基于C#实现线段树

一、线段树

线段树又称"区间树”，在每个节点上保存一个区间，当然区间的划分采用折半的思想，叶子节点只保存一个值，也叫单元节点，所以最终的构造就是一个平衡的二叉树，拥有 CURD 的 O(lgN)的时间。

从图中我们可以清楚的看到[0-10]被划分成线段的在树中的分布情况，针对区间[0-N]，最多有 2N 个节点，由于是平衡二叉树的形式也可以像堆那样用数组来玩，不过更加耗费空间，为最多 4N 个节点，在针对 RMQ 的问题上，我们常常在每个节点上增加一些 sum，max，min 等变量来记录求得的累加值，当然你可以理解成动态规划的思想，由于拥有 logN 的时间，所以在 RMQ 问题上比数组更加优美。

二、代码

1、在节点中定义一些附加值，方便我们处理 RMQ 问题。

 #region 线段树的节点
 /// <summary>
 /// 线段树的节点
 /// </summary>
 public class Node
 {
     /// <summary>
     /// 区间左端点
     /// </summary>
     public int left;

     /// <summary>
     /// 区间右端点
     /// </summary>
     public int right;

     /// <summary>
     /// 左孩子
     /// </summary>
     public Node leftchild;

     /// <summary>
     /// 右孩子
     /// </summary>
     public Node rightchild;

     /// <summary>
     /// 节点的sum值
     /// </summary>
     public int Sum;

     /// <summary>
     /// 节点的Min值
     /// </summary>
     public int Min;

     /// <summary>
     /// 节点的Max值
     /// </summary>
     public int Max;
 }
 #endregion

2、构建(Build)
前面我也说了，构建有两种方法，数组的形式或者链的形式，各有特点，我就采用后者，时间为 O(N)。

  #region 根据数组构建“线段树"
 /// <summary>
 /// 根据数组构建“线段树"
 /// </summary>
 /// <param name="length"></param>
 public Node Build(int[] nums)
 {
     this.nums = nums;

     return Build(nodeTree, 0, nums.Length - 1);
 }
 #endregion

 #region 根据数组构建“线段树"
 /// <summary>
 /// 根据数组构建“线段树"
 /// </summary>
 /// <param name="left"></param>
 /// <param name="right"></param>
 public Node Build(Node node, int left, int right)
 {
     //说明已经到根了，当前当前节点的max，sum，min值（回溯时统计上一层节点区间的值）
     if (left == right)
     {
         return new Node
         {
             left = left,
             right = right,
             Max = nums[left],
             Min = nums[left],
             Sum = nums[left]
         };
     }

     if (node == null)
         node = new Node();

     node.left = left;

     node.right = right;

     node.leftchild = Build(node.leftchild, left, (left + right) / 2);

     node.rightchild = Build(node.rightchild, (left + right) / 2 + 1, right);

     //统计左右子树的值(min，max，sum)
     node.Min = Math.Min(node.leftchild.Min, node.rightchild.Min);
     node.Max = Math.Max(node.leftchild.Max, node.rightchild.Max);
     node.Sum = node.leftchild.Sum + node.rightchild.Sum;

     return node;
 }
 #endregion

3、区间查询
在线段树中，区间查询还是有点小麻烦的，存在三种情况。
① 完全包含：也就是节点的线段范围完全在查询区间的范围内，这说明我们要么到了“单元节点",要么到了一个子区间，这种情况就是我找到了查询区间的某一个子区间，直接累积该区间值就可以了。
② 左交集：这种情况我们需要到左子树去遍历。
③ 右交集：这种情况我们需要到右子树去遍历。
比如说：我要查询 Sum[4-8]的值,最终会成为:Sum 总=Sum[4-4]+Sum[5-5]+Sum[6-8]，时间为 log(N)。

 #region 区间查询
 /// <summary>
 /// 区间查询(分解)
 /// </summary>
 /// <returns></returns>
 public int Query(int left, int right)
 {
     int sum = 0;

     Query(nodeTree, left, right, ref sum);

     return sum;
 }

 /// <summary>
 /// 区间查询
 /// </summary>
 /// <param name="left">查询左边界</param>
 /// <param name="right">查询右边界</param>
 /// <param name="node">查询的节点</param>
 /// <returns></returns>
 public void Query(Node node, int left, int right, ref int sum)
 {
     //说明当前节点完全包含在查询范围内，两点：要么是单元节点，要么是子区间
     if (left <= node.left && right >= node.right)
     {
         //获取当前节点的sum值
         sum += node.Sum;
         return;
     }
     else
     {
         //如果当前的left和right 和node的left和right无交集，此时可返回
         if (node.left > right || node.right < left)
             return;

         //找到中间线
         var middle = (node.left + node.right) / 2;

         //左孩子有交集
         if (left <= middle)
         {
             Query(node.leftchild, left, right, ref sum);
         }
         //右孩子有交集
         if (right >= middle)
         {
             Query(node.rightchild, left, right, ref sum);
         }

     }
 }
 #endregion

4、更新操作
这个操作跟树状数组中的更新操作一样，当递归的找到待修改的节点后，改完其值然后在当前节点一路回溯，并且在回溯的过程中一路修改父节点的附加值直到根节点，至此我们的操作就完成了，复杂度同样为 logN。

 #region 更新操作
 /// <summary>
 /// 更新操作
 /// </summary>
 /// <param name="index"></param>
 /// <param name="key"></param>
 public void Update(int index, int key)
 {
     Update(nodeTree, index, key);
 }

 /// <summary>
 /// 更新操作
 /// </summary>
 /// <param name="index"></param>
 /// <param name="key"></param>
 public void Update(Node node, int index, int key)
 {
     if (node == null)
         return;

     //取中间值
     var middle = (node.left + node.right) / 2;

     //遍历左子树
     if (index >= node.left && index <= middle)
         Update(node.leftchild, index, key);

     //遍历右子树
     if (index <= node.right && index >= middle + 1)
         Update(node.rightchild, index, key);

     //在回溯的路上一路更改，复杂度为lgN
     if (index >= node.left && index <= node.right)
     {
         //说明找到了节点
         if (node.left == node.right)
         {
             nums[index] = key;

             node.Sum = node.Max = node.Min = key;
         }
         else
         {
             //回溯时统计左右子树的值(min，max，sum)
             node.Min = Math.Min(node.leftchild.Min, node.rightchild.Min);
             node.Max = Math.Max(node.leftchild.Max, node.rightchild.Max);
             node.Sum = node.leftchild.Sum + node.rightchild.Sum;
         }
     }
 }
 #endregion

最后我们做个例子，在 2000000 的数组空间中，寻找 200-3000 区间段的 sum 值，看看他的表现如何。

 using System;
 using System.Collections.Generic;
 using System.Linq;
 using System.Text;
 using System.Diagnostics;
 using System.Threading;
 using System.IO;
 
 namespace ConsoleApplication2
 {
     public class Program
     {
         public static void Main()
         {
             int[] nums = new int[200 * 10000];
 
             for (int i = 0; i < 10000 * 200; i++)
             {
                 nums[i] = i;
             }
 
             Tree tree = new Tree();
 
             //将当前数组构建成 “线段树”
             tree.Build(nums);
 
             var watch = Stopwatch.StartNew();
 
             var sum = tree.Query(200, 3000);
 
             watch.Stop();
 
             Console.WriteLine("耗费时间:{0}ms,  当前数组有:{1}个数字, 求出Sum=:{2}", watch.ElapsedMilliseconds, nums.Length, sum);
 
             Console.Read();
         }
     }
 
     public class Tree
     {
         #region 线段树的节点
         /// <summary>
         /// 线段树的节点
         /// </summary>
         public class Node
         {
             /// <summary>
             /// 区间左端点
             /// </summary>
             public int left;
 
             /// <summary>
             /// 区间右端点
             /// </summary>
             public int right;
 
             /// <summary>
             /// 左孩子
             /// </summary>
             public Node leftchild;
 
             /// <summary>
             /// 右孩子
             /// </summary>
             public Node rightchild;
 
             /// <summary>
             /// 节点的sum值
             /// </summary>
             public int Sum;
 
             /// <summary>
             /// 节点的Min值
             /// </summary>
             public int Min;
 
             /// <summary>
             /// 节点的Max值
             /// </summary>
             public int Max;
         }
         #endregion
 
         Node nodeTree = new Node();
 
         int[] nums;
 
         #region 根据数组构建“线段树"
         /// <summary>
         /// 根据数组构建“线段树"
         /// </summary>
         /// <param name="length"></param>
         public Node Build(int[] nums)
         {
             this.nums = nums;
 
             return Build(nodeTree, 0, nums.Length - 1);
         }
         #endregion
 
         #region 根据数组构建“线段树"
         /// <summary>
         /// 根据数组构建“线段树"
         /// </summary>
         /// <param name="left"></param>
         /// <param name="right"></param>
         public Node Build(Node node, int left, int right)
         {
             //说明已经到根了，当前当前节点的max，sum，min值（回溯时统计上一层节点区间的值）
             if (left == right)
             {
                 return new Node
                 {
                     left = left,
                     right = right,
                     Max = nums[left],
                     Min = nums[left],
                     Sum = nums[left]
                 };
             }
 
             if (node == null)
                 node = new Node();
 
             node.left = left;
 
             node.right = right;
 
             node.leftchild = Build(node.leftchild, left, (left + right) / 2);
 
             node.rightchild = Build(node.rightchild, (left + right) / 2 + 1, right);
 
             //统计左右子树的值(min，max，sum)
             node.Min = Math.Min(node.leftchild.Min, node.rightchild.Min);
             node.Max = Math.Max(node.leftchild.Max, node.rightchild.Max);
             node.Sum = node.leftchild.Sum + node.rightchild.Sum;

             return node;
         }
         #endregion
 
         #region 区间查询
         /// <summary>
         /// 区间查询(分解)
         /// </summary>
         /// <returns></returns>
         public int Query(int left, int right)
         {
             int sum = 0;
 
             Query(nodeTree, left, right, ref sum);
 
             return sum;
         }
 
         /// <summary>
         /// 区间查询
         /// </summary>
         /// <param name="left">查询左边界</param>
         /// <param name="right">查询右边界</param>
         /// <param name="node">查询的节点</param>
         /// <returns></returns>
         public void Query(Node node, int left, int right, ref int sum)
         {
             //说明当前节点完全包含在查询范围内，两点：要么是单元节点，要么是子区间
             if (left <= node.left && right >= node.right)
             {
                 //获取当前节点的sum值
                 sum += node.Sum;
                 return;
             }
             else
             {
                 //如果当前的left和right 和node的left和right无交集，此时可返回
                 if (node.left > right || node.right < left)
                     return;
 
                 //找到中间线
                 var middle = (node.left + node.right) / 2;
 
                 //左孩子有交集
                 if (left <= middle)
                 {
                     Query(node.leftchild, left, right, ref sum);
                 }
                 //右孩子有交集
                 if (right >= middle)
                 {
                     Query(node.rightchild, left, right, ref sum);
                 }
 
             }
         }
         #endregion
 
         #region 更新操作
         /// <summary>
         /// 更新操作
         /// </summary>
         /// <param name="index"></param>
         /// <param name="key"></param>
         public void Update(int index, int key)
         {
             Update(nodeTree, index, key);
         }
 
         /// <summary>
         /// 更新操作
         /// </summary>
         /// <param name="index"></param>
         /// <param name="key"></param>
         public void Update(Node node, int index, int key)
         {
             if (node == null)
                 return;
 
             //取中间值
             var middle = (node.left + node.right) / 2;
 
             //遍历左子树
             if (index >= node.left && index <= middle)
                 Update(node.leftchild, index, key);
 
             //遍历右子树
             if (index <= node.right && index >= middle + 1)
                 Update(node.rightchild, index, key);
 
             //在回溯的路上一路更改，复杂度为lgN
             if (index >= node.left && index <= node.right)
             {
                 //说明找到了节点
                 if (node.left == node.right)
                 {
                     nums[index] = key;
 
                     node.Sum = node.Max = node.Min = key;
                 }
                 else
                 {
                     //回溯时统计左右子树的值(min，max，sum)
                     node.Min = Math.Min(node.leftchild.Min, node.rightchild.Min);
                     node.Max = Math.Max(node.leftchild.Max, node.rightchild.Max);
                     node.Sum = node.leftchild.Sum + node.rightchild.Sum;
                 }
             }
         }
         #endregion
     }
 }