高级二叉树——线段树原理及实现

1 线段树的定义 
首先，线段树是一棵二叉树。它的特点是：每个结点表示的是一个线段，或者说是一个区间。事实上，一棵线段树的根结点表示的是“整体”区间，而它的左右子树也是一棵线段树，分别表示区间的左半边和右半边。树中的每个结点表示一个区间[a,b]。每一个叶子结点表示一个单位区间。对于每一个非叶结点所表示的结点[a,b]，其左孩子表示的区间为[a,(a+b)/2]，右孩子表示的区间为[(a+b)/2,b]。 用T(a, b)表示一棵线段树，参数a,b表示区间[a,b]，其中b-a称为区间的长度，记为L。 
线段树主要用于高效解决连续区间的动态查询问题，由于二叉结构的特性，使用线段树可以快速的查找某一个节点在若干条线段中出现的次数，时间复杂度为O(logN）。而未优化的空间复杂度为2N，因此有时需要离散化让空间压缩。

2 线段树的实现 
以下面这棵线段树为例： 

 

代码如下：

public class SegmentTree<E> {
	private E[] data;
	private E[] tree;
	private Merger<E> merger;

	public SegmentTree(E[] arr, Merger<E> merger) {

		this.merger = merger;

		data = (E[]) new Object[arr.length];
		for (int i = 0; i < arr.length; i++)
			data[i] = arr[i];

		tree = (E[]) new Object[4 * arr.length];// 开启一个四倍大小的新数组
		buildSegmentTree(0, 0, arr.length - 1);
	}

	private void buildSegmentTree(int treeIndex, int l, int r) {
		if (l == r) {
			// 代表当前这个treeIndex再没有左右子节点了，直接赋值吧
			tree[treeIndex] = data[r];
			return;
		}
		// 否则继续找到index的左右子树，继续遍历
		int mid = (l + r) / 2;
		int lChild = leftChild(treeIndex);
		int rChild = rightChild(treeIndex);
		buildSegmentTree(lChild, l, mid);
		buildSegmentTree(rChild, mid + 1, r);
		// 需要把俩边的子树的值加起来
		tree[treeIndex] = merger.merge(tree[lChild], tree[rChild]);
	}

	public int getSize() {
		return data.length;
	}

	public E get(int index) {
		if (index < 0 || index >= data.length)
			throw new IllegalArgumentException("Index is illegal.");
		return data[index];
	}

	// 返回完全二叉树的数组表示中，一个索引所表示的元素的左孩子节点的索引
	private int leftChild(int index) {
		return 2 * index + 1;
	}

	// 返回完全二叉树的数组表示中，一个索引所表示的元素的右孩子节点的索引
	private int rightChild(int index) {
		return 2 * index + 2;
	}

	public static void main(String[] args) {

		Integer[] nums = { -2, 0, 3, -5, 2, -1 };

		SegmentTree<Integer> segTree = new SegmentTree<>(nums,
				new Merger<Integer>() {

					@Override
					public Integer merge(Integer a, Integer b) {
						return a + b;
					}

				});
		System.out.println(segTree);
		System.out.println(segTree.query(1, 3));
		segTree.set(1, 1);
		System.out.println(segTree.query(1, 3));
	}

	// 返回区间[queryL, queryR]的值
	public E query(int queryL, int queryR) {

		if (queryL < 0 || queryL >= data.length || queryR < 0
				|| queryR >= data.length || queryL > queryR)
			throw new IllegalArgumentException("Index is illegal.");

		return query(0, 0, data.length - 1, queryL, queryR);
	}

	// 在以treeIndex为根的线段树中[l...r]的范围里，搜索区间[queryL...queryR]的值
	private E query(int treeIndex, int l, int r, int queryL, int queryR) {
		// treeIndex 二叉树的节点的下标
		// l,r线段树每个节点代表的区间
		if (l == queryL && r == queryR) {
			return tree[treeIndex];
		}
		int mid = (l + r) / 2;
		int lChild = leftChild(treeIndex);
		int rChild = rightChild(treeIndex);
		if (queryL > mid) {
			return query(rChild, mid + 1, r, queryL, queryR);
		} else if (queryR < mid + 1) {
			return query(lChild, l, mid, queryL, queryR);
		}
		// 如果上面俩都没进去的话，代表当前的查询区间融合了左右子树
		// 这个时候我们需要两边都分别的查询一下，然后汇总
		E lRes = query(lChild, l, mid, queryL, mid);
		E rRes = query(rChild, mid + 1, r, mid + 1, queryR);
		return merger.merge(lRes, rRes);
	}

	// 将index位置的值，更新为e
	public void set(int index, E e) {

		if (index < 0 || index >= data.length)
			throw new IllegalArgumentException("Index is illegal");

		data[index] = e;
		set(0, 0, data.length - 1, index, e);
	}

	// 在以treeIndex为根的线段树中更新index的值为e
	private void set(int treeIndex, int l, int r, int index, E e) {
		if (l == r) {
			// 代表当前的treeindex就是index了
			tree[treeIndex] = e;
			return;
		}
		int mid = (l + r) / 2;
		int lChild = leftChild(treeIndex);
		int rChild = rightChild(treeIndex);
		if (index > mid) {
			set(rChild, mid + 1, r, index, e);
		} else {
			set(lChild, l, mid, index, e);
		}
		tree[treeIndex] = merger.merge(tree[lChild], tree[rChild]);
	}
}