小而美的算法技巧：差分数组

读完本文，你不仅学会了算法套路，还可以顺便去 LeetCode 上拿下如下题目：

1109.航班预订统计（中等）

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前文前缀和技巧详解写过的前缀和技巧是非常常用的算法技巧，前缀和主要适用的场景是原始数组不会被修改的情况下，频繁查询某个区间的累加和。

没看过前文没关系，这里简单介绍一下前缀和，核心代码就是下面这段：

class PrefixSum {
    // 前缀和数组
    private int[] prefix;
    
    /* 输入一个数组，构造前缀和 */
    public PrefixSum(int[] nums) {
        prefix = new int[nums.length + 1];
        // 计算 nums 的累加和
        for (int i = 1; i < prefix.length; i++) {
            prefix[i] = prefix[i - 1] + nums[i - 1];
        }
    }

    /* 查询闭区间 [i, j] 的累加和 */
    public int query(int i, int j) {
        return prefix[j + 1] - prefix[i];
    }
}

prefix[i] 就代表着 nums[0..i-1] 所有元素的累加和，如果我们想求区间 nums[i..j] 的累加和，只要计算 prefix[j+1] - prefix[i] 即可，而不需要遍历整个区间求和。

本文讲一个和前缀和思想非常类似的算法技巧「差分数组」，差分数组的主要适用场景是频繁对原始数组的某个区间的元素进行增减。

比如说，我给你输入一个数组 nums，然后又要求给区间 nums[2..6] 全部加 1，再给 nums[3..9] 全部减 3，再给 nums[0..4] 全部加 2，再给…

一通操作猛如虎，然后问你，最后 nums 数组的值是什么？

常规的思路很容易，你让我给区间 nums[i..j] 加上 val，那我就一个 for 循环给它们都加上呗，还能咋样？这种思路的时间复杂度是 O(N)，由于这个场景下对 nums 的修改非常频繁，所以效率会很低下。

这里就需要差分数组的技巧，类似前缀和技巧构造的 prefix 数组，我们先对 nums 数组构造一个 diff 差分数组，diff[i] 就是 nums[i] 和 nums[i-1] 之差：

int[] diff = new int[nums.length];
// 构造差分数组
diff[0] = nums[0];
for (int i = 1; i < nums.length; i++) {
    diff[i] = nums[i] - nums[i - 1];
}

通过这个 diff 差分数组是可以反推出原始数组 nums 的，代码逻辑如下：

int[] res = new int[diff.length];
// 根据差分数组构造结果数组
res[0] = diff[0];
for (int i = 1; i < diff.length; i++) {
    res[i] = res[i - 1] + diff[i];
}

这样构造差分数组 diff，就可以快速进行区间增减的操作，如果你想对区间 nums[i..j] 的元素全部加 3，那么只需要让 diff[i] += 3，然后再让 diff[j+1] -= 3 即可：

原理很简单，回想 diff 数组反推 nums 数组的过程，diff[i] += 3 意味着给 nums[i..] 所有的元素都加了 3，然后 diff[j+1] -= 3 又意味着对于 nums[j+1..] 所有元素再减 3，那综合起来，是不是就是对 nums[i..j] 中的所有元素都加 3 了？

只要花费 O(1) 的时间修改 diff 数组，就相当于给 nums 的整个区间做了修改。多次修改 diff，然后通过 diff 数组反推，即可得到 nums 修改后的结果。

现在我们把差分数组抽象成一个类，包含 increment 方法和 result 方法：

class Difference {
    // 差分数组
    private int[] diff;

    public Difference(int[] nums) {
        assert nums.length > 0;
        diff = new int[nums.length];
        // 构造差分数组
        diff[0] = nums[0];
        for (int i = 1; i < nums.length; i++) {
            diff[i] = nums[i] - nums[i - 1];
        }
    }

    /* 给闭区间 [i,j] 增加 val（可以是负数）*/
    public void increment(int i, int j, int val) {
        diff[i] += val;
        if (j + 1 < diff.length) {
            diff[j + 1] -= val;
        }
    }

    public int[] result() {
        int[] res = new int[diff.length];
        // 根据差分数组构造结果数组
        res[0] = diff[0];
        for (int i = 1; i < diff.length; i++) {
            res[i] = res[i - 1] + diff[i];
        }
        return res;
    }
}

这里注意一下 increment 方法中的 if 语句：

public void increment(int i, int j, int val) {
    diff[i] += val;
    if (j + 1 < diff.length) {
        diff[j + 1] -= val;
    }
}

当 j+1 >= diff.length 时，说明是对 nums[i] 及以后的整个数组都进行修改，那么就不需要再给 diff 数组减 val 了。

算法实践

这里看一下力扣第 1109 题「航班预订统计」：

函数签名如下：

int[] corpFlightBookings(int[][] bookings, int n)

这个题目就在那绕弯弯，其实它就是个差分数组的题，我给你翻译一下：

给你输入一个长度为 n 的数组 nums，其中所有元素都是 0。再给你输入一个 bookings，里面是若干三元组 (i,j,k)，每个三元组的含义就是要求你给 nums 数组的闭区间 [i-1,j-1] 中所有元素都加上 k。请你返回最后的 nums 数组是多少？

PS：因为题目说的 n 是从 1 开始计数的，而数组索引从 0 开始，所以对于输入的三元组 (i,j,k)，数组区间应该对应 [i-1,j-1]。

这么一看，不就是一道标准的差分数组题嘛？我们可以直接复用刚才写的类：

int[] corpFlightBookings(int[][] bookings, int n) {
    // nums 初始化为全 0
    int[] nums = new int[n];
    // 构造差分解法
    Difference df = new Difference(nums);

    for (int[] booking : bookings) {
        // 注意转成数组索引要减一哦
        int i = booking[0] - 1;
        int j = booking[1] - 1;
        int val = booking[2];
        // 对区间 nums[i..j] 增加 val
        df.increment(i, j, val);
    }
    // 返回最终的结果数组
    return df.result();
}

这道题就解决了。

其实我觉得差分数组和前缀和数组都是比较常见且巧妙的算法技巧，分别适用不同的常见，而且是会者不难，难者不会。所以，关于差分数组的使用，你学会了吗？