线段树模板(Java)

线段树

  • 一、线段树概念
  • 二、线段树模板
    • 1.建树
    • 2. 单点修改
    • 3.区间查询
    • 4.完整代码及测试

一、线段树概念

  线段树是一种二叉搜索树,与区间树相似,它将一个区间划分成一些单元区间,每个单元区间对应线段树中的一个叶结点。它的主要优势是对于区间求和、区间求最大值、区间修改和单点修改的速度快,时间复杂度能达到 O ( l o g N ) O(logN) O(logN)
  若以常规的方法在数组中进行区间求和等操作,时间复杂度会达到 O ( n ) O(n) O(n),若操作的次数量非常大,那么就很容易超时。线段树的优势就体现出来了
  线段树的实现基于一维数组,用数组下标 2 ∗ k + 1 2 * k +1 2k+1 的元素代表左儿子,用下标 2 ∗ k + 2 2 * k +2 2k+2 的元素代表右儿子来进行树的模拟

对于本文有不理解的小伙伴,建议看B站的这个视频:线段树

二、线段树模板

模板题:操作格子

1.建树

  • 线段树建树的操作跟二叉树的建树操作很类似,都利用递归,构建左儿子和右儿子。
  • 任意一个结点 k k k,它的左儿子为第 2 ∗ k + 1 2 * k +1 2k+1 个元素,右儿子为第 2 ∗ k + 2 2 * k +2 2k+2 个元素。本例根结点存储的是左儿子和右儿子的和,可应用于区间求和的场景
  • 建树时,需要声明一个新的一维数组来存储树的元素,这个数组的大小一般设为原数组长度的4倍及以上
  • static int[] arr = {1,3,5,7,9,11};
    static int[] tree = new int[4 * arr.length];

代码:

	/**
	 * @param node 当前结点
	 * @param l 当前结点对应的区间为l~r
	 * @param r
	 */
	public static void build(int node, int l, int r) {
		if (l == r) {
			tree[node] = arr[l];
			return;
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = 2 * node + 1;
		int r_child = 2 * node + 2;
		build(l_child, l, mid);	//构建左儿子
		build(r_child, mid + 1, r);	//构建右儿子
		//子树构建好后,更新父结点元素
		tree[node] = tree[l_child] + tree[r_child];
	}

下面画个图理解建立好的树
线段树模板(Java)_第1张图片

可以看出:

  • 叶节点存储原数组的元素,父节点存储左儿子和右儿子的区间和。(对于不同场景,父节点存储元素的意义不同,比如区间求最大值,父节点也可以左儿子和右儿子的区间最大值)
  • 线段树采用的是空间换时间,从建树后的tree数组可以看出,有很多空间都没有利用。

2. 单点修改

  • 判断修改的点在左子树的区间还是右子树,若在左子树,递归左子树,修改对应的点,反之递归右子树
  • 修改后,更新父节点的值

代码:

	/**
	 * @param node 	当前结点
	 * @param l		当前结点对应的区间为l~r
	 * @param r
	 * @param idx	需更新点的下标(原数组下标)
	 * @param val	更新为什么值
	 */
	public static void update(int node, int l, int r, int idx, int val) {
		if (l == r) {	//l=r的时候,表示找到了idx对应的结点
			tree[node] = val;	//更新树的结点
			arr[idx] = val;		//更新原数组的值
			return;
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = 2 * node + 1;
		int r_child = 2 * node + 2;
		if (idx <= mid) {
			update(l_child, l, mid, idx, val);
		}else {
			update(r_child, mid + 1, r, idx, val);
		}
		//对应元素更新好后,更新父节点的值
		tree[node] = tree[l_child] + tree[r_child];
	}

例如,更新 4 号元素为 6,更新后的树如下图
线段树模板(Java)_第2张图片

3.区间查询

  • 当前结点对应的区间若不在查询的范围内,返回 0
  • 查询范围包含了当前结点对应区间的范围,直接返回当前结点的元素

代码:

	/**
	 * @param node	当前结点
	 * @param l		当前结点对应的区间为l~r
	 * @param r
	 * @param start 查询区间的范围为start~end
	 * @param end
	 * @return
	 */
	public static int query(int node, int l, int r, int start, int end) {
		if (start > r || end < l) {	//不在查询的范围
			return 0;
		}
		if (start <= l&& end >= r) {//在查询范围,直接返回
			return tree[node];
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = node * 2 + 1;
		int r_child  = node * 2 + 2;
		int l_sum = query(l_child, l, mid, start, end);		//左子树的和
		int r_sum = query(r_child, mid + 1, r, start, end);	//右子树的和
		//返回左子树加右子树的和
		return l_sum + r_sum;
	}

例如查更新后的树的 2~5 号元素的区间和:
线段树模板(Java)_第3张图片

  • 1.查询左子树 [ 0 , 2 ] [0 , 2] [0,2],再查询到其右子树 [ 2 , 2 ] [2,2] [2,2],在查询的区间内,直接返回 5
  • 2.查询右子树 [ 3 , 5 ] [3,5] [3,5],在查询的区间内,直接返回 24.
  • 3.计算左子树和右子树的和 5 + 24 = 29 5 + 24 = 29 5+24=29

线段树的其他区间求最大值、区间修改的方式,与本文的方法类似,就不再赘述,有兴趣的小伙伴可以自行实现

4.完整代码及测试


public class 线段树 {
	static int[] arr = {1,3,5,7,9,11};
	static int[] tree = new int[4 * arr.length];
	public static void main(String[] args) {
		build(0, 0, arr.length - 1);
		for (int i = 0; i < 4 * arr.length; i++) {
			System.out.print(tree[i] + " ");
		}
		System.out.println();
		update(0, 0, arr.length - 1, 4, 6);
		for (int i = 0; i < 4 * arr.length; i++) {
			System.out.print(tree[i] + " ");
		}
		int s = query(0,0,arr.length - 1, 2 , 5);
		System.out.println("\n" + s);
	}
	/**
	 * @param node 当前结点
	 * @param l l和r表示当前的范围
	 * @param r
	 */
	public static void build(int node, int l, int r) {
		if (l == r) {
			tree[node] = arr[l];
			return;
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = 2 * node + 1;
		int r_child = 2 * node + 2;
		build(l_child, l, mid);
		build(r_child, mid + 1, r);
		tree[node] = tree[l_child] + tree[r_child];
	}
	/**
	 * @param node 	当前结点
	 * @param l		当前结点对应的区间为l~r
	 * @param r
	 * @param idx	需更新点的下标(原数组下标)
	 * @param val	更新为什么值
	 */
	public static void update(int node, int l, int r, int idx, int val) {
		if (l == r) {	//l=r的时候,表示找到了idx对应的结点
			tree[node] = val;	//更新树的结点
			arr[idx] = val;		//更新原数组的值
			return;
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = 2 * node + 1;
		int r_child = 2 * node + 2;
		if (idx <= mid) {
			update(l_child, l, mid, idx, val);
		}else {
			update(r_child, mid + 1, r, idx, val);
		}
		//更新父节点的值
		tree[node] = tree[l_child] + tree[r_child];
	}
	
	/**
	 * @param node	当前结点
	 * @param l		当前结点对应的区间为l~r
	 * @param r
	 * @param start 查询区间的范围为start~end
	 * @param end
	 * @return
	 */
	public static int query(int node, int l, int r, int start, int end) {
		if (start > r || end < l) {	//不在查询的范围
			return 0;
		}
		if (start <= l&& end >= r) {//在查询范围,直接返回
			return tree[node];
		}
		int mid = (l + r) >> 1;
		int l_child = node * 2 + 1;
		int r_child  = node * 2 + 2;
		int l_sum = query(l_child, l, mid, start, end);		//左子树的和
		int r_sum = query(r_child, mid + 1, r, start, end);	//右子树的和
		//返回左子树加右子树的和
		return l_sum + r_sum;
	}
}

测试截图:
在这里插入图片描述

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