一、题目
1、题目描述
给你一个整数数组 nums 以及两个整数 lower 和 upper 。求数组中,值位于范围 [lower, upper] (包含 lower 和 upper)之内的 区间和的个数 。
区间和 S(i, j)表示在 nums 中,位置从 i 到 j 的元素之和,包含 i 和 j (i ≤ j)。
示例1:
输入:nums = [-2,5,-1], lower = -2, upper = 2
输出:3
解释:存在三个区间:[0,0]、[2,2] 和 [0,2] ,对应的区间和分别是:-2 、-1 、2 。
示例2:
输入:nums = [0], lower = 0, upper = 0
输出:1
提示:
- 1 < = n u m s . l e n g t h < = 1 0 5 1 <= nums.length <= 10^5 1<=nums.length<=105
- − 2 31 < = n u m s [ i ] < = 2 31 − 1 -2^{31} <= nums[i] <= 2^{31} - 1 −231<=nums[i]<=231−1
- − 1 0 5 < = l o w e r < = u p p e r < = 1 0 5 -10^5 <= lower <= upper <= 10^5 −105<=lower<=upper<=105
- 题目数据保证答案是一个 32 位 的整数
2、基础框架
class Solution {
public:
    int countRangeSum(vector<int>& nums, int lower, int upper) {
    }
};
3、原题链接
327. 区间和的个数
二、解题报告
1、思路分析
  (1)如果暴力解决,时间复杂度为 
    
     
      
       
        O
       
       
        (
       
       
        
         N
        
        
         3
        
       
       
        )
       
      
      
       O(N^3)
      
     
    O(N3),因为子数组的数量为 
    
     
      
       
        O
       
       
        (
       
       
        
         N
        
        
         2
        
       
       
        )
       
      
      
       O(N^2)
      
     
    O(N2),而遍历验证这些子数组的和的时间复杂度为 
    
     
      
       
        O
       
       
        (
       
       
        N
       
       
        )
       
      
      
       O(N)
      
     
    O(N),所以总的时间复杂度为 
    
     
      
       
        O
       
       
        (
       
       
        
         N
        
        
         3
        
       
       
        )
       
      
      
       O(N^3)
      
     
    O(N3)
   (2)优化1:利用前缀和数组,则不用遍历验证子数组的和,时间复杂度就变成 
    
     
      
       
        O
       
       
        (
       
       
        
         N
        
        
         2
        
       
       
        )
       
      
      
       O(N^2)
      
     
    O(N2)
   (3)优化2:任何一个子数组都会以某个位置结尾(常见思维模型),如果以 
    
     
      
       
        i
       
      
      
       i
      
     
    i 位置结尾的子数组达标的个数为 
    
     
      
       
        a
       
      
      
       a
      
     
    a 个,以 
    
     
      
       
        j
       
      
      
       j
      
     
    j 位置结尾的子数组达标的个数为 
    
     
      
       
        b
       
      
      
       b
      
     
    b 个,那么最终结果为每个位置结尾的子数组达标的个数之和(即先求以每个位置结尾的子数组和的达标个数)
   (4)如果 
    
     
      
       
        s
       
       
        u
       
       
        m
       
       
        (
       
       
        i
       
       
        .
       
       
        .
       
       
        .
       
       
        j
       
       
        )
       
      
      
       sum(i...j)
      
     
    sum(i...j) 累加和在 [lower, upper] 范围上,那么 
    
     
      
       
        s
       
       
        u
       
       
        m
       
       
        (
       
       
        0...
       
       
        j
       
       
        )
       
       
        −
       
       
        s
       
       
        u
       
       
        m
       
       
        (
       
       
        0...
       
       
        i
       
       
        −
       
       
        1
       
       
        )
       
      
      
       sum(0...j) - sum(0...i - 1)
      
     
    sum(0...j)−sum(0...i−1) 也在这个范围上。
举例:数组 arr(0…17),要求的范围为 [10, 40],那么如何求以 17 这个位置为结尾的子数组和落在 [10,40] 这个范围上的个数。
假设 arr(0…17) 的前缀和为 100,本质上就是在求必须以0开头有多少个前缀和落在 [100 - upper, 100 - lower] = [60, 90] 这个范围上,再一经转化就能得到以 17 位置为结尾的子数组。再具体点,sum(0…17) = 100,而sum(0…5) = 10,则可以反推出 sum(6…17) 的累加和 = 100 - 10 = 90,也就是说 arr[6] ~ arr[17] 这个子数组是达标的。
总结来说就是假设 0 ~ i i i 整体累加和是 x x x,题目的目标是 [ l o w e r , u p p e r ] [lower, upper] [lower,upper],思路转化为求必须以 i i i 位置结尾的子数组累加和有多少个落在 [ l o w e r , u p p e r ] [lower, upper] [lower,upper] 范围上 等同于 必须从0出发有多少个前缀和在 [ x − u p p e r , x − l o w e r ] [x - upper, x - lower] [x−upper,x−lower] 上
原始数组 nums 处理成前缀和数组 sum,求 sum 数组中的每个数 x 之前有多少个数落在 [x - upper, x - lower] 范围上,怎么求呢?
假设数组为 [3, -2, 4, 3, 6, -1],而目标范围是[1,5]。
准备一个结构,存放前缀和,一开始初始化时没有前缀和,可以在该结构中放一个0。
首先来到 0 位置,值为3,该位置为了达标,等同于要找它之前在结构中有几个数在[3 - 5, 3 - 1] = [-2, 2] 范围,在存放前缀和的结构中发现只有1个0,于是以0位置结尾的子数组达标个数为1,然后将当前的前缀和 sum = 3 放入到结构中。结构目前的值[0,3];
接着来到 1 位置,当前前缀和sum = 3 + (-2) = 1,等同于在问结构中有多少个数在[1 - 5, 1 - 1] = [-4, 0] 范围,发现只有0,于是1位置达标的子数组个数为1,然后将当前的前缀和 1 加入到结构中。结构目前的值 [0,3,1];
接着来到 2 位置,当前前缀和 sum = 1 + 4 = 5,等同于在问结构中有多少个数在 [5 - 5, 5 - 1] = [0, 4] 范围,发现有3个(0,3,1),所以以2位置结尾的子数组达标个数是3,然后将当前的前缀和 5 放入结构中。结构目前的值 [0,3,1,5];
以此类推。
那么这个结构应该具备什么样的性质呢?
-  首先,这个结构能进行插入操作,此处插入的是整数; 
-  其次,该结构能提供一种查询:有多少个数字落在给定的 [a,b] 范围上; 
-  最后,该结构还必须能存放重复的数字。 
假设某种结构中存储的数字全部按序组织且可以接受重复的数字,要支持从[a,b]的值的查询并不需要直接提供这种功能,只需要支持一种查询:小于某个key的数量。举例:要求[5,10]范围上的数字个数,先求小于5的数字个数 c 1 c1 c1,再求小于11的数字个数 c 2 c2 c2,则 c 2 − c 1 c2 - c1 c2−c1 就是 [5,10] 范围上的数字个数。
所以该问题实际就变成了这个结构要实现3个功能:
 (1)可以存储重复数字;
 (2)可以添加数字;
 (3)可以查询小于key的数字个数。
这里就要提到一个问题:有序表不能接收重复的数字,在有序表上每个key都是不同的。那如果要使用有序表,该怎么办呢?
这个问题很好解决——将多个数字压在一起即可。增加一个数据项记录每个结点经过的数字个数,用压在一起的方式生成一棵树。
例如给定的数字是[5, 5, 3, 3, 3, 6, 6],则依次形成的树为:
 
 如何统计 5 的个数呢?在最后生成的树上,左树3个数,右树2个数,所以 5 的个数就是 
    
     
      
       
        7
       
       
        −
       
       
        (
       
       
        3
       
       
        +
       
       
        2
       
       
        )
       
       
        =
       
       
        2
       
      
      
       7 - (3 +2) = 2
      
     
    7−(3+2)=2 个。
这样的树就能支持查询小于key的数的个数,比如如下的树要查询 < 46 的值的个数:(往左不累加,往右才累加)
 
系统的有序表之所以没有做这个功能,是因为并不知道根据实际情况需要用到什么辅助数据项,如果不管应用场景,添加的若干数据项就会非常冗余。
至此,梳理下本题的脉络:要求的是整个数组中有多少个子数组的累加和落在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 范围上,只要是子数组问题,满足某个S标准(此处就是累加和在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 范围),通常的思路就是必须以 i i i 位置结尾的情况下有多少个子数组达标,进而做了一个转化,假设 0~ i i i 的累加和是 S S S,要想求子数组必须以 i i i 结尾的情况下,有几个子数组的累加和在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 范围上,其实质就是在求 i i i 之前有多少个前缀和在 [ S − b , S − a ] [S-b, S-a] [S−b,S−a] 这个范围上。
进而想到了需要一个黑盒,这个黑盒可以放置所有的前缀和,且不去重,来到 i i i 位置的时候(假设到 i i i 位置的前缀和为S),如果之前的前缀和都在这结构中,且能查出在该结构中落在 [ S − b , S − a ] [S-b, S-a] [S−b,S−a] 范围的数量,对每个位置查询出来的结果相加就是全局的答案。
2、时间复杂度
O ( N l o g N ) O(N logN) O(NlogN)
3、代码详解
C++版
class Solution {
public:
    class SBTNode {
    public:
        long key;
        SBTNode *lchild;
        SBTNode *rchild;
        long size;
        long cnt;
        SBTNode(long k) : key(k), size(1), cnt(1), lchild(nullptr), rchild(nullptr) {}
    };
    class SizeBalancedTreeSet {
    private:
        SBTNode *root;
        unordered_set<long> hashSet;
        //右旋
        SBTNode *rightRotate(SBTNode *cur) {
            //cur的key重复的个数
            long same = cur->cnt - (cur->lchild ? cur->lchild->cnt : 0) - (cur->rchild ? cur->rchild->cnt : 0);
            //右旋
            SBTNode *leftNode = cur->lchild;
            cur->lchild = leftNode->rchild;
            leftNode->rchild = cur;
            //更新size
            leftNode->size = cur->size;
            cur->size = (cur->lchild ? cur->lchild->size : 0) + (cur->rchild ? cur->rchild->size : 0) + 1;
            //更新cnt
            leftNode->cnt = cur->cnt;
            cur->cnt = (cur->lchild ? cur->lchild->cnt : 0) + (cur->rchild ? cur->rchild->cnt : 0) + same;
            return leftNode;
        }
        //左旋
        SBTNode *leftRotate(SBTNode *cur) {
            long same = cur->cnt - (cur->lchild ? cur->lchild->cnt : 0) - (cur->rchild ? cur->rchild->cnt : 0);
            //左旋
            SBTNode *rightNode = cur->rchild;
            cur->rchild = rightNode->lchild;
            rightNode->lchild = cur;
            //更新size
            rightNode->size = cur->size;
            cur->size = (cur->lchild ? cur->lchild->size : 0) + (cur->rchild ? cur->rchild->size : 0) + 1;
            //更新cnt
            rightNode->cnt = cur->cnt;
            cur->cnt = (cur->lchild ? cur->lchild->cnt : 0) + (cur->rchild ? cur->rchild->cnt : 0) + same;
            return rightNode;
        }
        SBTNode *maintain(SBTNode *cur) {
            if (cur == nullptr) return nullptr;
            long leftSize = cur->lchild ? cur->lchild->size : 0;
            long leftLeftSize = cur->lchild && cur->lchild->lchild ? cur->lchild->lchild->size : 0;
            long leftRightSize = cur->lchild && cur->lchild->rchild ? cur->lchild->rchild->size : 0;
            long rightSize = cur->rchild ? cur->rchild->size : 0;
            long rightLeftSize = cur->rchild && cur->rchild->lchild ? cur->rchild->lchild->size : 0;
            long rightRightSize = cur->rchild && cur->rchild->rchild ? cur->rchild->rchild->size : 0;
            if (leftLeftSize > rightSize) { //LL
                cur = rightRotate(cur);
                cur->rchild = maintain(cur->rchild);
                cur = maintain(cur);
            } else if (leftRightSize > rightSize) { //LR
                cur->lchild = leftRotate(cur->lchild);
                cur = rightRotate(cur);
                cur->lchild = maintain(cur->lchild);
                cur->rchild = maintain(cur->rchild);
                cur = maintain(cur);
            } else if (rightRightSize > leftSize) { //RR
                cur = leftRotate(cur);
                cur->lchild = maintain(cur->lchild);
                cur = maintain(cur);
            } else if (rightLeftSize > leftSize) { //RL
                cur->rchild = rightRotate(cur->rchild);
                cur = leftRotate(cur);
                cur->lchild = maintain(cur->lchild);
                cur->rchild = maintain(cur->rchild);
                cur = maintain(cur);
            }
            return cur;
        }
        SBTNode *add(SBTNode *cur, long key, bool isExist) {
            if (cur == nullptr) {
                return new SBTNode(key);
            } else {
                //无论是否为存在的key,cnt都要更新
                cur->cnt++; 
                
                if (key == cur->key) { //已经存在的key,则直接返回
                    return cur;
                } else { //不存在的key,则新增节点挂到合适的位置
                    if (!isExist) {
                        cur->size++; //不同的key,size才会更新
                    } 
                    if (key < cur->key) {
                        cur->lchild = add(cur->lchild, key, isExist);
                    } else {
                        cur->rchild = add(cur->rchild, key, isExist);
                    }
                    return maintain(cur);
                }
            }
        }
    public:
        void add(long sum) {
            bool isExist = hashSet.count(sum) != 0;
            root = add(root, sum, isExist);
            hashSet.insert(sum);
        }
        // <key 的数字个数
        long lessKeySize(long key) {
            SBTNode *cur = root;
            long ans = 0;
            while (cur != nullptr) {
                if (key == cur->key) {
                    return ans + (cur->lchild ? cur->lchild->cnt : 0);
                } else if (key < cur->key) {
                    cur = cur->lchild;
                } else {
                    ans += cur->cnt - (cur->rchild ? cur->rchild->cnt : 0);
                    cur = cur->rchild;
                }
            }
            return ans;
        }
        // > key 的数字个数
        long moreKeySize(long key) {
            return root ? (root->cnt - lessKeySize(key + 1)) : 0;
        }
    };
    int countRangeSum(vector<int>& nums, int lower, int upper) {
        SizeBalancedTreeSet *treeSet = new SizeBalancedTreeSet();
        long sum = 0;
        int ans = 0;
        treeSet->add(0);
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
            sum += nums[i];
            long a = treeSet->lessKeySize(sum - lower + 1);
            long b = treeSet->lessKeySize(sum - upper);
            ans += a - b;
            treeSet->add(sum);
        }
        delete treeSet;
        return ans;
    }
};
Java版
class Solution {
	public static class SBTNode {
		public long key; //参与排序的key
		public SBTNode l; //左孩子
		public SBTNode r; //右孩子
		public long size; // 不同key的size,是SBT的平衡因子
		public long all; // 总的size,上文提到的附加的数据项,记录经过每个结点的数字个数 (与平衡因子毫无关联)
		public SBTNode(long k) {
			key = k;
			size = 1;
			all = 1;
		}
	}
	public static class SizeBalancedTreeSet {
		private SBTNode root;
		private HashSet<Long> set = new HashSet<>();
		private SBTNode rightRotate(SBTNode cur) { //右旋
			long same = cur.all - (cur.l != null ? cur.l.all : 0) - (cur.r != null ? cur.r.all : 0);
			SBTNode leftNode = cur.l;
			cur.l = leftNode.r;
			leftNode.r = cur;
			leftNode.size = cur.size;
			cur.size = (cur.l != null ? cur.l.size : 0) + (cur.r != null ? cur.r.size : 0) + 1;
			// all modify
			leftNode.all = cur.all; //数据项all也要变更
			cur.all = (cur.l != null ? cur.l.all : 0) + (cur.r != null ? cur.r.all : 0) + same;
			return leftNode;
		}
		private SBTNode leftRotate(SBTNode cur) { //左旋
			long same = cur.all - (cur.l != null ? cur.l.all : 0) - (cur.r != null ? cur.r.all : 0);
			SBTNode rightNode = cur.r;
			cur.r = rightNode.l;
			rightNode.l = cur;
			rightNode.size = cur.size;
			cur.size = (cur.l != null ? cur.l.size : 0) + (cur.r != null ? cur.r.size : 0) + 1;
			// all modify
			rightNode.all = cur.all; //数据项all也要变更
			cur.all = (cur.l != null ? cur.l.all : 0) + (cur.r != null ? cur.r.all : 0) + same;
			return rightNode;
		}
		private SBTNode maintain(SBTNode cur) {
			if (cur == null) {
				return null;
			}
			long leftSize = cur.l != null ? cur.l.size : 0;
			long leftLeftSize = cur.l != null && cur.l.l != null ? cur.l.l.size : 0;
			long leftRightSize = cur.l != null && cur.l.r != null ? cur.l.r.size : 0;
			long rightSize = cur.r != null ? cur.r.size : 0;
			long rightLeftSize = cur.r != null && cur.r.l != null ? cur.r.l.size : 0;
			long rightRightSize = cur.r != null && cur.r.r != null ? cur.r.r.size : 0;
			if (leftLeftSize > rightSize) {
				cur = rightRotate(cur);
				cur.r = maintain(cur.r);
				cur = maintain(cur);
			} else if (leftRightSize > rightSize) {
				cur.l = leftRotate(cur.l);
				cur = rightRotate(cur);
				cur.l = maintain(cur.l);
				cur.r = maintain(cur.r);
				cur = maintain(cur);
			} else if (rightRightSize > leftSize) {
				cur = leftRotate(cur);
				cur.l = maintain(cur.l);
				cur = maintain(cur);
			} else if (rightLeftSize > leftSize) {
				cur.r = rightRotate(cur.r);
				cur = leftRotate(cur);
				cur.l = maintain(cur.l);
				cur.r = maintain(cur.r);
				cur = maintain(cur);
			}
			return cur;
		}
		private SBTNode add(SBTNode cur, long key, boolean contains) {
			if (cur == null) {
				return new SBTNode(key);
			} else {
				cur.all++; //加入新的key的时候,无论该key是否存在,all都要++,
				if (key == cur.key) {
					return cur;
				} else { // 还在左滑或者右滑
					if (!contains) {
						cur.size++; //只有当之前不存在的key增加时,size才会增加
					}
					if (key < cur.key) {
						cur.l = add(cur.l, key, contains);
					} else {
						cur.r = add(cur.r, key, contains);
					}
					return maintain(cur);
				}
			}
		}
		public void add(long sum) {
			boolean contains = set.contains(sum);
			root = add(root, sum, contains);
			set.add(sum);
		}
		//只和二叉搜索树有关,和平衡性无关
		public long lessKeySize(long key) { //<key的个数
			SBTNode cur = root;
			long ans = 0;
			while (cur != null) {
				if (key == cur.key) { //要的是<key的值,获取左子树上的all
					return ans + (cur.l != null ? cur.l.all : 0);
				} else if (key < cur.key) { //往左划,不获得
					cur = cur.l;
				} else { //往右划,则至少该结点及该结点的左子树上的数都是<key的即该结点的all - 右树的all
					ans += cur.all - (cur.r != null ? cur.r.all : 0);
					cur = cur.r;
				}
			}
			return ans;
		}
		// > 7 8...
		// <8 ...<=7
		public long moreKeySize(long key) {
			return root != null ? (root.all - lessKeySize(key + 1)) : 0;
		}
	}
    public int countRangeSum(int[] nums, int lower, int upper) {
		// 黑盒:加入数字(即前缀和);不去重,可以接受重复数字;可以查询 <num 有几个数
		SizeBalancedTreeSet treeSet = new SizeBalancedTreeSet();
		long sum = 0;
		int ans = 0;
		treeSet.add(0);// 一个数都没有的时候,就已经有一个前缀和累加和为0,
		for (int i = 0; i < nums.length; i++) { //必须以 i 结尾的情况下子数组达标的数量
			sum += nums[i];
			// 目标转换为求i之前有多少个前缀和落在[sum - upper, sum - lower]范围上
			// 如想查询前缀和在[10, 20]范围的个数
			// 本质上是在查询 <10 和 <21 的个数各是多少,然后用<21的数量 - <10的数量,就是前缀和在[10,20]这个范围的个数
			long a = treeSet.lessKeySize(sum - lower + 1);
			long b = treeSet.lessKeySize(sum - upper);
			ans += a - b;
			treeSet.add(sum);//当前的前缀和放到结构中
		}
		return ans;
    }
}



















