数据结构-线段树

线段树定义:

    线段树是一种二叉搜索树,又叫区间树,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,根节点存储的是左右孩子节点范围的和。

线段树的定义

    线段树不是完全二叉树,因为元素不是从左往右放的。但是线段树却是平衡二叉树(在一个树上,对于任意一个节点,左子树和右子树的高度差不能超过1)。

线段树的使用场景:

对于给定的区间:

更新:更新区间中的一个元素或者一个区间的值。

查询一个区间[i,j]的最大值,最小值,或者区间数字和。

线段树使用场景

使用数组来表示线段树:

    可以将线段树看成满二叉树,然后用数组来表示这个线段树,最后一层多余的元素使用null来表示。

    对于元素个数为 n 的数组,使用高度为 h 的满线段树来表示时,最后一层的节点数为 n,即在满线段树的下标和原数组是一致的,于是 n = 2^(h - 1);同时,对于满线段树来说,除了最后一层,其上面的所有层节点之和,有 2^(h - 1) - 1个节点。

    总结:对于满线段树,最后一层的节点数大致等于前面所有层节点之和,并且等于原数组元素个数。

数组表示线段树

于是,对于满二叉树(n = 2^k)只需要 2n 的空间;对于非满二叉树(n = 2^k + 1),会比满二叉树多了一层,也就是多了 2n 的空间,故需要 4n 空间。

数组表示线段树

线段树的结构:

成员变量:

E[] data,元素数组;

E[] tree,表示使用数组存放线段树;

Merger merger,合并策略,根据不同业务选择不同策略。

线段树变量
合并策略接口
根据根节点下标获取左右孩子下标

将数组转换为线段树:

    思路:在线段树SegmentTree 构造器中,将传进来的数组进行转换。首先为线段树数组开辟数组元素的4倍空间,然后递归执行在 treeIndex 的位置创建表示区间[l,r]的线段树。递归终止条件是走到最后一层,即 l== r,将父亲节点的区间拆分为左右孩子区间,区间的分界线为 mid = l + (r - l)/2,然后让左右孩子执行递归操作,每一步递归操作,都要为当前 treeIndex 位置线段树赋值,即将其左右孩子的范围合并。

数组转线段树

在线段树中查询某个区间:

    思路:先在根节点区间[l,r]查找该区间[queryL,queryR],首先对根节点进行拆分,区间分界线为  mid = l + (r - l)/2,如果查询区间的右边界小于等于 mid,即 queryR <= mid,说明查询的区间[queryL, queryR]在左子树区间[l,mid]范围内,此时直接到左子树递归查询即可;如果查询区间的左边界大于 mid,即 queryL > mid,说明查询的区间[queryL, queryR]在右子树区间[mid + 1,r]范围内,此时直接到右子树递归查询即可;如果queryL <= mid < queryR,表示查询的区间[queryL, queryR]在散落在左右子树上,此时需要将[queryL, queryR]区间拆分为[queryL,mid]和[mid + 1,queryR]分别在左右子树上递归查询,最后需要为 treeIndex位置的根节点赋值,即合并左右子树查询的结果。

查询某个区间

更新数组下标为index的值:

    思路:首先更新数组下标index的值,data[index] = e,让,然后递归更新线段树数组。从根节点开始更新,首先对根节点进行拆分,区间分界线为 mid = l + (r - l)/2,如果 index > mid,说明要更新的元素在右子树,此时递归更新右子树[mid + 1,r]下的下标为index元素就行了;反之,说明要更新的元素在左子树,此时递归更新左子树[l,mid]下的下标为index的元素即可。最后,需要更新 treeIndex位置的根节点的值,即合并左右子树更新的结果。

线段树的更新
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