欧美bbbwbbbw肥妇,免费乱码人妻系列日韩,一级黄片

C++?線段樹原理與實現(xiàn)示例詳解

 更新時間:2022年09月15日 15:45:08   作者:白龍碼  
這篇文章主要為大家介紹了C++?線段樹原理與實現(xiàn)示例詳解,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步,早日升職加薪

一、問題引入

對于一般的區(qū)間問題,比如RMQ(區(qū)間的最值)、區(qū)間的和,如果使用樸素算法,即通過遍歷的方式求取,則時間復(fù)雜度為O(N),在常數(shù)次查詢的情況下可以接受,但是當(dāng)區(qū)間長度為N,查詢次數(shù)為M時,查詢復(fù)雜度就變成O(M*N)。在M和N較大時,這樣的復(fù)雜度無法滿足要求。

對于這類問題,有一個神奇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),能夠在O(M*logN)的時間內(nèi)解決問題——線段樹。

二、線段樹的構(gòu)建

線段樹的每個節(jié)點可以根據(jù)需要存儲一個區(qū)間的最大/最小值/和等內(nèi)容。它的構(gòu)建方式與堆的構(gòu)建方式類似,即線段樹是基于數(shù)組實現(xiàn)的樹。

以構(gòu)建區(qū)間和的線段樹為例:對于給定數(shù)組nums,設(shè)大小為n,則區(qū)間范圍為[0, n-1]。

  • 規(guī)定線段樹的根節(jié)點,即SegmentTree[0]存儲[0, n)的和。
  • 根據(jù)堆的構(gòu)建方法,父節(jié)點的左孩子為2*parent+1,右孩子為2*parent+2。
  • 假設(shè)父節(jié)點存儲[start, end]的和,mid=start+(end - start>>1),則左孩子存儲[start, mid]的和,右孩子存儲[mid+1, end]的和
  • 注:mid=start+(end - start>>1)是一種避免整形溢出的寫法,等價于mid=(start+end)/2。
  • 由于父節(jié)點的值依賴于兩個子節(jié)點,因此線段樹的構(gòu)建是一種后序遍歷。
// nums是給定大小為n的數(shù)組,par表示當(dāng)前正在構(gòu)建的線段樹節(jié)點下標(biāo),start和end是當(dāng)前需要計算的區(qū)間。
void build(vector<int>& nums, int par, int start, int end)
{
    if (start == end) // 區(qū)間大小為1,即單個點,因此當(dāng)前節(jié)點的區(qū)間和就是單點的值
    {
        _segmentTree[par] = nums[start];
        return;
    }
    // 如果區(qū)間大于1,則先求當(dāng)前節(jié)點的左孩子和右孩子
    int mid = start + (end - start >> 1);
    int lchild = 2 * par + 1;
    int rchild = 2 * par + 2;
    build(nums, lchild, start, mid);   // 遞歸求左節(jié)點的區(qū)間和
    build(nums, rchild, mid + 1, end); // 遞歸求右孩子的區(qū)間和
    // 當(dāng)前節(jié)點的值就是左孩子的值+右孩子的值
    _segmentTree[par] = _segmentTree[lchild] + _segmentTree[rchild];
}

注:在極端情況下,最后一層有n個結(jié)點,此時線段樹是一棵完全二叉樹,樹的高度h=log2N向上取整+1≤log2N+2。

因此,樹的節(jié)點數(shù)量為2^h-1^≤2^logN+2^-1=4N-1。

所以,線段樹數(shù)組的大小一般為4*n。

此外,如果想要避免因為n過大而導(dǎo)致MLE,則可以選擇map/unordered_map來存儲線段樹,不過這會增加時間成本。一般來說直接開辟4*n的線段樹數(shù)組是最方便書寫的。

三、線段樹的單點修改與查詢

1、修改

單點修改要求:修改原數(shù)組下標(biāo)index處的值。此時我們需要對線段樹進行更新:

  • 依然是從根節(jié)點開始進行修改。
  • 根據(jù)修改的下標(biāo)index,判斷應(yīng)當(dāng)修改當(dāng)前節(jié)點的左子樹還是右子樹。
  • 在遞歸修改左右孩子節(jié)點以后,再根據(jù)左右孩子的值重新對父節(jié)點進行賦值(pushUp())。
void update(int index, int val, int par, int start, int end)
{
    if (start == end) // 遞歸結(jié)束條件依然是當(dāng)前區(qū)間為單點
    {
        segtree[par] = val;
        return;
    }
    int mid = start + (end - start >> 1);
    // 遞歸修改左孩子或右孩子
    if (index <= mid)
        update(index, val, 2 * par + 1, start, mid);
    else
        update(index, val, 2 * par + 2, mid + 1, end);
    // 修改完成后重新對父節(jié)點賦值
    pushUp(par);
}
// pushUp負責(zé)利用左右孩子的值更新父節(jié)點
void pushUp(int par)
{
    segtree[par] = segtree[2 * par + 1] + segtree[2 * par + 2];
}

2、查詢

由于每個節(jié)點可以存儲最值和區(qū)間和,因此求最值與求和的過程幾乎相同,這里以求和為例:

假設(shè)當(dāng)前節(jié)點的區(qū)間為[start, end],中點為mid。

對于給定區(qū)間[left, right],它有三種分布情況:

  • right<=mid,即給定區(qū)間全部在左節(jié)點中,因此只需要遞歸左子樹計算區(qū)間和即可。
  • left>mid,即給定區(qū)間全部在右節(jié)點中,因此只需要遞歸右子樹計算區(qū)間和即可。
  • 給定區(qū)間有一部分在左子樹,一部分在右子樹,因此需要分成兩部分,一部分是[left, mid],這部分到左子樹中遞歸求取。另一部分是[mid+1,right],這部分到右子樹中遞歸求取。
// [left, right]是目標(biāo)求和區(qū)間,par是當(dāng)前節(jié)點編號,當(dāng)前節(jié)點存儲區(qū)間[start, end]的和
int query(int left, int right, int par, int start, int end)
{
    // 目標(biāo)求和區(qū)間與當(dāng)前節(jié)點的區(qū)間吻合,直接返回當(dāng)前節(jié)點的值即可
    if (left == start && right == end)
        return segtree[par];
    int mid = start + (end - start >> 1);
    if (right <= mid) // 目標(biāo)求和區(qū)間全部在左子樹
        return query(left, right, 2 * par + 1, start, mid);
    else if (left > mid) // 目標(biāo)求和區(qū)間全部在右子樹
        return query(left, right, 2 * par + 2, mid + 1, end);
    else  // 目標(biāo)求和區(qū)間分布在左右子樹上
        return query(left, mid, 2 * par + 1, start, mid) +
               query(mid + 1, right, 2 * par + 2, mid + 1, end);
}

四、線段樹的區(qū)間修改與查詢

1、修改

區(qū)間修改要求:修改原數(shù)組[left, right]處的值,將它們?nèi)考?減value,或者全部改為value。此時我們需要對線段樹進行更新。

我們可以選擇將[left, right]看成一個個點,然后進行單點修改,但是一個點的修改消耗為log2N,修改整個區(qū)間就是C*log2N了,M次修改就是M*C*log2N,這比暴力法的M*C還要差。

我們使用懶標(biāo)記法,引入一個lazy變量:

依然從根節(jié)點開始修改。

如果節(jié)點對應(yīng)的區(qū)間[start, end]完全包含在[left, right]中時,即left≤start≤end≤right,此時將這個節(jié)點的值進行修改,并按要求修改lazy,比如:對給定區(qū)間整體加4,則lazy加4,整體減3,則lazy減3。

修改完lazy數(shù)組后,我們不再需要修改它的子節(jié)點,因此lazy的意義在于減少向下更新的次數(shù),從而降低時間復(fù)雜度**「懶的體現(xiàn)」**。

如果節(jié)點對應(yīng)的區(qū)間[start, end]不完全包含在[left, right]中時,則遞歸修改左右節(jié)點,直至對應(yīng)節(jié)點的區(qū)間與待修改的區(qū)間沒有交集**「遞歸的結(jié)束條件」**。子樹修改完成后,再利用子節(jié)點的值更新父節(jié)點(pushUp())。

注意:由于lazy變量的存在,使用子節(jié)點的值更新父節(jié)點時,需要加上父節(jié)點的lazy值,因為該值是由于"偷懶"而沒有添加在子節(jié)點上的。

// 以「將給定區(qū)間內(nèi)的數(shù)加x,查詢每個節(jié)點存儲對應(yīng)區(qū)間的和」為例:
void update(int left, int right, int x, int node, int start, int end)
{
    // 區(qū)間沒有交集,無需修改
    if (end < left || right < start)
        return;
    // 當(dāng)前節(jié)點對應(yīng)的區(qū)間被需要修改的區(qū)間完全包含
    if (left <= start && right >= end)
    {
        segtree[node].val += x * (end - start + 1);
        segtree[node].lazy += x;
        return;
    }
    // 不被[left, right]完全包含,則說明本輪只會更新[start, end]的一部分,因此不能再"偷懶"直接將x加在lazy上了
    // 而是先根據(jù)lazy的值修改左右子節(jié)點,然后再遞歸修改左右子樹
    int mid = start + ((end - start) >> 1);
    // 先利用lazy修改孩子節(jié)點
    pushDown(node, mid - start + 1, end - mid);
    // 遞歸修改孩子節(jié)點
    update(left, right, 2 * node + 1, start, mid);
    update(left, right, 2 * node + 2, mid + 1, end);
    // 利用左右子樹的區(qū)間最大值確定父節(jié)點的區(qū)間最大值
    pushUp(par);
}
void pushUp(int par)
{
	segtree[par].val = segtree[2 * par + 1] + segtree[2 * par + 2] + segtree[par].lazy;
}
// par表示父節(jié)點,ln表示左孩子的區(qū)間長度,rn表示右孩子的區(qū)間長度
void pushDown(int par, int ln, int rn)
{
    if (segtree[par].lazy != 0)
    {
        segtree[2 * par + 1].val += segtree[par].lazy * ln; // 修改左孩子的值
        segtree[2 * par + 1].lazy += segtree[par].lazy; // 偷懶,不再往下繼續(xù)修改,因此左孩子繼承父節(jié)點的lazy值
        segtree[2 * par + 2].lazy += segtree[par].lazy * rn;
        segtree[2 * par + 2].lazy += segtree[par].lazy;
        segtree[par].lazy = 0; // 父節(jié)點的lazy已經(jīng)分配到子節(jié)點了,因此父節(jié)點lazy清零
    }
}

2、查詢

查詢的過程與修改幾乎相同:

  • 依然從根節(jié)點開始查詢。
  • 如果當(dāng)前節(jié)點有懶標(biāo)記,此時返回節(jié)點的值,無需向下遍歷。
  • 當(dāng)某個節(jié)點對應(yīng)的區(qū)間[start, end]完全包含在[left, right]中時,即left≤start≤end≤right,則該節(jié)點的值是我們最終結(jié)果的子集,直接返回節(jié)點值即可。
  • 如果不完全包含,則遞歸查詢左右子樹,直至對應(yīng)節(jié)點的區(qū)間與待修改的區(qū)間沒有交集**「遞歸的結(jié)束條件」**。利用子樹的查詢結(jié)果作為最終的返回結(jié)果。
// 以「將給定區(qū)間內(nèi)的數(shù)加x,查詢每個節(jié)點存儲對應(yīng)區(qū)間的和」為例:
bool query(int left, int right, int node, int start, int end)
{
    // 區(qū)間沒有交集,無需查詢
    if (end < left || right < start)
        return false;
    // 有懶標(biāo)記,則無需查詢左右孩子,而是直接返回節(jié)點值,外加懶標(biāo)記
    // 或者當(dāng)前節(jié)點對應(yīng)的區(qū)間被需要查詢的區(qū)間完全包含,則直接返回節(jié)點值
    if (segtree[node].lazy || left <= start && right >= end)
        return segtree[node].val;
    int mid = start + ((end - start) >> 1);
    // 不完全包含,則先根據(jù)lazy修改子節(jié)點,再遞歸查詢左右子樹的和
    pushDown(node, mid - start + 1, end - mid);  
    return query(left, right, 2 * node + 1, start, mid) +
           query(left, right, 2 * node + 2, mid + 1, end);
}
// par表示父節(jié)點,ln表示左孩子的區(qū)間長度,rn表示右孩子的區(qū)間長度
void pushDown(int par, int ln, int rn)
{
    if (segtree[par].lazy != 0)
    {
        segtree[2 * par + 1].val += segtree[par].lazy * ln; // 修改左孩子的值
        segtree[2 * par + 1].lazy += segtree[par].lazy; // 偷懶,不再往下繼續(xù)修改,因此左孩子繼承父節(jié)點的lazy值
        segtree[2 * par + 2].lazy += segtree[par].lazy * rn;
        segtree[2 * par + 2].lazy += segtree[par].lazy;
        segtree[par].lazy = 0; // 父節(jié)點的lazy已經(jīng)分配到子節(jié)點了,因此父節(jié)點lazy清零
    }
}

以上就是C++ 線段樹原理與實現(xiàn)示例詳解的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于C++ 線段樹原理的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

相關(guān)文章

  • IOS 開發(fā)UITextView回收或關(guān)閉鍵盤

    IOS 開發(fā)UITextView回收或關(guān)閉鍵盤

    這篇文章主要介紹了IOS 開發(fā)UITextView回收或關(guān)閉鍵盤的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下
    2017-06-06
  • C語言實現(xiàn)掃雷小游戲詳細代碼

    C語言實現(xiàn)掃雷小游戲詳細代碼

    這篇文章主要為大家詳細介紹了C語言實現(xiàn)掃雷小游戲的代碼,文中示例代碼介紹的非常詳細,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下
    2021-06-06
  • 解析Linux下的時間函數(shù):設(shè)置以及獲取時間的方法

    解析Linux下的時間函數(shù):設(shè)置以及獲取時間的方法

    本篇文章是對Linux下的時間函數(shù):設(shè)置以及獲取時間的方法進行了詳細的分析介紹,需要的朋友參考下
    2013-05-05
  • C語言編寫簡單拼圖游戲

    C語言編寫簡單拼圖游戲

    這篇文章主要為大家詳細介紹了C語言編寫簡單拼圖游戲,文中示例代碼介紹的非常詳細,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下
    2020-03-03
  • C++中map容器的具體使用

    C++中map容器的具體使用

    本文主要介紹了C++中map容器的具體使用,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧
    2023-03-03
  • Protocol Buffer技術(shù)深入理解(C++實例)

    Protocol Buffer技術(shù)深入理解(C++實例)

    C++實例Protocol Buffer技術(shù)詳解,感興趣的朋友可以了解下
    2013-01-01
  • C++中的函數(shù)你真的理解了嗎

    C++中的函數(shù)你真的理解了嗎

    這篇文章主要為大家詳細介紹了C++中的函數(shù),文中示例代碼介紹的非常詳細,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下,希望能夠給你帶來幫助
    2022-02-02
  • C++哈希應(yīng)用之位圖,哈希切分與布隆過濾器詳解

    C++哈希應(yīng)用之位圖,哈希切分與布隆過濾器詳解

    這篇文章主要為大家詳細介紹了C++哈希應(yīng)用中的位圖、哈希切分與布隆過濾器,文中的示例代碼講解詳細,具有一定的學(xué)習(xí)價值,需要的可以參考一下
    2023-04-04
  • C++精要分析lambda表達式的使用

    C++精要分析lambda表達式的使用

    Lambda表達式是現(xiàn)代C++在C ++ 11和更高版本中的一個新的語法糖 ,在C++11、C++14、C++17和C++20中Lambda表達的內(nèi)容還在不斷更新。 lambda表達式(也稱為lambda函數(shù))是在調(diào)用或作為函數(shù)參數(shù)傳遞的位置處定義匿名函數(shù)對象的便捷方法
    2022-05-05
  • C++實現(xiàn)帶頭雙向循環(huán)鏈表的示例詳解

    C++實現(xiàn)帶頭雙向循環(huán)鏈表的示例詳解

    這篇文章主要介紹了如何利用C++實現(xiàn)帶頭雙向循環(huán)鏈表,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下
    2022-12-12

最新評論