吃透 Binary Indexed Trees (树状数组)

简介

Binary Indexed Trees(中文名为树状数组,下文简称为BIT)是一种特殊的数据结构,适用于高效计算数列的前缀和区间和

时间复杂度:

  1. 任意前缀和、区间和:O(logn)
  2. 单点值修改:O(logn)

空间复杂度: O(n)

虽然 BIT 名称中带有 tree 这个词,但是实际存储时是利用数组进行存储,记nums为原始数组和 BIT为 BIT 数组,我们观察的是nums,但实际操作的是BIT
下图就是初始化后的BIT情况,横轴为数组的下标i,纵轴为下标数值对应的lowestbit,长方形表示BIT[i]涵盖的元素的范围。

image

可以看到每个数组下标的lowestbit(也就是图中描黑的部分)在形态上构成了一棵树的形状,这也是名称中 tree 的来源。并且对于每个下标表示成的tree node有以下特性。

(1)假如i是左子节点,那么其父节点下标为i + lowestbit(i),节点 4 为左子节点,父节点为节点 8( 4 + lowestbit(4) = 4 + (100) = 4 + 4 = 8
(2)假如i是右子节点,那么其父节点下标为i - lowestbit(i),节点 12 为左子节点,父节点为节点 8 ( 12 - lowestbit(12) = 12 - (100) =12 - 4 = 8

上面这两个特性非常重要,也是我们进行后文分析的重要基础。

更新数值

由图可知,BIT 中某些节点是包含其他节点的值得,所以在更新节点时,要同时更新这些包含节点的节点,例如更新节点 6 时,由于节点 8 和节点 16 包含节点 6 的值,所以也需要更新,那么如何判断更新节点 6 时,需要同时更新的节点是 8 和 16 呢?
若是按照树结构来找:

  1. 先找节点 6 的父节点 6 - lowestbit(6) = 4
  2. 找节点 4 的父节点 4 + lowestbit(4) = 8
  3. 找节点 8 的父节点 8 + lowestbit(8) = 16
  4. 共找到节点 4 8 16 三个节点
  5. 其中节点 6 在节点 4 的右子树中,所以节点 4 是不包含节点 6 的
  6. 节点 6 在节点 8 16 的左子树中,包含节点 6
  7. 所以更新节点 8 16

这是顺序逻辑,那有没有办法直接越过节点 4 ,而去寻找节点 8 16 呢?

观察图就可以发现,对于节点 6 而言,它与父节点 4 的距离,跟与祖节点 8 的距离是一样的,都是lowestbit(6) = 2
那么我们就可以用6 + lowestbit(6) = 8的方式来越过节点 4 直接寻找到节点 8。
6 + lowestbit(6)与左子节点寻找父节点公式i + lowestbit(i)相同,所以寻找含有节点 6 的节点 8 16,我们可以只用i + lowestbit(i)来完成:

while(i < BIT.length)
{
    BIT[i] += offset
    i = i + lowestbit(i)
}

区间求和

如若求 nums 前 n 个元素的和,观察图可知,将此节点以及不断获取其作为右节点时的父节点,然后加和就可以了。

var sum = 0
while(i > 0)
{
    sum += BIT[i]
    i = i - lowestbit(i)
}

例如求 nums[0, 7] 的和,则通过上述代码和分别获得 BIT[7]、 BIT[6]、 BIT[4],sum = BIT[7] + BIT[6] + BIT[4],即为结果。
若是求区间和的话,例如 nums[5, 10],则是 nums[0, 10] - nums[0, 5] 即可。

参考:Binary Indexed Trees 简介(重点帮助我理解了树状数组的结构,以及 i - lowestbit(i)、i + lowestbit(i) 与节点的关系,里面的BIT[i]公式感觉并不正确)

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