最小费用最大流模板
笔者在写作这篇笔记之前做了整整两天的最大流，然后。。。发现网络流24题里有很多怎么看都是不可做的题目，于是solution了一把，发现要去切一下费用流这个东东，于是借鉴各种blog和题解，现在勉强搞懂了这个东西，所以作一篇笔记聊以记录和日后复习。
如果您还没有学习网络流的基本概念，请出门左转百度吧。。（事实是笔者太懒只整理了题目而没有详解）。
首先，先明白费用流是什么：
费用流建立在网络最大流的基础上，一张图中最大流有且仅有一个，但是最大流条数往往不止一条，这时候对于我们来说，可能要找出这些最大流中最小（或者最大）的那一条路径，这就是最小（最大）费用最大流 。
实现的基本思想：给出一张网络，那么这个网络的最大流一定是个定值（即使它有多种方法实现这个最大值），我们只要从当前可行流开始增广的时候，选择费用最少的一条路径就可以了。
我们有多种方法实现最小费用的计算：
其一：最原始的E-K算法+spfa。
这个自然没什么说的（如果您会了最大流却不知道spfa，那我也只能说您666），将弧的费用看做是路径长度，即可转化为求最短路的问题了。只需要所走的最短路满足两个条件即可：一个是残量不为0，一个是最短路的那个条件。建图的方法依题来建，不过大体建出来和DINIC差不多。
以洛谷P3381的模板题为例：
1 #include<iostream> 2 #include<cstdio> 3 #include<cstring> 4 #include<algorithm> 5 #include<cmath> 6 #include<queue> 7 #define ll long long 8 #define inf 50000000 9 #define re register 10 using namespace std; 11 struct po 12 { 13 int from,to,dis,nxt,w; 14 }edge[250001]; 15 int head[250001],cur[1000001],dep[60001],n,m,s,t,u,num=-1,x,y,l,tot,sum,k,fa[10001]; 16 int dis[5001],b[5001],xb[5001],flow[5001]; 17 inline int read() 18 { 19 int x=0,c=1; 20 char ch=' '; 21 while((ch>'9'||ch<'0')&&ch!='-')ch=getchar(); 22 while(ch=='-')c*=-1,ch=getchar(); 23 while(ch<='9'&&ch>='0')x=x*10+ch-'0',ch=getchar(); 24 return x*c; 25 } 26 inline void add_edge(int from,int to,int w,int dis) 27 { 28 edge[++num].nxt=head[from]; 29 edge[num].from=from; 30 edge[num].to=to; 31 edge[num].w=w; 32 edge[num].dis=dis; 33 head[from]=num; 34 } 35 inline void add(int from,int to,int w,int dis) 36 { 37 add_edge(from,to,w,dis); 38 add_edge(to,from,0,-dis); 39 } 40 inline bool bfs() 41 { 42 memset(dis,100,sizeof(dis)); 43 memset(b,0,sizeof(b)); 44 queue<int> q; 45 while(!q.empty()) 46 q.pop(); 47 for(re int i=1;i<=n;i++) 48 { 49 fa[i]=-1; 50 } 51 b[s]=1;dis[s]=0;fa[s]=0; 52 flow[s]=inf;q.push(s); 53 while(!q.empty()) 54 { 55 int u=q.front(); 56 q.pop(); 57 b[u]=0; 58 for(re int i=head[u];i!=-1;i=edge[i].nxt) 59 { 60 int v=edge[i].to; 61 if(edge[i].w>0&&dis[v]>dis[u]+edge[i].dis) 62 { 63 dis[v]=dis[u]+edge[i].dis; 64 fa[v]=u; 65 xb[v]=i; 66 flow[v]=min(flow[u],edge[i].w); 67 if(!b[v]){b[v]=1,q.push(v);} 68 } 69 } 70 } 71 return dis[t]<inf; 72 } 73 inline void max_flow() 74 { 75 while(bfs()) 76 { 77 int k=t; 78 while(k!=s) 79 { 80 edge[xb[k]].w-=flow[t]; 81 edge[xb[k]^1].w+=flow[t]; 82 k=fa[k]; 83 } 84 tot+=flow[t]; 85 sum+=flow[t]*dis[t]; 86 } 87 } 88 int main() 89 { 90 memset(head,-1,sizeof(head)); 91 n=read();m=read();s=read();t=read(); 92 for(re int i=1;i<=m;i++) 93 { 94 x=read();y=read();l=read(); 95 int d=read(); 96 add(x,y,l,d); 97 } 98 max_flow(); 99 cout<<tot<<" "<<sum; 100 }
可以看出，虽然笔者的常数优化比较优秀，然而还是卡着时间跑过最后两个点。
其二：zkw费用流
这个方法笔者没有深究，仔细阅读之后发现要使zkw费用流算法达到最好的效率，那么必须使用KM算法。然而不会KM算法怎么办，您可以跳过这个部分，直接看第三种实现方式。
原始的EK算法虽然在做题的时候不会出很大的问题——因为现在的费用流的题目数据都不是很大。它的缺点比较明显：在增广的时候单路增广，导致速度减慢。zkw大神于是乎发明了一种可以直接多路增广的算法，并用KM算法节省了spfa或者迪杰斯特拉的时间，然而悲催的是，笔者自己也对KM算法不是很理解，抱歉无法写出程序比较一下时空复杂度。不过为了保持博文的完整性，还是放上方法发明者zkw的钦定标程：
#include <cstdio> #include <cstring> using namespace std; const int maxint=~0U>>1; int n,m,pi1,cost=0; bool v[550]; struct etype { int t,c,u; etype *next,*pair; etype(){} etype(int t_,int c_,int u_,etype* next_): t(t_),c(c_),u(u_),next(next_){} void* operator new(unsigned,void* p){return p;} } *e[550]; int aug(int no,int m) { if(no==n)return cost+=pi1*m,m; v[no]=true; int l=m; for(etype *i=e[no];i;i=i->next) if(i->u && !i->c && !v[i->t]) { int d=aug(i->t,l<i->u?l:i->u); i->u-=d,i->pair->u+=d,l-=d; if(!l)return m; } return m-l; } bool modlabel() { int d=maxint; for(int i=1;i<=n;++i)if(v[i]) for(etype *j=e[i];j;j=j->next) if(j->u && !v[j->t] && j->c<d)d=j->c; if(d==maxint)return false; for(int i=1;i<=n;++i)if(v[i]) for(etype *j=e[i];j;j=j->next) j->c-=d,j->pair->c+=d; pi1 += d; return true; } int main() { freopen("costflow.in","r",stdin); freopen("costflow.out","w",stdout); scanf("%d %d",&n,&m); etype *Pe=new etype[m+m]; while(m--) { int s,t,c,u; scanf("%d%d%d%d",&s,&t,&u,&c); e[s]=new(Pe++)etype(t, c,u,e[s]); e[t]=new(Pe++)etype(s,-c,0,e[t]); e[s]->pair=e[t]; e[t]->pair=e[s]; } do do memset(v,0,sizeof(v)); while(aug(1,maxint)); while(modlabel()); printf("%d\n",cost); return 0; }
有兴趣深究的朋友可以从博文最后访问zkw大神的博客。
其三：原始对偶算法
讲这个算法之前先说一下zkw费用流的一些不适用性，zkw大神原话：在某一些图上, 算法速度非常快, 另一些图上却比纯 SPFA 增广的算法慢. 不少同学经过实测总结的结果是稠密图上比较快, 稀疏图上比较慢。其实也不完全是因为这样。我们比较一下原始的EK和zkw算法，可以发现原始EK主要慢在spfa一遍一遍的队列操作和重复访问节点，以及只能进行单路增广的限制。而zkw算法只是一个对边的扫描操作，并且重标号后可以多路增广。然而缺点也显而易见，如果这个图是出题者别有用心制造的，那么流量不大, 费用不小, 增广路还较长，每次添加一条边，然后尝试增广，凑不成最短路，再添重标号，继续尝试。造成了大量的时间浪费。
那么有没有一种方式结合了这两种算法的优点呢？有的，我们可以用一种和dinic很相似的思路（至少笔者是这么认为）。
费用流的算法大致分为两种, 一种是经典的解法, 如消圈, 增广路, 原始对偶等等, 特点是步步为营, 维持可行性或者最优性其中之一, 再不断对另一方面作出改进. 另一种就比较现代一些, 典型的例子是松弛算法和网络单纯形, 由于放松了对求解过程中解的限制条件, 使得其速度远远超过经典解法, 同时也增加了编程难度和理解障碍. 下面要说的原始对偶算法, 速度自然不可能比松弛和网络单纯形快, 但应该是经典解法中的佼佼者了。 ——zkw
我们在spfa的时候使用SLF优化来维护距离编号，然后利用多路增广，达到一个比较好的效果。下面放上笔者弱弱的代码：
#include<iostream> #include<cstdio> #include<cstring> #include<algorithm> #include<cmath> #include<queue> #define ll long long #define inf 50000000 #define re register using namespace std; struct po { int from,to,dis,nxt,w; }edge[250001]; int head[250001],cur[1000001],dep[60001],n,m,s,t,u,num=-1,x,y,l,tot,sum,k,fa[10001]; int dis[5001],b[5001],xb[5001],flow[5001]; inline int read() { int x=0,c=1; char ch=' '; while((ch>'9'||ch<'0')&&ch!='-')ch=getchar(); while(ch=='-')c*=-1,ch=getchar(); while(ch<='9'&&ch>='0')x=x*10+ch-'0',ch=getchar(); return x*c; } inline void add_edge(int from,int to,int w,int dis) { edge[++num].nxt=head[from]; edge[num].to=to; edge[num].w=w; edge[num].dis=dis; head[from]=num; } inline void add(int from,int to,int w,int dis) { add_edge(from,to,w,dis); add_edge(to,from,0,-dis); } inline bool spfa() { memset(b,0,sizeof(b)); for(re int i=0;i<=n;i++) dis[i]=inf; dis[t]=0;b[t]=1; deque<int> q; q.push_back(t); while(!q.empty()) { int u=q.front(); b[u]=0; q.pop_front(); for(re int i=head[u];i!=-1;i=edge[i].nxt) { int v=edge[i].to; if(edge[i^1].w>0&&dis[v]>dis[u]-edge[i].dis) { dis[v]=dis[u]-edge[i].dis; if(!b[v]) { b[v]=1; if(!q.empty()&&dis[v]<dis[q.front()]) q.push_front(v); else q.push_back(v); } } } } return dis[s]<inf; } inline int dfs(int u,int low) { if(u==t) { b[t]=1; return low; } int diss=0; b[u]=1; for(re int i=head[u];i!=-1;i=edge[i].nxt) { int v=edge[i].to; if(!b[v]&&edge[i].w!=0&&dis[u]-edge[i].dis==dis[v]) { int check=dfs(v,min(edge[i].w,low)); if(check>0) { tot+=check*edge[i].dis; edge[i].w-=check; edge[i^1].w+=check; low-=check; diss+=check; if(low==0) break; } } } return diss; } inline int max_flow() { int ans=0; while(spfa()) { b[t]=1; while(b[t]) { memset(b,0,sizeof(b)); ans+=dfs(s,inf); } } return ans; } int main() { memset(head,-1,sizeof(head)); n=read();m=read();s=read();t=read(); for(re int i=1;i<=m;i++) { x=read();y=read();l=read();int d=read(); add(x,y,l,d); } cout<<max_flow()<<" "; cout<<tot; }
直接快了50%，可以看出多路增广的优势还是显然的。
然而如果并没有看明白，可以访问以下这位大神的博客：一种更高效的费用流。
部分内容或有重复冲突请神犇们谅解，可能是想到一起去了。
