树链剖分

本博客的主要思路来源：树链剖分详解（洛谷模板 P3384)、OI Wiki 树链剖分

作用

简单点说，树链剖分就是将一棵树分成几条链，然后给它标号标成线性，然后处理区间问题：

• 将树的(x)点到(y)点最短路径上所有结点的值都加d
• 询问树的(x)点到(y)点的路径和
• 将以(x)为根的子树内所有值加(d)
• 询问以(x)为根的子树所有节点值之和

概念：

• 重儿子：对于一个结点 它的所有儿子中 以那个儿子为根的子树最大的那个儿子 就是它的重儿子
• 轻儿子：剩余的所有子节点
• 重边：从这个结点到重儿子的边叫重边
• 轻边：除去重边剩下的边
• 重链：相邻重边连起来叫重链
  • 每条重链以轻儿子为起始结点
  • 把落单的结点也看作一条长度为(1)的重链，所以整棵树就被剖分成了若干条重链

关于下边的预处理涉及到的变量，由以下定义。
(son[x]): (x)的重儿子的编号
(id[x]): (x)的新编号
(fa[x]): (x)的父节点
(cnt): (dfs)序
(depth[x]): 结点(x)的深度
(size[x]): 以(x)为根的子树的大小
(top[x]): (x)所在的当前链顶端的结点

预处理

第一个(dfs)：
求深度，求每个结点的父亲，求子树的大小都是老生常谈了。

void dfs1(int u, int f, int deep) {
	depth[u] = deep; //深度
	fa[u] = f; //每个点的父亲
	size[u] = 1; //以u为根的子树大小
	int maxson = -1;
	for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
		int j = e[i];
		if (j == f) continue;
		dfs1(j, u, deep + 1);
		size[u] += size[j];
		if (size[j] > maxson) son[u] = j, maxson = size[j]; //处理重儿子
	}
}

第二个(dfs)：
找出重链的顶端的结点，为每个结点赋新的序号，即(dfs)序，

void dfs2(int u, int topf) {
	id[u] = ++cnt; //u的新标号
	wt[cnt] = w[u]; //新标号对应新权值
	top[u] = topf; //u所在的链的顶端结点
	if (!son[u]) return; //没有重儿子
	dfs2(son[u], topf); //优先处理重儿子，然后处理轻儿子，这样能保证一条重链dfs序号连续
	for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
		int j = e[i];
		if (j == fa[u] || j == son[u]) continue;
		dfs2(j, j); //对于每一个轻儿子都有一条从它自己开始的链子
	}
}

然后对于要处理的问题：

• 询问的(A)点到(B)点最短路径上路径和
  
  我们可以将其分成两个部分:

1. (res) + (A)到链的顶端的路径和，边加边跳。
2. 直到(A)跳到与(B)一条链，那么直接加上它两个之间的路径和（因为一条重链DFS连续，且已经用DFS处理出来了，那么直接用线段树就可以统计这一段和），那复杂度就是(O(log^2n))

//询问两点之间最短路径上的点权之和
LL qRange(int x, int y) {
	LL res = 0;
	while (top[x] != top[y]) { //如果不在同一链上
		if (depth[top[x]] < depth[top[y]]) swap(x, y);
		LL temp = query(1, id[top[x]], id[x]); //不在一条链上加上x网上跳过程中的一路路径和
		res += temp;
		res %= Mod;
		x = fa[top[x]]; //把x跳到x所在链顶端的那个点的上面一个点
	}
	//两点位于同一条链了	
	LL temp = 0;
	if (id[x] <= id[y])  temp = query(1, id[x], id[y]); //线段树上区间肯定是l <= r
	else  temp = query(1, id[y], id[x]);
	res += temp;
	return res % Mod;
}

• 修改的(A)点到(B)点最短路径上点权值
  与上面一样了，就是先边跳边更新，跳到一条链上直接更新，还是用线段树。 还是(O(log^2n))

void updRange(int x, int y, int k) {
	k %= Mod;
	while (top[x] != top[y]) { //如果不在同一链上
		if (depth[top[x]] < depth[top[y]]) swap(x, y);
		modify(1, id[top[x]], id[x], k);
		x = fa[top[x]];
	}
	if (id[x] <= id[y]) modify(1, id[x], id[y], k);
	else modify(1, id[y], id[x], k);
}

• 修改以(x)为根的子树
  其实可以不太用解释了，直接看代码就明白了。
  (query)与(modify)都是线段树的操作，看下边代码明白了。

LL querySon(int u) {
	return query(1, id[u], id[u] + size[u] - 1);
}

void updSon(int x, int y) {
	modify(1, id[x], id[x] + size[x] - 1, y);
}

那么模板代码：

// Problem: P3384 【模板】轻重链剖分/树链剖分
// Contest: Luogu
// URL: https://www.luogu.com.cn/problem/P3384
// Memory Limit: 125 MB
// Time Limit: 1000 ms
// 
// Powered by CP Editor (https://cpeditor.org)

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

typedef long long LL;

const int N = 1E5 + 10, M = N * 2;
int h[N], e[M], ne[M], idx;
int n, m, r, Mod;
LL w[N], wt[N]; //点权数组
int son[N], id[N], fa[N], cnt, depth[N], size[N], top[N];
/*
son[x]: x的重儿子的编号
id[x]: x的新编号
fa[x]: x的父节点
cnt: dfs序
depth[x]: 结点x的深度
size[x]: 以x为根的子树的大小
top[x]: x所在的当前链顶端的结点
*/

struct SegMentTree {
	int l, r;
	LL sum;
	LL add;
} tr[N * 4];
/***线段树***/
void add(int a, int b) {
	e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx++;
}

void pushup(int u) {
	tr[u].sum = (tr[u << 1].sum + tr[u << 1 | 1].sum) % Mod;
}

void pushdown(int u) {
	if (tr[u].add) {
		tr[u << 1].add += tr[u].add;
		tr[u << 1 | 1].add += tr[u].add;
		tr[u << 1].sum += (tr[u << 1].r - tr[u << 1].l + 1) * tr[u].add;
		tr[u << 1 | 1].sum += (tr[u << 1 | 1].r - tr[u << 1 | 1].l + 1) * tr[u].add;
		tr[u << 1].sum %= Mod;
		tr[u << 1 | 1].sum %= Mod;
		tr[u].add = 0;
	}
}

void build(int u, int l, int r) {
	if (l == r) {
		tr[u] = {l, r, wt[r], 0};
		if (tr[u].sum > Mod) tr[u].sum %= Mod;
		return;
	}
	tr[u].l = l, tr[u].r = r;
	int mid = l + r >> 1;
	build(u << 1, l, mid);
	build(u << 1 | 1, mid + 1, r);
	pushup(u);
}

LL query(int u, int l, int r) {
	if (l <= tr[u].l && tr[u].r <= r) {
		return tr[u].sum;
	} else {
		pushdown(u);
		int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1;
		LL sum = 0;
		if (l <= mid) sum = (sum + query(u << 1, l, r)) % Mod;
		if (r > mid) sum = (sum + query(u << 1 | 1, l, r)) % Mod;
		return sum % Mod;
	}
}

void modify(int u, int l, int r, LL d) {
	if (l <= tr[u].l && tr[u].r <= r) {
		tr[u].sum += (LL)(tr[u].r - tr[u].l + 1) * d % Mod; 
		tr[u].add += d;
	} else {
		pushdown(u);
		int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1;
		if (l <= mid) modify(u << 1, l, r, d);
		if (r > mid) modify(u << 1 | 1, l, r, d);
		pushup(u);
	}
}
/***线段树***/

//询问两点之间最短路径上的点权之和
LL qRange(int x, int y) {
	LL res = 0;
	while (top[x] != top[y]) { //如果不在同一链上
		if (depth[top[x]] < depth[top[y]]) swap(x, y);
		LL temp = query(1, id[top[x]], id[x]); //不在一条链上加上x网上跳过程中的一路路径和
		res += temp;
		res %= Mod;
		x = fa[top[x]]; //把x跳到x所在链顶端的那个点的上面一个点
	}
	//两点位于同一条链了	
	LL temp = 0;
	if (id[x] <= id[y])  temp = query(1, id[x], id[y]); //线段树上区间肯定是l <= r
	else  temp = query(1, id[y], id[x]);
	res += temp;
	return res % Mod;
}

//更新
void updRange(int x, int y, int k) {
	k %= Mod;
	while (top[x] != top[y]) { //如果不在同一链上
		if (depth[top[x]] < depth[top[y]]) swap(x, y);
		modify(1, id[top[x]], id[x], k);
		x = fa[top[x]];
	}
	if (id[x] <= id[y]) modify(1, id[x], id[y], k);
	else modify(1, id[y], id[x], k);
}

LL querySon(int u) {
	return query(1, id[u], id[u] + size[u] - 1);
}

void updSon(int x, int y) {
	modify(1, id[x], id[x] + size[x] - 1, y);
}

void dfs1(int u, int f, int deep) {
	depth[u] = deep; //深度
	fa[u] = f; //每个点的父亲
	size[u] = 1; //以u为根的子树大小
	int maxson = -1;
	for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
		int j = e[i];
		if (j == f) continue;
		dfs1(j, u, deep + 1);
		size[u] += size[j];
		if (size[j] > maxson) son[u] = j, maxson = size[j];
	}
}

void dfs2(int u, int topf) {
	id[u] = ++cnt; //u的新标号
	wt[cnt] = w[u]; //新标号对应新权值
	top[u] = topf; //u所在的链顶端
	if (!son[u]) return; //没有重儿子
	dfs2(son[u], topf); //优先处理重儿子，然后处理轻儿子
	for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
		int j = e[i];
		if (j == fa[u] || j == son[u]) continue;
		dfs2(j, j); //对于每一个轻儿子都有一条从它自己开始的链子
	}
}

int main() {
	scanf("%d%d%d%d", &n, &m, &r, &Mod);
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		scanf("%d", &w[i]);
	}
	
	memset(h, -1, sizeof h);;
	int t = n - 1;
	while (t--) {
		int a, b;
		scanf("%d%d", &a, &b);
		add(a, b), add(b, a);
	}
	
	dfs1(r, -1, 1);
	dfs2(r, r);
	build(1, 1, n);
	while (m--) {
		int op, x; scanf("%d%d", &op, &x);
		if (op == 1) {
			int y, z; scanf("%d%d", &y, &z);
			updRange(x, y, z);
		} else if (op == 2) {
			int y; scanf("%d", &y);
			printf("%lld
", qRange(x, y));
		} else if (op == 3) {
			int z; scanf("%d", &z);
			updSon(x, z);
		} else if (op == 4) {
			printf("%lld
", querySon(x));
		}
	}

    return 0;
}