从零开始掌握线段树大法
简介：
线段树（\(\texttt {Segment Tree}\)） 是一种高级数据结构，是一种基于分治思想的二叉树结构，主要用来处理区间问题。它可以在 \(O(\log n)\) 的时间复杂度内维护序列中满足结合律的变量，例如：\(max\)，\(min\)，\(\sum\) 和 \(xor\)。总的说来还是一个功能非常强大的数据结构，也有许多拓展。
下面就来逐步揭开线段树的神秘面纱。
1.线段树的基本知识及建树
线段树的本质是一棵二叉树，它有以下特性：
- 线段树的每个节点都代表一个区间；
- 线段树具有唯一的根结点，代表的区间是整个统计范围，如 \([1,N]\)；
- 线段树的每个叶子节点都代表一个长度为 \(1\) 的元区间（元线段）\([x,x]\)；
- 对于每个内部节点 \([l,r]\)，它的左子结点是 \([l,mid]\)，右子节点是 \([mid + 1,r]\)，其中 \(mid = l + r >> 2\)（向下取整），这样也保证了线段树对区间包括地不重不漏。
其实还是非常的形象，我们可以发现，除去最后一层，整棵线段树是一棵满二叉树，树的深度是 \(O(\log n)\)，因此我们可以按照与二叉堆类似的 “父子 \(2\) 倍”节点编号的方法。
- 根节点编号为 \(1\)；
- 编号为 \(x\) 的节点的左子结点编号为 \(x * 2\)，右子节点编号为 \(x * 2 + 1\)。
这样一来，就可以用结构体来存储树中的信息。这里要注意：在理想情况下，\(N\) 个节点的满二叉树有 \(N + N / 2 + N / 4 + \cdots + 2 + 1 = 2N - 1\) 个节点。因为在这种存储方式下，最后一行会产生空余，最后一行会有 \(2N\) 个空间，所以保存线段树的数组长度要不小于 \(4N\)，才能保证不会越界。
struct SegmentTree{
int l, r, data;
}tr[N];
以下都以维护区间最大值为例。
建树
其实根据上面的图，思路已经很明了了：递归建树！
代码：
void build(int p, int l, int r) {
tr[p].l = l, tr[u].r = r;
if(l == r) {
tr[p].maxx = a[l];
return ; //叶子结点
}
int mid = l + r >> 1;
build(p << 1, l , mid); //建左子树
build(p << 1 | 1, mid + 1, r); //建右子树
tr[p].maxx = max(tr[p << 1].maxx, tr[p << 1 | 1].maxx);//整合子节点的信息
}
单点修改
单点修改是一条类似 \(\texttt{"C x v"}\) 的指令，表示把 \(A[x]\) 的值修改为 \(v\)。
在线段树中，根节点（编号为 \(1\) 的节点）是所有指令的入口。所以思路就出来了：从根节点开始，递归找到代表 \([x,x]\) 区间的叶子节点，并把其值更新。由于递归时会先到达底端，再向上回溯，所以我们可以在回溯时顺便在父节点整合子节点的信息。时间复杂度为 \(O(\log n)\)。
代码：
void change(int p, int x, int val) {
if(l(p) == r(p)) {
maxx(p) = val;
return ;
}
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(x <= mid) change(ls(p), x, val); //递归左儿子
else change(rs(p), x, val); //递归右儿子
pushup(p); //整合信息
}
change(1, x, v); //调用入口
区间查询
单点修改是一条类似 \(\texttt{"Q l r"}\) 的指令，例如查询序列 \(A\) 在区间 \([l,r]\) 上的最大值，即\(\max_{l\le i\le r}A[i]\)。同样的，我们只需要从根节点开始，递归执行以下过程即可：
- 若 \([l,r]\) 完全覆盖了当前节点代表的区间，就可以直接返回该节点的信息。
- 若左儿子与 \([l,r]\) 有交集，则递归到左儿子。
- 若右儿子与 \([l,r]\) 有交集，则递归到右儿子。
代码：
int query(int p, int l, int r) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) return maxx(p);
int res = -(1 << 30);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) res = max(res, query(ls(p), l, r));
if(r > mid) res = max(res, query(rs(p), l, r));
return res;
}
该查询过程会把询问区间在线段树上分成 \(O(\log n)\) 个节点，所以时间复杂度为 \(O(\log n)\)。
为什们呢？我们不妨分类讨论一下：
\(1. \space\space l \le p_l\le l_r \le r\)，则此时完全覆盖了当前节点，直接返回。
\(2. \space\space p_l\le l\le p_r\le r\)，此时只有 \(l\) 处于节点之内，则：
\(\space\space\space\space\) (1)\(\space\space l > r\)，只会递归右子树
\(\space\space\space\space\) (2)\(\space\space l \le r\)，虽然递归两棵子树，但是右儿子会在递归后直接返回。
\(3. \space\space l\le p_l\le r\le p_r\)，即只有 \(r\) 处于节点之内，与情况 \(2\) 类似。
\(4. \space\space p_l\le l\le r\le p_r\)，即 \(l\) 和 \(r\) 都位于节点之内。
\(\space\space\space\space\) (1)\(\space\space l,r\) 都位于 \(mid\) 的一侧，只会递归一棵子树。
\(\space\space\space\space\) (2)\(\space\space l,r\) 分别位于 \(mid\) 的两侧，递归左右两棵子树。
也就是说，只有情况 \(4(2)\) 会真正产生对左右两棵子树的递归。这种情况至多发生一次，之后在子结点上就会变成情况 \(2\) 或 \(3\)。因此，上述查询过程的时间复杂度为 \(O(2\log n) = O(\log n)\)。从宏观上理解，相当于 \(l,r\) 两个端点分别在线段树上划分一条递归访问路径，情况 \(4(2)\) 在两条路径与从下往上的第一次交会处产生。
区间修改
这种情况就要比单点修改棘手一点，毕竟要比人家多改很多点，但时间复杂度还要在一个数量级，确实不简单。
试想一下，某个非叶子节点被修改区间 \([l,r]\) 完全覆盖，若直接从上到下传导修改信息，那么以该节点为根的子树就要全部被修改，时间按复杂度 \(O(n)\)，这是我们不能接受的。
再试想，对于一次区间修改如果我们发现某个节点 \(p\) 所代表的区间被查询区间 \([l,r]\) 完全覆盖，并将此子树 \(p\) 全部更新。但是在之后的查询操作中却完全没有用到 \([l,r]\) 的子区间的信息，那么更新整棵子树就是徒劳。
那怎么办呢？这时候就需要引入一个新的东西：“延迟标记”，又叫做 \(\texttt{lazy tag}\)，来标识“该节点曾经被修改，但其子节点尚未被更新”。
如果在后续的指令中，需要从节点 \(p\) 、向下递归，我们再检查 \(p\) 是否有标记。若有标记，就先把 \(p\) 的子节点更新，给两个子节点打上标记，再把 \(p\) 的标记消除。
这样一来，除了在修改指令中直接划分的 \(O(\log n)\) 个节点之外，对任意节点修改都延迟到“在后续操作中递归进入它的父节点时”在执行。每条查询或修改操作的时间复杂度都降低到了 \(O(\log n)\)。
【模板】线段树 1
代码：
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 100010;
typedef long long ll;
struct SegmentTree {
int l, r;
ll sum, add;
#define l(x) tr[x].l
#define r(x) tr[x].r
#define sum(x) tr[x].sum
#define add(x) tr[x].add
}tr[N * 4];
int n, m;
ll a[N];
void build(int p, int l, int r) {
l(p) = l, r(p) = r;
if(l == r) { sum(p) = a[l]; return ; }
int mid = l + r >> 1;
build(p * 2, l, mid);
build(p * 2 + 1, mid + 1, r);
sum(p) = sum(p * 2) + sum(p * 2 + 1);
}
void spread(int p) {
if(add(p)) {
sum(p * 2) += add(p) * (r(p * 2) - l(p * 2) + 1);
sum(p * 2 + 1) += add(p) * (r(p * 2 + 1) - l(p * 2 + 1) + 1); //更新子节点
add(p * 2) += add(p);
add(p * 2 + 1) += add(p); //下传标记
add(p) = 0; //消除父节点的标记
}
}
void change(int p, int l, int r, ll val) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) { sum(p) += val * (r(p) - l(p) + 1), add(p) += val; return ; } //完全包含
spread(p); //下传懒标记
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) change(p * 2, l, r, val);
if(r > mid) change(p * 2 + 1, l, r, val);
sum(p) = sum(p * 2) + sum(p * 2 + 1);
}
ll query(int p, int l, int r) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) return sum(p);
spread(p); //查询也要下传懒标记
ll res = 0;
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) res += query(p * 2, l, r);
if(r > mid) res += query(p * 2 + 1, l, r);
return res;
}
int main() {
scanf("%d%d", &n, &m);
for(int i = 1; i <= n; i++) scanf("%lld", &a[i]);
build(1, 1, n);
int op, x, y;
ll k;
while(m--) {
scanf("%d%d%d", &op, &x, &y);
if(op == 1) {
scanf("%lld", &k);
change(1, x, y, k);
}
else {
printf("%lld\n", query(1, x, y));
}
}
return 0;
}
【模板】线段树 2
这道题要维护乘和加两个懒标记。
注意：要先乘再加，并且再乘之后 add 的懒标记也要相对改变。
代码：
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 100010;
typedef long long ll;
int n, m, mod;
ll a[N];
struct SegmentTree{
int l, r;
ll sum, add, mul;
#define l(x) tr[x].l
#define r(x) tr[x].r
#define sum(x) tr[x].sum
#define add(x) tr[x].add
#define mul(x) tr[x].mul
}tr[N * 4];
int ls(int p) {return p * 2;}
int rs(int p) {return p * 2 + 1;}
void pushup(int p) {sum(p) = (sum(ls(p)) + sum(rs(p))) % mod;}
void build(int p, int l, int r) {
l(p) = l, r(p) = r, mul(p) = 1;
if(l == r) {
sum(p) = a[l] % mod;
return ;
}
int mid = l + r >> 1;
build(ls(p), l, mid);
build(rs(p), mid + 1, r);
pushup(p);
}
void spread(int p) {
sum(ls(p)) = (sum(ls(p)) * mul(p) % mod + (r(ls(p)) - l(ls(p)) + 1) * add(p) % mod) % mod;
sum(rs(p)) = (sum(rs(p)) * mul(p) % mod + (r(rs(p)) - l(rs(p)) + 1) * add(p) % mod) % mod; //更新sum，注意先乘再加
mul(ls(p)) = mul(ls(p)) * mul(p) % mod;
mul(rs(p)) = mul(rs(p)) * mul(p) % mod;
add(ls(p)) = (add(p) + add(ls(p)) * mul(p) % mod) % mod;
add(rs(p)) = (add(p) + add(rs(p)) * mul(p) % mod) % mod; //add 懒标记也要变
mul(p) = 1, add(p) = 0; //消除懒标记
}
void change1(int p, int l, int r, ll val) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) {
sum(p) = sum(p) * val % mod;
mul(p) = mul(p) * val % mod;
add(p) = add(p) * val % mod; //add 懒标记也要改变
return ;
}
spread(p);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) change1(ls(p), l, r, val);
if(r > mid) change1(rs(p), l, r, val);
pushup(p);
}
void change2(int p, int l, int r, ll val) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) {
sum(p) = (sum(p) + (r(p) - l(p) + 1) * val % mod) % mod;
add(p) = (add(p) + val) % mod;
return ;
}
spread(p);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) change2(ls(p), l, r, val);
if(r > mid) change2(rs(p), l, r, val);
pushup(p);
}
ll query(int p, int l, int r) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) return sum(p);
spread(p);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
ll res = 0;
if(l <= mid) res = (res + query(ls(p), l, r)) % mod;
if(r > mid) res = (res + query(rs(p), l, r)) % mod;
return res;
}
int main() {
scanf("%d%d%d", &n, &m, &mod);
for(int i = 1; i <= n; i++) scanf("%lld", &a[i]);
build(1, 1, n);
int op, x, y;
ll k;
while(m--) {
scanf("%d%d%d", &op, &x, &y);
if(op == 1) {
scanf("%lld", &k);
change1(1, x, y, k);
}
else if(op == 2) {
scanf("%lld", &k);
change2(1, x, y, k);
}
else {
printf("%lld\n", query(1, x, y));
}
}
return 0;
}
P1253 扶苏的问题
要多维护一个覆盖的懒标记。
注意：覆盖某节点时该节点的 add 懒标记要清零（人都没了还更新啥）。
代码：
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
using namespace std;
const int N = 1000010;
typedef long long ll;
const ll inf = 0x3f3f3f3f3f3f3f3f;
struct SegmentTree{
int l, r;
ll add, cover, maxx;
#define l(x) tr[x].l
#define r(x) tr[x].r
#define maxx(x) tr[x].maxx
#define add(x) tr[x].add
#define cover(x) tr[x].cover
}tr[N * 4];
int n, q;
ll a[N];
int ls(int p) {return p << 1;}
int rs(int p) {return p << 1 | 1;}
void pushup(int p) {maxx(p) = max(maxx(ls(p)), maxx(rs(p)));}
void spread(int p){
if(cover(p) != -inf && l(p) != r(p)){
maxx(ls(p)) = cover(p);
maxx(rs(p)) = cover(p);
cover(ls(p)) = cover(p);
cover(rs(p)) = cover(p);
add(ls(p)) = add(rs(p)) = 0;
cover(p) = -inf;
}
if(add(p) && l(p) != r(p)) {
maxx(ls(p)) += add(p);
maxx(rs(p)) += add(p);
add(ls(p)) += add(p);
add(rs(p)) += add(p);
add(p) = 0;
}
}
void build(int p, int l, int r) {
l(p) = l, r(p) = r, cover(p) = -inf;
if(l == r) {
maxx(p) = a[l];
return ;
}
int mid = l + r >> 1;
build(ls(p), l, mid);
build(rs(p), mid + 1, r);
pushup(p);
}
void change(int p, int l, int r, ll val) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) {
maxx(p) = val;
add(p) = 0;
cover(p) = val;
return ;
}
spread(p);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) change(ls(p), l, r, val);
if(r > mid) change(rs(p), l, r, val);
pushup(p);
}
void pluss(int p, int l, int r, ll val) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) {
maxx(p) += val;
add(p) += val;
return ;
}
spread(p);
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) pluss(ls(p), l, r, val);
if(r > mid) pluss(rs(p), l, r, val);
pushup(p);
}
ll query(int p, int l, int r) {
if(l <= l(p) && r >= r(p)) return maxx(p);
spread(p);
ll res = -inf;
int mid = l(p) + r(p) >> 1;
if(l <= mid) res = max(res, query(ls(p), l, r));
if(r > mid) res = max(res, query(rs(p), l, r));
return res;
}
int main() {
scanf("%d%d", &n, &q);
for(int i = 1; i <= n; i++) scanf("%lld", &a[i]);
build(1, 1, n);
int op, x, y;
ll k;
while(q--) {
scanf("%d%d%d", &op, &x, &y);
if(op == 1) {
scanf("%lld", &k);
change(1, x, y, k);
}
else if(op == 2) {
scanf("%lld", &k);
pluss(1, x, y, k);
}
else {
printf("%lld\n", query(1, x, y));
}
}
return 0;
}
