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C++如何实现高效的数组区间求和(树状数组)

雨明吖_7676

雨明吖_7676

发布时间:2026-06-10 19:10:07

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来源于php中文网

原创

树状数组比前缀和快在动态更新场景:前缀和单点修改需O(n)重建,而树状数组通过lowbit(x)=x&-x实现单点更新和前缀查询均仅O(log n),其核心是每个下标i维护长度为lowbit(i)的区间和,查[1,i]时不断减lowbit、改i时不断加lowbit。

c++如何实现高效的数组区间求和(树状数组)

树状数组比前缀和快在哪?

普通前缀和每次修改都要 O(n),而树状数组修改和查询都是 O(log n)。关键在它的底层结构——用二进制低位(lowbit)跳转,只维护部分区间和,避免全量更新。

  • lowbit(x) 实际就是 x & -x,比如 lowbit(12) 是 4(12 的二进制是 1100,最低位的 1 对应 2²=4)
  • 每个下标 i 管理长度为 lowbit(i) 的区间:从 i - lowbit(i) + 1 到 i
  • 所以查 [1, i] 时不断减 lowbit(i),改 i 时不断加 lowbit(i)

怎么写标准的树状数组模板?

别手写两套函数,统一用 1-based 下标,封装成 struct 最稳:

struct Fenwick {
    vector<long long> tr;
    int n;
    Fenwick(int n_) : n(n_), tr(n_ + 1, 0) {}
    int lowbit(int x) { return x & -x; }
    void add(int i, long long v) {
        for (; i <= n; i += lowbit(i)) tr[i] += v;
    }
    long long sum(int i) { // [1, i]
        long long res = 0;
        for (; i; i -= lowbit(i)) res += tr[i];
        return res;
    }
    long long range_sum(int l, int r) { // [l, r]
        return sum(r) - sum(l - 1);
    }
};
  • 初始化传入数组长度,内部开 n + 1 避免下标越界
  • add 是单点加,不是赋值;要初始化原数组,得对每个位置调用 add(i, a[i])
  • sum(i) 返回的是前缀和,不是下标 i 处的值

为什么 update 后 query 结果不对?常见踩坑点

最常出错的是下标和初始化逻辑:

C++14
C++14

C++14 对 C++11 的修正与增强版本,适合旧系统维护和较老工具链兼容。

下载
  • 原数组是 0-based,但树状数组必须 1-based:读入 a[0..n-1] 后,要循环 for (int i = 0; i < n; ++i) fw.add(i + 1, a[i])
  • 修改操作误用赋值而非增量:想把位置 i 改成 v,不能直接 add(i, v),得先算差值:add(i, v - old_val)
  • 查询 [l, r] 时传了 0-based 下标,导致 sum(l-1) 变成负数索引——务必确认所有接口参数是 1-based
  • tr 数组没初始化为 0,尤其重复使用同一个 Fenwick 实例时,容易残留上一轮数据

树状数组能处理哪些变体问题?

它不只限于整数加法:

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  • 支持「单点改、区间查」,反过来「区间改、单点查」也能做(差分 + 树状数组)
  • 支持 long long,但要注意 add 参数类型和 tr 类型一致,混用 int/long long 容易溢出
  • 无法直接支持区间乘、区间 min/max —— 那得换线段树
  • 离散化坐标后可处理大范围下标(比如坐标值到 1e9),只要实际插入点数 ≤ 2e5,树状数组依然高效

真正难的不是写对四个函数,而是每次调用前心里清楚:当前下标是不是 1-based?这次是改值还是加增量?查询闭区间时端点有没有偏移?这些细节漏一个,结果就错得毫无征兆。

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