洛谷P4003 无限之环（infinityloop）（网络流，费用流）

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题目 题目描述

曾经有一款流行的游戏，叫做 Infinity Loop，先来简单的介绍一下这个游戏：
游戏在一个 n ∗ m 的网格状棋盘上进行，其中有些小方格中会有水管，水管可能在格子某些方向的边界的中点有接口，所有水管的粗细都相同，所以如果两个相邻方格的共边界的中点都有接头，那么可以看作这两个接头互相连接。水管有以下 15 种形状：

游戏开始时，棋盘中水管可能存在漏水的地方。
形式化地：如果存在某个接头，没有和其它接头相连接，那么它就是一个漏水的地方。
玩家可以进行一种操作：选定一个含有非直线型水管的方格，将其中的水管绕方格中心顺时针或逆时针旋转 90 度。
直线型水管是指左图里中间一行的两种水管。
现给出一个初始局面，请问最少进行多少次操作可以使棋盘上不存在漏水的地方。

输入输出格式 输入格式：

第一行两个正整数 n， m，代表网格的大小。
接下来 n 行每行 m 个数，每个数是 [0,15] 中的一个，你可以将其看作一个 4 位的二进制数，从低到高每一位分别代表初始局面中这个格子上、右、下、左方向上是否有水管接头。
特别地，如果这个数是 0 ，则意味着这个位置没有水管。
比如 3(0011(2)) 代表上和右有接头，也就是一个 L 型;
而 12(1100(2)) 代表下和左有接头，也就是将 L 型旋转 180 度。

输出格式：

输出共一行，表示最少操作次数。如果无法达成目标，输出-1.

输入输出样例 输入样例#1：

2 3
3 14 12
3 11 12

输出样例#1：

2

输入样例#2：

3 2
1 8
5 10
2 4

输出样例#2：

-1

输入样例#3：

3 3
9 11 3
13 15 7
12 14 6

输出样例#3：

16

说明 【样例 1 解释】

样例 1 棋盘如下
旋转方法很显然，先将左上角虚线方格内的水管顺时针转 90 度

然后右下角虚线方格内的水管逆时针旋转 90 度，这样就使得水管封闭了

【样例 2 解释】

样例 2 为题目描述中的第一张图片，无法达成目标。

【样例 3 解释】

样例 3 为题目描述中的第二张图片，将除了中心方格以外的每个方格内的水管都转 180 度即可。

思路分析

表示这是一道思维神题。。。。。。
有人第一眼看上去觉得这要跑费用流吗？
然而只要会建图，剩下的就是套模板的事了。

我们这样来理解。对于每个方格上的水管的每一个支管，有且仅有一个其它方格上的支管与其相连，这样就不会漏水了。用网络流知识表述，就是每个支管容量只能为1，且全都要满流，于是跑最小费用可行流。

然而即使产生了最优情况，整个管网也不一定是一整个联通块，而可能被分成若干块。因此，怎样强制使每两个相邻的方格上都产生流量呢？就要把源汇点连到每个格子上。而且，还要对每个格点染色，相邻的两个格点，一个连源点，一个连汇点。具体的实现，就要利用格点行列坐标和的奇偶性来判断。

而产生的费用呢？当然是旋转造成的啦！真正的思维就体现在这里了。因为旋转还会造成接触点的变化，所以肯定是要拆点的，一个方格拆成五个点，上下左右中。。。。。。中间点连上源/汇点，并根据支管情况向四周连容量1，费用0的边。四周视作接触点，与对应相邻的另一个接触点连容量1，费用0的边。讨论相邻两个方格格因旋转而产生的有费用的连边，实在是太难了。。。。。。猛然发现，所有的情况，其实只需要在内部进行转化就好了。

所有的方格，我们大致分成以下几类进行讨论。

第一种：射线型

这种好办。射线指向上面，那么就让左、下、右接触点直接连接上接触点。左，右连上去，表示只要转90度，所以费用为1。下面连上去费用为2。

第二种：直角型

这种理解起来就有难度了。如果顺时针转90度，会变成这样

相当于原来连上接触点的支管连到了下面，那么上与下建一条容量为1，费用为1的边。同样的道理，逆时针转90度，左与右建一条容量为1，费用为1的边。再来讨论转180度，这时候，会通过已有的边由左、下直接转移到右、上，费用加起来正好是2，所以不用连更多边了。

第三种：T字型

像前面一样讨论，也可以建边。从下向左、右各建一条容量为1，费用为1的边，向上建一条费用为2的边。这里就留给读者自己思考啦。

以上三种情况，每一种都有4个形状，但连边方法都是一样的。
还有直线型，十字型和空的，要么不能转，要么转了没意义，就不用内部建边了。

下面贴代码

#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
using namespace std;
#define R register int
#define UP(U) U+turn*sum
#define RI(U) U+((turn+1)&3)*sum
#define DO(U) U+((turn+2)&3)*sum
#define LE(U) U+((turn+3)&3)*sum
#define MD(U) U+(sum<<2)//上面几个用来计算对应点的数组下标，上下左右中。。。
const int INF=2147483647,N=20009,M=200009;
int sum,P=1,S=0,T;//sum方格总数，P建图循环变量，S、T为源汇点
int he[N],ne[M],to[M],f[M],c[M];//f流量，c费用
int q[N],d[N],pre[N];//q队列，d距离，pre记录最短路
bool inq[N];//标记是否在队列中
inline void in(R&z)//快读
{
    register char c=getchar();
    while(c<'-')c=getchar();
    z=c&15;c=getchar();
    while(c>'-')z*=10,z+=c&15,c=getchar();
}
inline void add(R u,R v,R flow,R cost,R tp)//建边，tp表示染色属性
{
    if(tp){tp=u;u=v;v=tp;}//如果是奇数点，所有的边都要反向，要流出去
    to[++P]=v;ne[P]=he[u];he[u]=P;c[P]=cost;f[P]=flow;
    to[++P]=u;ne[P]=he[v];he[v]=P;c[P]=-cost;
}
#define PB(X) q[t]=X;if(++t==N)t=0
#define PF(X) if(--h<0)h=N-1;q[h]=v//手打了一下双向循环队列
inline bool spfa()//模板，加了两种优化
{
    R h=0,t=1,i,u,v,dn,cnt=1,sum=0;
    for(i=S+1;i<=T;++i)d[i]=INF;
    q[0]=S;inq[0]=1;
    while(h!=t)
    {
        u=q[h];
        if(++h==N)h=0;
        if(d[u]*cnt>sum){PB(u);continue;}//LLL优化
        --cnt;sum-=d[u];
        for(i=he[u];i;i=ne[i])
            if(f[i]&&d[v=to[i]]>(dn=d[u]+c[i]))
            {
                if(inq[v])sum-=d[v];
                else
                {
                    inq[v]=1;++cnt;
                    if(d[v]<d[q[h]]){PB(v);}
                    else{PF(v);}//SLF优化
                }
                pre[v]=i;
                sum+=(d[v]=dn);
            }
        inq[u]=0;
    }
    return d[T]!=INF;
}
int main()
{
    R n,m,i,j,k=1,t,shape,turn,totf=0,mf=0,mc=0;//totf总流量，mf最大可行流，mc最小总费用
    in(n);in(m);
    sum=n*m;T=sum*5+1;
    for(i=0;i<n;++i)
        for(j=0;j<m;++j,++k)
        {
            turn=0;//turn下面会用来翻转，将同类型的水管归类到一起
            t=(i+j)&1;//t是染色属性，只要判断奇偶
            if(t)add(S,MD(k),INF,0,0);
            else add(MD(k),T,INF,0,0);
            if(i)add(DO(k-m),UP(k),1,0,t);
            if(j)add(RI(k-1),LE(k),1,0,t);
            in(shape);
            if(shape&1)add(UP(k),MD(k),1,0,t),++totf;//统计总流量
            if(shape&2)add(RI(k),MD(k),1,0,t),++totf;//因为每个流拆成了两段
            if(shape&4)add(DO(k),MD(k),1,0,t),++totf;//所以最终结果会是实际的两倍
            if(shape&8)add(LE(k),MD(k),1,0,t),++totf;//中点与四周点连边
            switch(shape)
            {
            case 8:++turn;//1000 ←
            case 4:++turn;//0100 ↓
            case 2:++turn;//0010 →
            case 1:       //0001 ↑
                add(RI(k),UP(k),1,1,t);
                add(DO(k),UP(k),1,2,t);
                add(LE(k),UP(k),1,1,t);
                break;//四种形状内部连边情况是一样的，转一下统一处理就方便些了，下面同理
            case 9:++turn; //1001 ┘
            case 12:++turn;//1100 ┐
            case 6:++turn; //0110 ┌
            case 3:        //0011 └
                add(DO(k),UP(k),1,1,t);
                add(LE(k),RI(k),1,1,t);
                break;
            case 13:++turn;//1101 ┤
            case 14:++turn;//1110 ┬
            case 7:++turn; //0111 ├
            case 11:       //1011 ┴
                add(DO(k),LE(k),1,1,t);
                add(DO(k),UP(k),1,2,t);
                add(DO(k),RI(k),1,1,t);
                break;
            }
        }
    while(spfa())
    {
        m=INF;//这里m记下流量
        for(i=T;i!=S;i=to[k^1])
        {
            k=pre[i];
            if(m>f[k])m=f[k];
        }
        mf+=m;
        for(i=T;i!=S;i=to[k^1])
        {
            k=pre[i];
            f[k]-=m;f[k^1]+=m;
            mc+=m*c[k];
        }
    }
    printf("%d",totf==mf<<1?mc:-1);//注意如果没能流满就输-1
    return 0;
}