并查集详解
来源:互联网 发布:淘宝店铺层级怎么计算 编辑:程序博客网 时间:2024/04/26 07:18
并查集
并查集(Union-find Sets)是一种非常精巧而实用的数据结构,他主要用于处理一些不相交集合的合并问题。一些常见的用途有求连通子图、求最小生成树的Kruskal算法和求最近公共祖先(Least Common Ancestors,LCA)等
使用并查集时,首先会存在一组不相交的动态集合 S={S1, S2,⋯,Sk},一般都会使用一个整数表示集合中的一个元素。
每个集合可能包含一个或多个元素,并选出集合中的某个元素作为代表。每个集合中具体包含了哪些元素是不关心的,具体选择哪个元素作为代表一般也是不关心的。我们关心的是,对于给定的元素,可以很快的找到这个元素所在的集合(的代表),以及合并两个元素所在的集合,而且这些操作的时间复杂度都是常数级的
并查集的基本操作有三个:
- makeSet(s):建立一个新的并查集,其中包含s个单元素集合
- unionSet(x, y):把元素 x 和元素 y 所在的集合合并,要求 x 和 y 所在的集合不相交,如果相交则不合并。
- find(x):找到元素 x 所在的集合的代表,该操作也可以用于判断两个元素是否位于同一个集合,只要将他们各自的代表比较一下就可以了。
并查集的实现原理也比较简单,就是使用树来表示集合,树的每个节点就表示集合中的一个元素,树根对应的元素就是该集合的代表,如下图所示。
图中有两棵树,分别对应两个集合,其中第一个集合为{a, b, c, d},代表元素是a;第二个集合为{e, f, g},代表元素是e。
树的节点表示集合中的元素,指针表示指向父节点的指针,根节点的指针指向自己,表示其没有父节点。沿着每个节点的父节点不断向上查找,最终就可以找到该树的根节点,即该集合的代表元素。
现在,应该可以很容易的写出 makeSet 和 find 的代码了,假设使用一个足够长的数组来存储树节点,那么 makeSet 要做的就是构造出如下图的森林,其中每个元素都是一个单元素集合,即父节点是其自身:
相应的代码如下所示,时间复杂度是 O(n):
const int MAXSIZE = 500;int uset[MAXSIZE];void makeSet(int size){ for(int i = 0; i < size; i++) uset[i] = i;}
接下来,就是find操作了,如果每次都沿着父节点向上查找,那时间复杂度就是树的高度,完全不可能达到常数级。这里需要应用一种非常简单而有效的策略——路径压缩。
路径压缩,就是在每次查找时,令查找路径上的每个节点都直接指向根节点,如下图:
我准备了两个版本的 find 操作实现,分别是递归版和非递归版,不过两个版本目前并没有发现有什么明显的效率差距,所以具体使用哪个完全凭个人喜好了。
int find(int x){ if(x != uset[x]) uset[x] = find(uset[x]); return uset[x];}int find(int x){ int p = x, t; while(uset[p] != p) p = uset[p]; while(x != p){ t = uset[x]; uset[x] = p; x = t; } return x;}
最后是合并操作 unionSet,并查集的合并也非常简单,就是将一个集合的树根指向另一个集合的树根,如图所示。
这里也可以应用一个简单的启发式策略——按秩合并。该方法使用秩来表示树高度的上界,在合并时,总是将具有较小秩的树根指向具有较大秩的树根。简单的说,就是总是将比较矮的树作为子树,添加到较高的树中。为了保存秩,需要额外使用一个与 uset 同长度的数组,并将所有元素都初始化为 0。
void unionSet(int x, int y){ if((x = find(x)) == (y = find(y))) return; if(rank[x] > rank[y]) uset[y] = x; else{ uset[x] = y; if(rank[x] == rank[y]) rank[y]++; }}
下面是按秩合并的并查集的完整代码,这里只包含了递归的 find 操作。
const int MAXSIZE = 500;int uset[MAXSIZE];int rank[MAXSIZE];void makeSet(int size){ for(int i = 0; i < size; i++) uset[i] = i;}int find(int x){ if(x != uset[x]) uset[x] = find(uset[x]); return uset[x];}void unionSet(int x, int y){ if((x = find(x)) == (y = find(y))) return; if(rank[x] > rank[y]) uset[y] = x; else{ uset[x] = y; if(rank[x] == rank[y]) rank[y]++; }}
除了按秩合并,并查集还有一种常见的策略,就是按集合中包含的元素个数(或者说树中的节点树)合并,将包含节点较少的树根,指向包含节点较多的树根。这个策略与按秩合并的策略相似,同样可以提升并查集的运行速度,而且省去了额外的 rank 数组。
这样的并查集具有一个略微不同的定义,即若 uset 的值是正数,则表示该元素的父节点(的索引);若是负数,则表示该元素是所在集合的代表(即树根),而且值的相反数即为集合中的元素个数。相应的代码如下所示,同样包含递归和非递归的 find 操作:
const int MAXSIZE = 500;int uset[MAXSIZE];void makeSet(int size) { for(int i = 0;i < size;i++) uset[i] = -1;}int find(int x) { if (uset[x] < 0) return x; uset[x] = find(uset[x]); return uset[x];}int find(int x) { int p = x, t; while (uset[p] >= 0) p = uset[p]; while (x != p) { t = uset[x]; uset[x] = p; x = t; } return x;}void unionSet(int x, int y) { if ((x = find(x)) == (y = find(y))) return; if (uset[x] < uset[y]) { uset[x] += uset[y]; uset[y] = x; } else { uset[y] += uset[x]; uset[x] = y; }}
如果要获取某个元素 x 所在集合包含的元素个数,可以使用 -uset[find(x)] 得到。
并查集的空间复杂度是 O(n) 的,这个很显然,如果是按秩合并的,占的空间要多一些。find 和 unionSet 操作都可以看成是常数级的,或者准确来说,在一个包含 n 个元素的并查集中,进行 m 次查找或合并操作,最坏情况下所需的时间为 O(mα(n)),这里的 α 是 Ackerman 函数的某个反函数,在极大的范围内(比可观察到的宇宙中估计的原子数量 1080 还大很多)都可以认为是不大于 4 的。具体的时间复杂度分析,请参见《算法导论》的 21.4 节 带路径压缩的按秩合并的分析。
作者:CYJB
出处:http://www.cnblogs.com/cyjb/
GitHub:https://github.com/CYJB/
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