前言

  线段树(区间树)是什么呢?有了二叉树、二分搜索树,线段树又是干什么的呢?最经典的线段树问题:区间染色;正如它的名字而言,主要解决区间的问题

  一、线段树说明

  1、什么是线段树?

  线段树首先是二叉树,并且是平衡二叉树(它是一 棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1,并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树),并且具有二分性质。

如下图,就是一颗线段树:

  

  假如,用数组表示线段树,如果区间有n个元素,数组表示需要有多少节点?

  2、4n节点推导过程

  要进行一下,如果对推导过程不感兴趣的,可以直接记住结论,需要4n个节点,推导过程如下图:  PS:依旧是全博客园最丑图,当感觉有进步啊!是不是推荐一下,鼓励一下啊

 

  说明:感觉用尽了洪荒之力,才推导出来了。感觉高考之后再也不会用到等比公式了,但又用到了,还是缘分未尽啊,哈哈哈!最后,都放弃了,一直推导不出来,忘却了最后一层的null,假设是满二叉树,按最大值进行估算,所以4n是完全够大的!

  二、为什么要使用线段树

  线段树主要解决一些区间问题的,如下:  

  1、区间染色

  有一面墙,长度为n,每次选择一段墙进行染色,m次操作之后,我们可以看见多少种颜色?

  2、区间查询

  查询区间[i,j]的最大值、最小值,或者区间数字和;实质:基于区间的统计查询。

  例如:2018年注册用户中消费最高的用户?消费最低的用户?学习最长时间的用户?

  三、代码实现

  1、创建线段树

  二叉树具有天然递归性质,所以用递归相对简单,用迭代也是可以的,我才用递归实现,代码如下:

template<class T>
class SegmentTree {
private:
T *tree;
T *data;
int size;
std::function<T(T, T)> function; int leftChild(int index) {  //左孩子下标;例如用数组存储,根节点是下标0,则左孩子为1,右孩子为2
return index * + ;
} int rightChild(int index) {  //右孩子下标
return index * + ;
} void buildSegmentTree(int treeIndex, int l, int r) {
if (l == r) {
tree[treeIndex] = data[l];
return;
}
int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);
int mid = l + (r - l) / ;  //中间值求法,防止整型溢出 buildSegmentTree(leftTreeIndex, l, mid);  //构建左子树
buildSegmentTree(rightTreeIndex, mid + , r);  //构建右子树
tree[treeIndex] = function(tree[leftTreeIndex], tree[rightTreeIndex]);
}
public:
SegmentTree(T arr[], int n, std::function<T(T, T)> function) {  //构造函数,构建一棵树
this->function = function;
data = new T[n];
for (int i = ; i < n; ++i) {
data[i] = arr[i];
}
tree = new T[n * ];  //分配4n节点
size = n;
buildSegmentTree(, , size - );
}
};

  2、线段树查询

   线段树具有二分查找性质,所以二分查找那种思路就可以了,代码如下:

T query(int treeIndex, int l, int r, int queryL, int queryR) {
if (l == queryL && r == queryR) {
return tree[treeIndex];
} int mid = l + (r - l) / ;
int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex); if (queryL >= mid + ) {
return query(rightTreeIndex, mid + , r, queryL, queryR);
} else if (queryR <= mid) {
return query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, queryR);
} T leftResult = query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, mid);
T rightResult = query(rightTreeIndex, mid + , r, mid + , queryR);
return function(leftResult, rightResult);
} T query(int queryL, int queryR) {
assert(queryL >= && queryL < size && queryR >= && queryR < size && queryL <= queryR);
return query(, , size - , queryL, queryR);
}

  3、整体代码

  SegmentTree.h如下:

#ifndef SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H
#define SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H #include <cassert>
#include <functional> template<class T>
class SegmentTree {
private:
T *tree;
T *data;
int size;
std::function<T(T, T)> function; int leftChild(int index) {
return index * + ;
} int rightChild(int index) {
return index * + ;
} void buildSegmentTree(int treeIndex, int l, int r) {
if (l == r) {
tree[treeIndex] = data[l];
return;
}
int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);
int mid = l + (r - l) / ; buildSegmentTree(leftTreeIndex, l, mid);
buildSegmentTree(rightTreeIndex, mid + , r);
tree[treeIndex] = function(tree[leftTreeIndex], tree[rightTreeIndex]);
} T query(int treeIndex, int l, int r, int queryL, int queryR) {
if (l == queryL && r == queryR) {
return tree[treeIndex];
} int mid = l + (r - l) / ;
int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex); if (queryL >= mid + ) {
return query(rightTreeIndex, mid + , r, queryL, queryR);
} else if (queryR <= mid) {
return query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, queryR);
} T leftResult = query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, mid);
T rightResult = query(rightTreeIndex, mid + , r, mid + , queryR);
return function(leftResult, rightResult);
} public:
SegmentTree(T arr[], int n, std::function<T(T, T)> function) {
this->function = function;
data = new T[n];
for (int i = ; i < n; ++i) {
data[i] = arr[i];
}
tree = new T[n * ];
size = n;
buildSegmentTree(, , size - );
} int getSize() {
return size;
} T get(int index) {
assert(index >= && index < size);
return data[index];
} T query(int queryL, int queryR) {
assert(queryL >= && queryL < size && queryR >= && queryR < size && queryL <= queryR);
return query(, , size - , queryL, queryR);
} void print() {
std::cout << "[";
for (int i = ; i < size * ; ++i) {
if (tree[i] != NULL) {
std::cout << tree[i];
} else {
std::cout << "";
}
if (i != size * - ) {
std::cout << ", ";
}
}
std::cout << "]" << std::endl;
}
}; #endif //SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H

  main.cpp如下:

#include <iostream>
#include "SegmentTree.h" int main() {
int nums[] = {-, , , -, , -};
SegmentTree<int> *segmentTree = new SegmentTree<int>(nums, sizeof(nums) / sizeof(int), [](int a, int b) -> int {
return a + b;
});
std::cout << segmentTree->query(,) << std::endl;
segmentTree->print();
return ;
}

  4、演示

  运行结果,如下:  

  

  5、时间复杂度分析

  更新  O(logn)

  查询  O(logn)

  

  

  

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