线段树（区间树）之区间染色和4n推导过程

　　前言

　　线段树（区间树）是什么呢？有了二叉树、二分搜索树，线段树又是干什么的呢？最经典的线段树问题：区间染色；正如它的名字而言，主要解决区间的问题

　　一、线段树说明

　　1、什么是线段树？

　　线段树首先是二叉树，并且是平衡二叉树（它是一 棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1，并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树），并且具有二分性质。

如下图，就是一颗线段树：

　　

　　假如，用数组表示线段树，如果区间有n个元素，数组表示需要有多少节点？

　　2、4n节点推导过程

　　要进行一下，如果对推导过程不感兴趣的，可以直接记住结论，需要4n个节点，推导过程如下图：　　PS：依旧是全博客园最丑图，当感觉有进步啊！是不是推荐一下，鼓励一下啊

　

　　说明：感觉用尽了洪荒之力，才推导出来了。感觉高考之后再也不会用到等比公式了，但又用到了，还是缘分未尽啊，哈哈哈！最后，都放弃了，一直推导不出来，忘却了最后一层的null,假设是满二叉树，按最大值进行估算，所以4n是完全够大的!

　　二、为什么要使用线段树

　　线段树主要解决一些区间问题的，如下：　　

　　1、区间染色

　　有一面墙，长度为n,每次选择一段墙进行染色，m次操作之后，我们可以看见多少种颜色？

　　2、区间查询

　　查询区间[i,j]的最大值、最小值，或者区间数字和；实质：基于区间的统计查询。

　　例如：2018年注册用户中消费最高的用户？消费最低的用户？学习最长时间的用户？

　　三、代码实现

　　1、创建线段树

　　二叉树具有天然递归性质，所以用递归相对简单，用迭代也是可以的，我才用递归实现，代码如下:

template<class T>
class SegmentTree {
private:
    T *tree;
    T *data;
    int size;
    std::function<T(T, T)> function;
    
    int leftChild(int index) {　　//左孩子下标；例如用数组存储，根节点是下标0，则左孩子为1，右孩子为2
        return index * 2 + 1;
    }

    int rightChild(int index) {　　//右孩子下标
        return index * 2 + 2;
    }
    
    void buildSegmentTree(int treeIndex, int l, int r) {
        if (l == r) {
            tree[treeIndex] = data[l];
            return;
        }
        int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
        int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);
        int mid = l + (r - l) / 2;　　//中间值求法，防止整型溢出

        buildSegmentTree(leftTreeIndex, l, mid);　　//构建左子树
        buildSegmentTree(rightTreeIndex, mid + 1, r);　　//构建右子树
        tree[treeIndex] = function(tree[leftTreeIndex], tree[rightTreeIndex]);
    }
    public:
    SegmentTree(T arr[], int n, std::function<T(T, T)> function) {　　//构造函数，构建一棵树
        this->function = function;
        data = new T[n];
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            data[i] = arr[i];
        }
        tree = new T[n * 4];　　//分配4n节点
        size = n;
        buildSegmentTree(0, 0, size - 1);
    }
};

　　2、线段树查询

　　　线段树具有二分查找性质，所以二分查找那种思路就可以了，代码如下：

T query(int treeIndex, int l, int r, int queryL, int queryR) {
        if (l == queryL && r == queryR) {
            return tree[treeIndex];
        }

        int mid = l + (r - l) / 2;
        int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
        int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);

        if (queryL >= mid + 1) {
            return query(rightTreeIndex, mid + 1, r, queryL, queryR);
        } else if (queryR <= mid) {
            return query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, queryR);
        }

        T leftResult = query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, mid);
        T rightResult = query(rightTreeIndex, mid + 1, r, mid + 1, queryR);
        return function(leftResult, rightResult);
    }

T query(int queryL, int queryR) {
        assert(queryL >= 0 && queryL < size && queryR >= 0 && queryR < size && queryL <= queryR);
        return query(0, 0, size - 1, queryL, queryR);
    }

　　3、整体代码

　　SegmentTree.h如下：

#ifndef SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H
#define SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H

#include <cassert>
#include <functional>

template<class T>
class SegmentTree {
private:
    T *tree;
    T *data;
    int size;
    std::function<T(T, T)> function;
    
    int leftChild(int index) {
        return index * 2 + 1;
    }

    int rightChild(int index) {
        return index * 2 + 2;
    }
    
    void buildSegmentTree(int treeIndex, int l, int r) {
        if (l == r) {
            tree[treeIndex] = data[l];
            return;
        }
        int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
        int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);
        int mid = l + (r - l) / 2;

        buildSegmentTree(leftTreeIndex, l, mid);
        buildSegmentTree(rightTreeIndex, mid + 1, r);
        tree[treeIndex] = function(tree[leftTreeIndex], tree[rightTreeIndex]);
    }
    
    T query(int treeIndex, int l, int r, int queryL, int queryR) {
        if (l == queryL && r == queryR) {
            return tree[treeIndex];
        }

        int mid = l + (r - l) / 2;
        int leftTreeIndex = leftChild(treeIndex);
        int rightTreeIndex = rightChild(treeIndex);

        if (queryL >= mid + 1) {
            return query(rightTreeIndex, mid + 1, r, queryL, queryR);
        } else if (queryR <= mid) {
            return query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, queryR);
        }

        T leftResult = query(leftTreeIndex, l, mid, queryL, mid);
        T rightResult = query(rightTreeIndex, mid + 1, r, mid + 1, queryR);
        return function(leftResult, rightResult);
    }

public:
    SegmentTree(T arr[], int n, std::function<T(T, T)> function) {
        this->function = function;
        data = new T[n];
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            data[i] = arr[i];
        }
        tree = new T[n * 4];
        size = n;
        buildSegmentTree(0, 0, size - 1);
    }

    int getSize() {
        return size;
    }

    T get(int index) {
        assert(index >= 0 && index < size);
        return data[index];
    }
    
    T query(int queryL, int queryR) {
        assert(queryL >= 0 && queryL < size && queryR >= 0 && queryR < size && queryL <= queryR);
        return query(0, 0, size - 1, queryL, queryR);
    }

    void print() {
        std::cout << "[";
        for (int i = 0; i < size * 4; ++i) {
            if (tree[i] != NULL) {
                std::cout << tree[i];
            } else {
                std::cout << "0";
            }
            if (i != size * 4 - 1) {
                std::cout << ", ";
            }
        }
        std::cout << "]" << std::endl;
    }
};

#endif //SEGMENT_TREE_SEGMENTTREE_H

　　main.cpp如下：

#include <iostream>
#include "SegmentTree.h"

int main() {
    int nums[] = {-2, 0, 3, -5, 2, -1};
    SegmentTree<int> *segmentTree = new SegmentTree<int>(nums, sizeof(nums) / sizeof(int), [](int a, int b) -> int {
        return a + b;
    });
    std::cout << segmentTree->query(2,5) << std::endl;
    segmentTree->print();
    return 0;
}

　　4、演示

 　　运行结果，如下：　　

　　

　　5、时间复杂度分析

　　更新　　O（logn）

　　查询　　O（logn）