母鸡:" << y << " 小鸡:" << z << endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

1.4 枚举的要点总结

  1. 确定枚举范围——能缩多小缩多小
  2. 确定枚举条件——要检查哪些约束
  3. 注意边界——小心数组越界、整数溢出

练习题：

第2章 模拟算法

模拟，就是 按照题目描述的过程，一步步用代码实现出来。题目怎么说，你就怎么写，不需要想什么高深的数学公式，老老实实按规则来就行。

很多竞赛题看起来复杂，其实就是让你模拟一个过程——比如模拟排队、模拟游戏规则、模拟物理过程等等。

2.1 例题：开关灯问题

有n盏灯，编号1~n。第一个人把所有灯都打开（操作开关）；第二个人按下编号为2的倍数的开关；第三个人按下编号为3的倍数的开关……以此类推，一共k个人。问最后哪些灯是亮着的？

这道题就是典型的模拟——我们用一个数组表示灯的状态，然后模拟每个人的操作。

#include <iostream>
using namespace std;

bool light[1010]; // false表示关，true表示开

int main()
{
    int n, k;
    cin >> n >> k;

    // 模拟每个人
    for (int person = 1; person <= k; person++)
    {
        // 每个人操作自己编号倍数的灯
        for (int j = person; j <= n; j += person)
        {
            light[j] = !light[j]; // 取反操作：关变开，开变关
        }
    }

    // 输出亮着的灯
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        if (light[i] == true)
        {
            cout << i << " ";
        }
    }
    return 0;
}

2.2 例题2：约瑟夫问题

n个人围成一圈，从第一个人开始报数，数到m的人出列，然后从下一个人重新开始报数，直到所有人都出列。求输出出列顺序。

这也是典型的模拟，可以用数组标记每个人是否还在圈里。

#include <iostream>
using namespace std;

bool inCircle[110]; // true表示还在圈里

int main()
{
    int n, m;
    cin >> n >> m;

    for (int i = 1; i <= n; i++) inCircle[i] = true;

    int count = 0;     // 报数计数器
    int outCount = 0;  // 出列人数
    int idx = 1;       // 当前报数的人

    while (outCount < n)
    {
        if (inCircle[idx] == true)
        {
            count++;
            if (count == m)
            {
                cout << idx << " ";
                inCircle[idx] = false;
                outCount++;
                count = 0;
            }
        }
        idx++;
        if (idx > n) idx = 1;
    }
    return 0;
}

2.3 模拟的要点总结

  1. 读懂题目规则——把题目里的流程搞清楚
  2. 选择合适的数据结构——数组、标记、队列等
  3. 注意边界条件——比如约瑟夫问题的"围成一圈"要用取模或判断
  4. 仔细调试——模拟题容易写错细节

练习题：

第3章 高精度算法

3.1 为什么需要高精度？

先看几个数：

  • int 最大能存约 21亿（2^31-1 ≈ 2.1×10^9）
  • long long 最大能存约 9×10^18（2^63-1）
  • 但如果要算 100的阶乘 呢？100! ≈ 9.3×10^157，long long 根本装不下！

这时候就需要 高精度算法——用数组来模拟数字的每一位，像小学做竖式计算一样，一位一位地算。

3.2 高精度加法

回忆一下小学的竖式加法：

  1 2 3
+  4 5 6
--------
= 5 7 9

从个位开始，逐位相加，满十进一。我们用数组来模拟这个过程，为了方便，把数字倒着存（个位在数组下标0的位置），这样进位的时候只需要往后扩展。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int a[210], b[210], c[210]; // a + b = c

int main()
{
    string s1, s2;
    cin >> s1 >> s2;

    int len1 = s1.size();
    for (int i = 0; i < len1; i++)
        a[i] = s1[len1 - 1 - i] - 48;

    int len2 = s2.size();
    for (int i = 0; i < len2; i++)
        b[i] = s2[len2 - 1 - i] - 48;

    int len = max(len1, len2);
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        c[i] += a[i] + b[i];
        if (c[i] >= 10)
        {
            c[i + 1] += c[i] / 10;
            c[i] %= 10;
        }
    }

    if (c[len] > 0) len++;

    for (int i = len - 1; i >= 0; i--)
        cout << c[i];
    return 0;
}

核心思想：用数组的每一个元素存一位数字，从低位到高位逐位计算，进位处理是关键！

3.3 高精度减法

减法比加法稍微复杂一点，因为涉及 借位。另外要处理谁减谁——如果被减数小于减数，结果就是负数。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int a[210], b[210], c[210];

bool cmp(string s1, string s2)
{
    if (s1.size() != s2.size())
        return s1.size() > s2.size();
    return s1 >= s2;
}

int main()
{
    string s1, s2;
    cin >> s1 >> s2;

    bool negative = false;
    if (!cmp(s1, s2))
    {
        swap(s1, s2);
        negative = true;
    }

    int len1 = s1.size();
    for (int i = 0; i < len1; i++)
        a[i] = s1[len1 - 1 - i] - 48;

    int len2 = s2.size();
    for (int i = 0; i < len2; i++)
        b[i] = s2[len2 - 1 - i] - 48;

    for (int i = 0; i < len1; i++)
    {
        if (a[i] < b[i])
        {
            a[i + 1]--;
            a[i] += 10;
        }
        c[i] = a[i] - b[i];
    }

    int len = len1;
    while (len > 1 && c[len - 1] == 0)
        len--;

    if (negative) cout << "-";
    for (int i = len - 1; i >= 0; i--)
        cout << c[i];
    return 0;
}

3.4 总结

高精度核心就三点：

  1. 用字符串输入，因为数字太大
  2. 倒着存到数组，方便进位/借位
  3. 模拟竖式运算，逐位处理

学会了加法和减法，乘法和除法的思路也是一样的——用数组模拟竖式。

练习题：

第4章 递推

4.1 什么是递推

递推，就是从已知条件出发，利用递推关系式一步步推出未知结果。

递推有三个要素：

  1. 初始条件——已知的起点值
  2. 递推关系——当前项与前面项的关系式
  3. 递推方向——顺推（从前到后）或逆推（从后到前）

4.2 顺推

由初始条件开始，按顺序推导出后续结果，这叫顺推。

最经典的例子：斐波那契数列

斐波那契数列是这样的：1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21…

  • 第1项：F(1) = 1
  • 第2项：F(2) = 1
  • 从第3项开始：F(n) = F(n-1) + F(n-2)（前两项之和）
#include <iostream>
using namespace std;

int a[110];

int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    a[1] = 1;   // 初始条件
    a[2] = 1;

    for (int i = 3; i <= n; i++)
    {
        a[i] = a[i - 1] + a[i - 2]; // 递推关系
    }
    
    cout << a[n];

    return 0;
}

另一个例子：上楼梯问题

有n级台阶，一次可以上1级或2级，问上到第n级有多少种不同的走法？

思考：要上到第n级，可以从第(n-1)级跨1步上来，也可以从第(n-2)级跨2步上来。
所以：F(n) = F(n-1) + F(n-2)，初始条件F(1)=1, F(2)=2。

#include <iostream>
using namespace std;

int f[50];

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    
    f[1] = 1;  // 1级台阶：1种走法（跨1步）
    f[2] = 2;  // 2级台阶：2种走法（1+1 或 2）
    
    for (int i = 3; i <= n; i++)
    {
        f[i] = f[i - 1] + f[i - 2];
    }
    
    cout << f[n] << endl;
    
    return 0;
}

4.3 逆推

从结果反推回初始条件，叫逆推。

例子：猴子吃桃问题

猴子第一天摘了若干桃子，当天吃了一半加一个；第二天又吃了剩下的一半加一个；以后每天如此。到第n天早上想再吃时，只剩下1个桃子了。问第一天摘了多少个桃子？

逆推思路：第n天剩1个，说明前一天剩下的数量 = (第n天的数量 + 1) × 2。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    
    int peach = 1; // 第n天早上只剩下1个
    
    for (int i = n - 1; i >= 1; i--)
    {
        peach = (peach + 1) * 2; // 逆推：前一天 = (当天 + 1) × 2
    }
    
    cout << peach << endl;
    
    return 0;
}

4.4 递推的要点

  1. 找递推关系是最关键的一步——多举几个例子找规律
  2. 确定初始条件——边界值要算对
  3. 注意数据范围——斐波那契数列增长很快，int可能不够用

练习题：

第5章 递归

5.1 什么是递归

递归，就是函数自己调用自己。你可以想象成"俄罗斯套娃"——打开一个，里面还有一个。

递归由两部分组成：

  1. 递进——函数不断调用自己，深入下去
  2. 回归——到达终止条件后，一层层返回结果

5.2 递进

函数自己调用自己，如果没有终止条件就会无限循环下去（栈溢出）。

#include <iostream>
using namespace std;

void mf()
{
    cout << "进入下一层" << endl;
    mf(); // 自己调用自己
}

int main()
{
    mf();
    return 0;
}

运行这个程序会发现它在输出很多行后崩溃退出——因为栈空间是有限的，无限递归会把栈撑爆。

5.3 回归

加一个终止条件，让递归在合适的时候"回头"：

#include <iostream>
using namespace std;

void mf(int x)
{
    cout << x << ": 进入下一层" << endl;
    x++;
    if (x < 5)      // 加条件限制
    {
        mf(x);      // 递进
    }
    return;         // 回归
}

int main()
{
    mf(0);
    return 0;
}

5.4 递进 + 回归 = 递归

下面的例子展示了递进时输出和回归时输出的区别：

#include <iostream>
using namespace std;

void fun(int x)
{
    cout << x << " "; // 递进时输出
    x++;
    if (x <= 10)
    {
        fun(x);
    }
    return;
}

void fun2(int n)
{
    if (n < 10)
    {
        fun2(n + 1);
    }
    int a = 11 - n;
    cout << a << " "; // 回归时输出
    return;
}

int main()
{
    fun(1);  // 输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    cout << endl;
    fun2(1); // 输出：10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

fun先输出再递归，所以是从小到大输出；fun2先递归再输出，所以是从大到小输出。

5.5 递归的经典应用：斐波那契数列

斐波那契数列用递归来实现非常直观：

#include <iostream>
using namespace std;

int fib(int n)
{
    if (n == 1 || n == 2)
        return 1;                   // 终止条件
    return fib(n - 1) + fib(n - 2); // 递归调用
}

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    cout << fib(n) << endl;
    return 0;
}

注意：这个递归实现虽然好理解，但效率很低——因为有很多重复计算。比如算fib(5)要算fib(4)和fib(3)，算fib(4)又要算fib(3)和fib(2)，fib(3)被重复算了两次。n越大，重复越严重。这就是为什么实际应用中常用递推（循环）代替递归。

5.6 递归 vs 递推

对比项 递归 递推
实现方式 函数调用自身 循环迭代
代码可读性 简洁、直观 稍复杂
效率 较低（有函数调用开销） 高
可能的问题 栈溢出 无
适用场景 树形结构、分治 线性递推

5.7 递归的要点

  1. 必须有终止条件——否则会无限递归
  2. 每次递归都要向终止条件靠近——参数要变化
  3. 递归能解决的问题通常有重复子结构——一个大问题可以拆成小问题

练习题：

第6章 贪心

6.1 贪心思想

贪心，顾名思义就是 只顾眼前——在每一步都做出当前看起来最优的选择，期望最终得到全局最优解。

用大白话说就是：“先挑最好的，剩下的再说”。

但要注意：贪心并不是万能的！只有满足 最优子结构 和 贪心选择性质 的问题才能用贪心。

6.2 例题1：找零问题

有面值100元、50元、20元、10元、5元、1元的人民币，要凑出n元钱，问最少需要多少张纸币？

这个问题的贪心策略很简单：能用大面额就用大面额。比如要凑378元，先拿3张100（剩78），再拿1张50（剩28），再拿1张20（剩8），再拿1张5（剩3），最后拿3张1元。一共3+1+1+1+3=9张。

为什么这样是最优的？因为人民币的面额设计使得大面额是小面额的整数倍，所以用大面额永远不会亏。

#include <iostream>
using namespace std;

int money[] = {100, 50, 20, 10, 5, 1}; // 面额从大到小

int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    int count = 0;
    for (int i = 0; i < 6; i++)
    {
        count += n / money[i];
        n %= money[i];
    }

    cout << count << endl;
    return 0;
}

6.3 例题2：活动安排（区间调度）

有n个活动，每个活动有开始时间s[i]和结束时间e[i]。一个人同时只能参加一个活动，问最多能参加多少个活动？

贪心策略：按结束时间最早排序，每次选结束时间最早且不与之前冲突的活动。

为什么？因为结束时间越早，留给后面的时间就越多。这就是典型的"局部最优→全局最优"。

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

struct Activity
{
    int start, end;
};

bool cmp(Activity a, Activity b)
{
    return a.end < b.end;
}

Activity act[1010];

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> act[i].start >> act[i].end;

    sort(act + 1, act + n + 1, cmp);

    int ans = 0;
    int lastEnd = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        if (act[i].start >= lastEnd)
        {
            ans++;
            lastEnd = act[i].end;
        }
    }

    cout << ans << endl;
    return 0;
}

6.4 注意事项：贪心不一定正确！

贪心虽然好用，但 不是所有问题都能用贪心。比如下面这个例子：

背包问题：有一个容量为10的背包，有三样东西——A:重量6价值12，B:重量5价值10，C:重量5价值10。要装价值最大？

如果按"性价比"贪心，A的性价比是12/6=2，B和C都是2，都一样。但如果按"重量从小到大"贪心，选B+C=价值20，而选A+C=价值22（但超重了）。实际上选B+C=20是最优解，但如果物品换成A:重量6价值9，B:重量5价值10，C:重量5价值10，贪心就会选错。

所以 用贪心之前一定要确认问题是否满足贪心性质。

6.5 贪心要点

  1. 确定贪心策略——每一步选什么？
  2. 证明贪心正确——为什么局部最优能推出全局最优？
  3. 如果贪心不对，试试动态规划（以后会学）

练习题：

第7章 二分

7.1 二分思想

二分，就是 每次把搜索范围缩小一半。你想啊，如果有一本1000页的字典，要找第500页的单词，你不会从第1页开始翻——你会直接翻到中间，然后判断是往前找还是往后找。这就是二分的思想。

二分有两个主要应用：

  1. 二分查找——在有序数组中找某个数
  2. 二分答案——在范围内猜答案，验证对不对

7.2 二分查找（有序数组中找某个数）

给定一个有序数组（从小到大），找一个数x的位置。最笨的方法是遍历——O(n)。但用二分只需要O(log n)！100万的数组，遍历要100万次，二分只要20次。

#include <iostream>
using namespace std;

int a[100010];

int main()
{
    int n, x;
    cin >> n >> x;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> a[i];

    int left = 1, right = n;
    int ans = -1;

    while (left <= right)
    {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (a[mid] == x)
        {
            ans = mid;
            break;
        }
        else if (a[mid] < x)
            left = mid + 1;
        else
            right = mid - 1;
    }

    cout << ans << endl;
    return 0;
}

重要细节：

  • mid = (left + right) / 2 可能会溢出，可以写成 mid = left + (right - left) / 2
  • 循环条件是 left <= right 还是 left < right，看具体需求
  • 二分必须在 有序 的数据上进行

7.3 二分答案（最大值最小化/最小值最大化）

这是二分的高阶用法。有些问题我们不知道答案是多少，但知道答案的范围，而且可以快速验证某个值是否可行。这时候就可以 在答案范围内二分，每次验证中间值是否可行。

比如说：切木头问题——有n根木头，要切成k根长度相等的小段，问每段最长能有多长？

我们不知道答案是多少，但答案肯定在(0, 最长木头]之间。我们可以二分这个长度，每次检查能不能切出k根。

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int wood[100010];
int n, k;

bool check(int len)
{
    long long count = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        count += wood[i] / len;
    return count >= k;
}

int main()
{
    cin >> n >> k;
    int maxLen = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        cin >> wood[i];
        maxLen = max(maxLen, wood[i]);
    }

    int left = 1, right = maxLen;
    int ans = 0;

    while (left <= right)
    {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (check(mid))
        {
            ans = mid;
            left = mid + 1;
        }
        else
        {
            right = mid - 1;
        }
    }

    cout << ans << endl;
    return 0;
}

二分答案的套路：

  1. 确定答案的范围
  2. 写一个check函数验证某个值是否可行
  3. 在范围内二分，根据check结果缩小范围
  4. 最终得到最优解

7.4 二分要点

  1. 有序是二分的前提（查找时必须有序）
  2. 注意边界条件——left、right、mid的取值
  3. 二分答案的关键是check函数——验证速度要快
  4. 模板要熟练——建议背下来

练习题：

第8章 前缀和、差分

8.1 一维前缀和

前缀和是一个 预处理 技巧，用来 快速求区间和。

假设有一个数组a[1…n]，我们想求区间[l, r]的和，最笨的方法是把l到r遍历一遍加起来——O(n)。但如果有m次询问，每次都是O(n)，总复杂度就O(mn)，太慢了。

前缀和的思路：先算出一个前缀和数组s，其中 s[i] = a[1] + a[2] + … + a[i]（前i项的和）。那么区间[l, r]的和 = s[r] - s[l-1]。

看个例子：

a:   1  3  2  5  4
s:   1  4  6 11 15

问 a[2]~a[4]的和 = s[4] - s[1] = 11 - 1 = 10
（3+2+5=10）
#include <iostream>
using namespace std;

int a[100010], s[100010];

int main()
{
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> a[i];

    for (int i = 1; i <= n; i++)
        s[i] = s[i - 1] + a[i];

    for (int i = 1; i <= m; i++)
    {
        int l, r;
        cin >> l >> r;
        cout << s[r] - s[l - 1] << endl;
    }
    return 0;
}

威力：预处理一次O(n)，之后每次查询O(1)。如果n=10万，m=10万，暴力需要10^10次运算，前缀和只需要10^5+10^5=2×10^5次。

8.2 一维差分

差分是前缀和的 逆运算，用来 快速区间修改。

什么叫区间修改？就是给数组的某个区间 所有元素加上同一个数。

最笨的方法：遍历区间，每个元素都加——O(n)。有m次修改的话就是O(mn)。

差分数组的思想：我们维护一个差分数组d，使得 d[i] = a[i] - a[i-1]。对a的区间[l, r]加x，等价于 d[l] += x, d[r+1] -= x。

最后，对差分数组求前缀和，就能还原出修改后的a。

8.3 差分代码示例

#include <iostream>
using namespace std;

int a[100010], d[100010];

int main()
{
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    
    // 读入原数组
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> a[i];
    
    // 构建差分数组 d[i] = a[i] - a[i-1]
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        d[i] = a[i] - a[i - 1];
    
    // m次区间修改
    for (int i = 1; i <= m; i++)
    {
        int l, r, x;
        cin >> l >> r >> x;
        d[l] += x;
        d[r + 1] -= x;
    }
    
    // 对差分数组求前缀和，还原出修改后的a
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        a[i] = a[i - 1] + d[i];
        cout << a[i] << " ";
    }
    
    return 0;
}

理解差分：差分和前缀和是一对"逆运算"。你可以把差分想象成一个"修改记录"，最后通过一次前缀和把所有修改效果"累加"到原数组上。

8.4 前缀和与差分的对比

操作 暴力做法 优化做法 单次复杂度
区间求和 遍历区间 前缀和 O(n)预处理，O(1)查询
区间加数 遍历区间 差分 O(1)修改，O(n)还原

练习题：

第9章 深度优先搜索（DFS）

9.1 什么是DFS

深度优先搜索，英文叫 Depth First Search，简称DFS。它的思想是：一条路走到黑，走不通了再回头。

想象你在走迷宫：每次遇到岔路，随便选一条往前走，如果发现走不通了，就退回到上一个岔路口，换一条路继续走。这就是DFS。

9.2 DFS的实现

DFS通常用递归来实现：

void dfs(当前状态)
{
    if (到达终点)
    {
        处理结果;
        return;
    }
    
    for (所有可能的下一步)
    {
        if (下一步合法)
        {
            标记已访问;
            dfs(下一步);
            取消标记;
        }
    }
}

9.3 例题2：八皇后问题

在8×8的棋盘上放8个皇后，使它们互不攻击（任何两个不在同一行、同一列、同一对角线）。

#include <iostream>
using namespace std;

int col[10];
bool rowUsed[10];
bool diag1[20];
bool diag2[20];
int ans = 0;

void dfs(int r)
{
    if (r > 8)
    {
        ans++;
        return;
    }
    
    for (int c = 1; c <= 8; c++)
    {
        if (!rowUsed[c] && !diag1[r - c + 8] && !diag2[r + c])
        {
            col[r] = c;
            rowUsed[c] = diag1[r - c + 8] = diag2[r + c] = true;
            dfs(r + 1);
            rowUsed[c] = diag1[r - c + 8] = diag2[r + c] = false;
        }
    }
}

int main()
{
    dfs(1);
    cout << ans << endl;
    return 0;
}

9.4 DFS的要点

  1. 回溯是DFS的精髓——递归前标记，递归后取消标记
  2. 剪枝可以大幅提高效率——提前判断不可行的情况，跳过
  3. DFS适合解决"是否存在"和"所有方案"的问题

练习题：

第10章 广度优先搜索（BFS）

10.1 什么是BFS

广度优先搜索，英文叫 Breadth First Search，简称BFS。它的思想是：层层推进，逐层扩展。

还是走迷宫的比喻——DFS是一条路走到黑，而BFS是"广撒网"：先看离起点1步能到哪些位置，再看2步能到哪些位置，一层层往外扩散。

BFS最重要的特性：第一次到达某个状态时，走的步数就是最短步数。

10.2 BFS的实现

BFS通常用队列来实现：

#include <queue>
queue<状态类型> q;

void bfs(起点)
{
    q.push(起点);
    visited[起点] = true;
    
    while (!q.empty())
    {
        当前状态 = q.front();
        q.pop();
        
        for (所有可能的下一步)
        {
            if (下一步合法且未访问)
            {
                标记已访问;
                记录步数(步数 = 当前步数 + 1);
                q.push(下一步);
            }
        }
    }
}

10.3 例题1：走迷宫

给定一个n×m的迷宫，'S’表示起点，‘T’表示终点，’#‘表示墙，’.'表示路。求从起点到终点的最短步数。

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

char maze[110][110];
bool visited[110][110];
int step[110][110];

int dx[] = {-1, 1, 0, 0};
int dy[] = {0, 0, -1, 1};

struct Point
{
    int x, y;
};

int main()
{
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    
    int sx, sy, tx, ty;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        for (int j = 1; j <= m; j++)
        {
            cin >> maze[i][j];
            if (maze[i][j] == 'S') { sx = i; sy = j; }
            if (maze[i][j] == 'T') { tx = i; ty = j; }
        }
    }
    
    queue<Point> q;
    q.push({sx, sy});
    visited[sx][sy] = true;
    step[sx][sy] = 0;
    
    while (!q.empty())
    {
        Point cur = q.front();
        q.pop();
        
        if (cur.x == tx && cur.y == ty)
        {
            cout << step[cur.x][cur.y] << endl;
            return 0;
        }
        
        for (int i = 0; i < 4; i++)
        {
            int nx = cur.x + dx[i];
            int ny = cur.y + dy[i];
            
            if (nx >= 1 && nx <= n && ny >= 1 && ny <= m
                && maze[nx][ny] != '#' && !visited[nx][ny])
            {
                visited[nx][ny] = true;
                step[nx][ny] = step[cur.x][cur.y] + 1;
                q.push({nx, ny});
            }
        }
    }
    
    cout << -1 << endl;
    return 0;
}

10.4 BFS的要点

  1. 队列是BFS的核心数据结构
  2. 第一次到达就是最短路径——因为BFS是逐层扩展的
  3. BFS适合解决"最短路径"和"最少步数"问题

10.5 DFS vs BFS

对比项 DFS（深度优先） BFS（广度优先）
实现方式 递归（栈） 队列
空间复杂度 与深度有关 与宽度有关
能否找最短路径 不能（需全部搜索） 能（第一次到达就是最短）
适用场景 所有方案、存在性 最短路径、最少步数

练习题：

数据结构部分

第11章 栈

11.1 什么是栈

栈（Stack）是一种 后进先出（LIFO, Last In First Out） 的数据结构。就像一摞盘子——你洗好的盘子会放在最上面，要拿的时候也是先从最上面拿。后放进去的先拿出来。

栈的基本操作：

  • push(x)：把x压入栈顶
  • pop()：弹出栈顶元素
  • top()：查看栈顶元素
  • empty()：判断栈是否为空

11.2 C++ STL中的栈

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

int main()
{
    stack<int> s;
    
    s.push(10);
    s.push(20);
    s.push(30);
    
    cout << s.top() << endl;
    s.pop();
    cout << s.top() << endl;
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.empty() << endl;
    
    return 0;
}

11.3 例题：括号匹配

给定一个只包含 () [] {} 的字符串，判断括号是否匹配。

思路：遇到左括号就入栈，遇到右括号就检查栈顶是否是对应的左括号。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
using namespace std;

bool match(char left, char right)
{
    return (left == '(' && right == ')') ||
           (left == '[' && right == ']') ||
           (left == '{' && right == '}');
}

int main()
{
    string s;
    cin >> s;
    
    stack<char> st;
    bool ok = true;
    
    for (char c : s)
    {
        if (c == '(' || c == '[' || c == '{')
        {
            st.push(c);
        }
        else
        {
            if (st.empty() || !match(st.top(), c))
            {
                ok = false;
                break;
            }
            st.pop();
        }
    }
    
    if (ok && st.empty())
        cout << "匹配" << endl;
    else
        cout << "不匹配" << endl;
    
    return 0;
}

练习题：

第12章 队列

12.1 什么是队列

队列（Queue）是一种 先进先出（FIFO, First In First Out） 的数据结构。就像排队买奶茶——先排队的人先买到，后排队的人后买到。先来的先服务。

队列的基本操作：

  • push(x)：把x加入队尾
  • pop()：弹出队首元素
  • front()：查看队首元素
  • back()：查看队尾元素
  • empty()：判断队列是否为空

12.2 C++ STL中的队列

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main()
{
    queue<int> q;
    
    q.push(10);
    q.push(20);
    q.push(30);
    
    cout << q.front() << endl;
    q.pop();
    cout << q.front() << endl;
    cout << q.size() << endl;
    cout << q.empty() << endl;
    
    return 0;
}

12.3 例题：约瑟夫问题（用队列实现）

约瑟夫问题我们在模拟算法那章用数组模拟过了，这次用队列来实现更直观：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main()
{
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    
    queue<int> q;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        q.push(i);
    
    int count = 0;
    while (!q.empty())
    {
        count++;
        int cur = q.front();
        q.pop();
        
        if (count == m)
        {
            cout << cur << " ";
            count = 0;
        }
        else
        {
            q.push(cur);
        }
    }
    
    return 0;
}

练习题：

第13章 树

13.1 什么是树

树是一种非线性的数据结构，由节点（node）和节点之间的边（edge）组成。

树的常见术语：

  • 根节点：树的最顶层节点
  • 父节点/子节点：上下层关系
  • 叶子节点：没有子节点的节点
  • 深度：从根到某个节点的层数
  • 子树：一个节点及其所有后代

13.2 二叉树

二叉树是最常用的树结构，每个节点最多有2个子节点（左孩子和右孩子）。

struct TreeNode
{
    int val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;
};

13.3 树的存储（数组方式）

竞赛中最常用的存树方式是数组模拟：

int parent[1010];
int leftChild[1010], rightChild[1010];
#include <vector>
vector<int> children[1010];

练习题：

第14章 图

14.1 什么是图

图（Graph）由顶点（vertex）和边（edge）组成。相比树，图更自由——可以有环、可以没有根。

图的分类：

  • 有向图 vs 无向图：边是否有方向
  • 有权图 vs 无权图：边是否有权重

14.2 图的存储

1. 邻接矩阵

int graph[1010][1010];

void addEdge(int u, int v)
{
    graph[u][v] = 1;
    graph[v][u] = 1;
}

优点：直接判断两点间是否有边，O(1)
缺点：空间O(n²)，n=10万时存不下

2. 邻接表

#include <vector>
vector<int> graph[1010];

void addEdge(int u, int v)
{
    graph[u].push_back(v);
    graph[v].push_back(u);
}

优点：空间O(n+m)，m是边数
缺点：判断两点是否相连需要遍历列表

14.3 练习题

算法入门部分

第15章 动态规划

15.1 什么是动态规划

动态规划（Dynamic Programming，简称DP）是一种把大问题拆成小问题，先解决小问题，再用小问题的答案拼出大问题答案的方法。

DP的核心思想：记住已经算过的结果，避免重复计算。

15.2 DP三要素

  1. 状态定义——dp[i]表示什么
  2. 状态转移方程——dp[i]和前面的dp值有什么关系
  3. 初始条件——边界值

15.3 例题1：斐波那契数列（DP视角）

int dp[50];
dp[1] = dp[2] = 1;
for (int i = 3; i <= n; i++)
    dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2];

15.4 例题2：最大子段和

给定一个数组a[1…n]，求连续子数组的最大和。

比如：[-2, 1, -3, 4, -1, 2, 1, -5, 4]，最大子段和是 [4, -1, 2, 1] = 6。

状态定义：dp[i] = 以a[i]结尾的最大子段和。
转移方程：dp[i] = max(a[i], dp[i-1] + a[i])

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int a[200010], dp[200010];

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> a[i];
    
    dp[1] = a[1];
    int ans = dp[1];
    
    for (int i = 2; i <= n; i++)
    {
        dp[i] = max(a[i], dp[i - 1] + a[i]);
        ans = max(ans, dp[i]);
    }
    
    cout << ans << endl;
    return 0;
}

15.5 例题3：01背包问题

有n件物品，每件有重量w[i]和价值v[i]。有一个容量为C的背包，问最多能带走多少价值的物品？

状态定义：dp[i][j] = 前i件物品中选，总重量不超过j的最大价值。

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int w[1010], v[1010];
int dp[1010][1010];

int main()
{
    int n, C;
    cin >> n >> C;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        cin >> w[i] >> v[i];
    
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        for (int j = 0; j <= C; j++)
        {
            dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            if (j >= w[i])
                dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i - 1][j - w[i]] + v[i]);
        }
    }
    
    cout << dp[n][C] << endl;
    return 0;
}

空间优化（一维数组）：

int dp[1010];
for (int i = 1; i <= n; i++)
    for (int j = C; j >= w[i]; j--)
        dp[j] = max(dp[j], dp[j - w[i]] + v[i]);

15.6 DP的要点

  1. 状态定义要准确
  2. 转移方程是核心
  3. 初始化很重要
  4. DP需要满足"最优子结构"和"无后效性"

练习题：

第16章 树的遍历

16.1 二叉树的三种遍历方式

1. 前序遍历

顺序：根节点 → 左子树 → 右子树

void preorder(TreeNode* root)
{
    if (root == NULL) return;
    cout << root->val << " ";
    preorder(root->left);
    preorder(root->right);
}

2. 中序遍历

顺序：左子树 → 根节点 → 右子树

void inorder(TreeNode* root)
{
    if (root == NULL) return;
    inorder(root->left);
    cout << root->val << " ";
    inorder(root->right);
}

3. 后序遍历

顺序：左子树 → 右子树 → 根节点

void postorder(TreeNode* root)
{
    if (root == NULL) return;
    postorder(root->left);
    postorder(root->right);
    cout << root->val << " ";
}

16.2 完整示例

#include <iostream>
using namespace std;

struct TreeNode
{
    char val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;
    TreeNode(char v) : val(v), left(NULL), right(NULL) {}
};

void preorder(TreeNode* r)
{
    if (!r) return;
    cout << r->val;
    preorder(r->left);
    preorder(r->right);
}

void inorder(TreeNode* r)
{
    if (!r) return;
    inorder(r->left);
    cout << r->val;
    inorder(r->right);
}

void postorder(TreeNode* r)
{
    if (!r) return;
    postorder(r->left);
    postorder(r->right);
    cout << r->val;
}

int main()
{
    TreeNode* root = new TreeNode('A');
    root->left = new TreeNode('B');
    root->right = new TreeNode('C');
    root->left->left = new TreeNode('D');
    root->left->right = new TreeNode('E');
    
    cout << "前序: "; preorder(root); cout << endl;
    cout << "中序: "; inorder(root); cout << endl;
    cout << "后序: "; postorder(root); cout << endl;
    
    return 0;
}

练习题：

第17章 图的算法

17.1 图的遍历

DFS遍历图

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

vector<int> graph[1010];
bool visited[1010];

void dfs(int u)
{
    visited[u] = true;
    cout << u << " ";
    for (int v : graph[u])
    {
        if (!visited[v])
            dfs(v);
    }
}

BFS遍历图

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
using namespace std;

vector<int> graph[1010];
bool visited[1010];

void bfs(int start)
{
    queue<int> q;
    q.push(start);
    visited[start] = true;
    
    while (!q.empty())
    {
        int u = q.front();
        q.pop();
        cout << u << " ";
        
        for (int v : graph[u])
        {
            if (!visited[v])
            {
                visited[v] = true;
                q.push(v);
            }
        }
    }
}

17.2 最短路径：Floyd算法

求任意两点之间的最短路径。核心思想：尝试让每个顶点作为"中转点"。

int dist[510][510];

void floyd(int n)
{
    for (int k = 1; k <= n; k++)
        for (int i = 1; i <= n; i++)
            for (int j = 1; j <= n; j++)
                if (dist[i][k] + dist[k][j] < dist[i][j])
                    dist[i][j] = dist[i][k] + dist[k][j];
}

注意：Floyd的复杂度是O(n³)，只适合n ≤ 500的情况。

17.3 最小生成树：Prim算法

最小生成树：在一个无向连通图中，选n-1条边，把所有顶点连起来，且总权重最小。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int graph[1010][1010];
int dist[1010];
bool selected[1010];

int prim(int n)
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof(dist));
    dist[1] = 0;
    int ans = 0;
    
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        int u = -1;
        for (int j = 1; j <= n; j++)
        {
            if (!selected[j] && (u == -1 || dist[j] < dist[u]))
                u = j;
        }
        
        if (dist[u] == 0x3f3f3f3f) break;
        selected[u] = true;
        ans += dist[u];
        
        for (int v = 1; v <= n; v++)
        {
            if (!selected[v] && graph[u][v] < dist[v])
                dist[v] = graph[u][v];
        }
    }
    
    return ans;
}

17.4 欧拉路径 & 哈密尔顿路径

欧拉路径：一笔画问题——从某点出发，经过每条边恰好一次，最后到达另一点（或回到起点）。

哈密尔顿路径：经过每个顶点恰好一次的路径。

欧拉路径有简洁的判定条件（度数为奇数的顶点个数为0或2），而哈密尔顿路径至今没有高效的判定算法（NP问题）。

练习题：