線段樹 SegTree

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(不斷更新中)


  • 概念

線段樹,類似區間樹,是一個完全二叉樹,它在各個節點保存一條線段(數組中的一段子數組),主要用于高效解決連續區間的動態查詢問題,由于二叉結構的特性,它基本能保持每個操作的復雜度為O(lgN),你可以在數據結構可視(visualgo)網站中看到算法的具體搭建過程。

  • c++ 模板代碼

這里的代碼是對區間寫入優化后的代碼,加入了lazy_tag用來標記區間更新的位置

//最好不要用頭文件bits/stdc++.h 因為一些編譯器會不支持這個頭文件

#include <iostream>
using namespace std;
#define MaxN 50005
class SegTree {
public:
    int left, right;
    int sum;
    int lazy_tag;
    int mid() { return (left + right) >> 1; }
};
SegTree tree[MaxN];
void pushUp(int rt) { tree[rt].sum = tree[rt << 1].sum + tree[rt << 1 | 1].sum; }
void pushDown(int rt, int len) {
    int tag = tree[rt].lazy_tag;
    if (tag) {
        tree[rt << 1].lazy_tag += tag;
        tree[rt << 1 | 1].lazy_tag += tag;
        tree[rt << 1].sum += tag*(len - (len >> 1));
        tree[rt << 1 | 1].sum += tag*(len >> 1);
        tree[rt].lazy_tag = 0;
    }
}
void build(int rt, int left, int right) {
    tree[rt].left = left;
    tree[rt].right = right;
    tree[rt].lazy_tag = 0;
    if (left == right) { cin >> tree[rt].sum;return; }
    int mid = tree[rt].mid();
    build(rt << 1, left, mid);
    build(rt << 1 | 1, mid + 1, right);
    pushUp(rt);
}
void update(int rt, int val, int left, int right) {
    if (tree[rt].left == left && tree[rt].right == right) {
        tree[rt].lazy_tag += val;
        tree[rt].sum += val*(right - left + 1);
        return;
    }
    if (tree[rt].left == tree[rt].right) return;
    pushDown(rt, tree[rt].right - tree[rt].left + 1);
    int mid = tree[rt].mid();
    if (right <= mid) update(rt << 1, val, left, right);
    else if (left > mid) update(rt << 1 | 1, val, left, right);
    else {
        update(rt << 1, val, left, mid);
        update(rt << 1 | 1, val, mid + 1, right);
    }
    pushUp(rt);
}
int query(int rt, int left, int right) {
    if (tree[rt].left == left && tree[rt].right == right) return tree[rt].sum;
    pushDown(rt, tree[rt].right - tree[rt].left + 1);
    int mid = tree[rt].mid();
    int sum(0);
    if (right <= mid) sum += query(rt << 1, left, right);
    else if (left > mid) sum += query(rt << 1 | 1, left, right);
    else {
        sum += query(rt << 1, left, mid);
        sum += query(rt << 1 | 1, mid + 1, right);
    }
    return sum;
}
int main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    int n;cin >> n;
    build(1, 1, n);
    char cmd;
    int in1, in2, val;
    while (cin >> cmd, cmd != 'E') {
        if (cmd == 'Q') { cin >> in1 >> in2;cout << query(1, in1, in2) << endl; }
        if (cmd == 'A') { cin >> in1 >> in2 >> val;update(1, val, in1, in2); }
    }
}

例題

題解和代碼性能分析

//c++ 用類似c的方法寫
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define MaxN 50000
int t[MaxN * 4];
inline void pushUp(int rt) { t[rt] = t[rt << 1] + t[rt << 1 | 1]; }
void build(int rt,int l,int r) {
    if (l == r) {scanf("%d",&t[rt]);return;}
    int m = (l + r) >> 1;
    build(rt << 1, l, m);
    build(rt << 1 | 1, m + 1, r);
    pushUp(rt);
}
void update(int rt, int l, int r, int p, int v) {
    if (l == r) { t[rt] += v;return; }
    int m = (l + r) >> 1;
    if (p <= m) update(rt << 1, l, m, p, v);
    else update(rt << 1 | 1, m + 1, r, p, v);
    pushUp(rt);
}
int query(int rt,int l,int r, int _l, int _r) {
    if (_l <= l && r <= _r) return t[rt];
    int m = (l + r) >> 1;
    int sum(0);
    if (_r <= m) sum += query(rt << 1, l, m, _l, _r);
    else if (_l > m) sum += query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    else {
        sum += query(rt << 1, l, m, _l, _r);
        sum += query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    }
    return sum;
}
void main() {
    int n, tn;scanf("%d",&n);tn = n;
    while (tn--) {
        int num;scanf("%d", &num);
        build(1, 1, num);
        printf("Case %d:\n", n - tn);
        char cmd[10];
        int in1, in2;
        while (scanf("%s", &cmd)) {
            if (cmd[0] == 'E') break;
            scanf("%d%d", &in1, &in2);
            if (cmd[0] == 'A') update(1, 1, num, in1, in2);
            else if (cmd[0] == 'S') update(1, 1, num, in1, -in2);
            else printf("%d\n", query(1, 1, num, in1, in2));
            memset(cmd, '\0', sizeof(cmd));
        }
    }
}
上面代碼在hdu運行的結果
//更改query函數
int sum(0);
void query(int rt, int l, int r, int _l, int _r) {
    if (_l <= l && r <= _r) {sum += t[rt];return;}
    int m = (l + r) >> 1;
    if (_r <= m) query(rt << 1, l, m, _l, _r);
    else if (_l > m) query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    else {
        query(rt << 1, l, m, _l, _r);
        query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    }
}
更改query函數將sum作為全局變量
//c++ 用c寫法下,全宏定義
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define MaxN 50000
#define lson rt<<1,l,m
#define rson rt<<1|1,m+1,r
#define mid int m=(l+r)>>1
#define base int rt,int l,int r
#define we_base 1,1,num
int t[MaxN*4];
inline void pushUp(int rt) { t[rt] = t[rt << 1] + t[rt << 1 | 1]; }
void build(base) {
    if (l == r) { scanf("%d", &t[rt]);return; }
    mid;
    build(lson);
    build(rson);
    pushUp(rt);
}
void update(base, int p, int v) {
    if (l == r) { t[rt] += v;return; }
    mid;
    if (p <= m) update(lson, p, v);
    else update(rson, p, v);
    pushUp(rt);
}
int query(base, int _l, int _r) {
    if (_l <= l && r <= _r) return t[rt];
    mid;
    int sum(0);
    if (_r <= m) sum += query(lson, _l, _r);
    else if (_l > m) sum += query(rson, _l, _r);
    else {
        sum += query(lson, _l, _r);
        sum += query(rson, _l, _r);
    }
    return sum;
}
void main() {
    int n, tn;scanf("%d", &n);tn = n;
    while (tn--) {
        int num;scanf("%d", &num);
        build(we_base);
        printf("Case %d:\n", n - tn);
        char cmd[10];
        int in1, in2;
        while (scanf("%s", &cmd)) {
            if (cmd[0] == 'E') break;
            scanf("%d%d", &in1, &in2);
            if (cmd[0] == 'A') update(we_base, in1, in2);
            else if (cmd[0] == 'S') update(we_base, in1, -in2);
            else printf("%d\n", query(we_base, in1, in2));
            memset(cmd, '\0', sizeof(cmd));
        }
    }
}
c寫法全宏定義

可見使用宏定義的算法運行速度比普通寫法稍快一些,而且寫代碼的速度將會比普通寫法快



//用c++的形式寫
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#define MaxN 50000
int t[MaxN * 4];
inline void pushUp(int rt) { t[rt] = t[rt << 1] + t[rt << 1 | 1]; }
void build(int rt,int l,int r) {
    if (l == r) { cin >> t[rt];return; }
    int m = (l + r) >> 1;
    build(rt << 1, l, m);
    build(rt << 1 | 1, m + 1, r);
    pushUp(rt);
}
void update(int rt, int l, int r, int p, int v) {
    if (l == r) { t[rt] += v;return; }
    int m = (l + r) >> 1;
    if (p <= m) update(rt << 1, l, m, p, v);
    else update(rt << 1 | 1, m + 1, r, p, v);
    pushUp(rt);
}
int query(int rt,int l,int r, int _l, int _r) {
    if (_l <= l && r <= _r) return t[rt];
    int m = (l + r) >> 1;
    int sum(0);
    if (_r <= m) sum += query(rt << 1, l, m, _l, _r);
    else if (_l > m) sum += query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    else {
        sum += query(rt << 1, l, m, _l, _r);
        sum += query(rt << 1 | 1, m + 1, r, _l, _r);
    }
    return sum;
}
void main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    int n, tn;cin >> n;tn = n;
    while (tn--) {
        int num;cin >> num;
        build(1, 1, num);
        cout << "Case " << n - tn <<":" << endl;
        string cmd;
        int in1, in2;
        while (cin >> cmd, cmd != "End") {
            cin>> in1 >> in2;
            if (cmd == "Add") update(1, 1, num, in1, in2);
            else if (cmd == "Sub") update(1, 1, num, in1, -in2);
            else cout << query(1, 1, num, in1, in2) << endl;
        }
    }
}

ios::sync_with_stdio(false)

ios::sync_with_stdio(true)

這里的1000ms并不是真正的運行時間而是超時后就停止運行了,就是說當設置為true時,運行時間是遠遠超過設置為false時的時間的,sync_with_stdio(bool)這個語句是詢問是否與stdio庫同步,同步過程會耗費很多時間

//c++ 下全宏定義寫法
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#define MaxN 50000
#define lson rt<<1,l,m
#define rson rt<<1|1,m+1,r
#define mid int m=(l+r)>>1
#define base int rt,int l,int r
#define we_base 1,1,num
int t[MaxN*4];
inline void pushUp(int rt) { t[rt] = t[rt << 1] + t[rt << 1 | 1]; }
void build(base) {
    if (l == r) { cin >> t[rt];return; }
    mid;
    build(lson);
    build(rson);
    pushUp(rt);
}
void update(base, int p, int v) {
    if (l == r) { t[rt] += v;return; }
    mid;
    if (p <= m) update(lson, p, v);
    else update(rson, p, v);
    pushUp(rt);
}
int query(base, int _l, int _r) {
    if (_l <= l && r <= _r) return t[rt];
    mid;
    int sum(0);
    if (_r <= m) sum += query(lson, _l, _r);
    else if (_l > m) sum += query(rson, _l, _r);
    else {
        sum += query(lson, _l, _r);
        sum += query(rson, _l, _r);
    }
    return sum;
}
void main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    int n, tn;cin >> n;tn = n;
    while (tn--) {
        int num;cin >> num;
        build(we_base);
        cout << "Case " << n - tn << ":" << endl;
        string cmd;
        int in1, in2;
        while (cin >> cmd, cmd != "End") {
            cin >> in1 >> in2;
            if (cmd == "Add") update(we_base, in1, in2);
            else if (cmd == "Sub") update(we_base, in1, -in2);
            else cout << query(we_base, in1, in2) << endl;
        }
    }
}
c++ 下全宏定義寫法

然而使用c++下的頭文件和空間名,似乎用宏定義效果并不好

代碼運行各項性能對比

c寫法


c++下普通c的寫法

更改query函數將sum作為全局變量

c寫法全宏定義

c++寫法


ios::sync_with_stdio(false)

ios::sync_with_stdio(true)

c++ 下全宏定義寫法

用c++的輸入輸出流在性能上會比c的輸入輸出流慢一些,即使加了去同步語句,所以acm的代碼最好采用c的輸入輸出流

#include <cstdio>
#define s scanf
#define p printf
#define base int rt,int l,int r
#define we_base 1,1,num
#define max(v1,v2) v1>v2?v1:v2
#define lson rt<<1,l,m
#define rson rt<<1|1,m+1,r
#define mid int m=(l+r)>>1
#define MaxN 200000
int t[MaxN * 4];
inline void pushUp(int rt) { t[rt] = max(t[rt << 1], t[rt << 1 | 1]); }
void build(base) {
    if (l == r) s("%d", &t[rt]);
    else {
        mid;
        build(lson);
        build(rson);
        pushUp(rt);
    }
}
void update(base, int pos, int v) {
    if (l == r) t[rt] = v;
    else {
        mid;
        if (pos <= m) update(lson, pos, v);
        else update(rson, pos, v);
        pushUp(rt);
    }
}
int query(base, int _l, int _r) {
    if (_l <= l&&_r >= r) return t[rt];
    mid;
    if (_r <= m) return query(lson, _l, _r);
    else if (_l > m) return query(rson, _l, _r);
    else {
        int t1 = query(lson, _l, m);
        int t2 = query(rson, m + 1, _r);
        return max(t1, t2);
    }
    }
}
void main() {
    int num, m;
    while (s("%d%d", &num, &m) != EOF) {
        build(we_base);
        char cmd;
        int in1, in2;
        while (m--) {
            s("\n%c%d%d", &cmd, &in1, &in2);
            if (cmd == 'U') update(we_base, in1, in2);
            else p("%d\n", query(we_base, in1, in2));
        }
    }
}
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