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詳解Java實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之并查集

 更新時間:2021年06月23日 16:30:38   作者:bigsai  
并查集這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可能出現(xiàn)的頻率不是那么高,但是還會經(jīng)常性的見到,其理解學(xué)習(xí)起來非常容易,通過本文,一定能夠輕輕松松搞定并查集

​一、什么是并查集

對于一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),肯定是有自己的應(yīng)用場景和特性,那么并查集是處理什么問題的呢?

并查集是一種樹型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于處理一些不相交集合(disjoint sets)的合并及查詢問題,常常在使用中以森林來表示。在一些有N個元素的集合應(yīng)用問題中,我們通常是在開始時讓每個元素構(gòu)成一個單元素的集合,然后按一定順序?qū)儆谕唤M的元素所在的集合合并,其間要反復(fù)查找一個元素在哪個集合中。其特點是看似并不復(fù)雜,但數(shù)據(jù)量極大,若用正常的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述的話,往往在空間上過大,計算機無法承受;即使在空間上勉強通過,運行的時間復(fù)雜度也極高,根本就不可能在比賽規(guī)定的運行時間(1~3秒)內(nèi)計算出試題需要的結(jié)果,只能用并查集來描述。

你可能還有點迷糊并查集能怎么玩,看完這篇然后回頭看這兩個問題(分別杭電1232和杭電1272)。

問題1:

某省調(diào)查城鎮(zhèn)交通狀況,得到現(xiàn)有城鎮(zhèn)道路統(tǒng)計表,表中列出了每條道路直接連通的城鎮(zhèn)。省政府“暢通工程”的目標是使全省任何兩個城鎮(zhèn)間都可以實現(xiàn)交通(但不一定有直接的道路相連,只要互相間接通過道路可達即可)。問最少還需要建設(shè)多少條道路?

這個問題很容易,給定的關(guān)系看看需要合并多少次就知道最少的建設(shè)道路數(shù)量。

問題二:

小希希望任意兩個房間有且僅有一條路徑可以相通(除非走了回頭路)。小希現(xiàn)在把她的設(shè)計圖給你,讓你幫忙判斷她的設(shè)計圖是否符合她的設(shè)計思路。比如下面的例子,前兩個是符合條件的,但是最后一個卻有兩種方法從5到達8。

這個問題也很容易了,根據(jù)關(guān)系集合進行合如果兩個元素已經(jīng)屬于一個集合,那就說明不滿足要求啦。

二、并查集解析

通過上面介紹,相信你已經(jīng)清楚并查集就是解決集合中一些元素的合并和查詢問題,現(xiàn)在就帶你解析這個算法。

2.1、初始化

開始時候森林中每個元素沒有任何操作,它們之間是相互獨立的。我們通常會使用數(shù)組來表示這個森林(數(shù)組下標對應(yīng)第幾個元素),在初始化的時候數(shù)組中的各個值為-1,表示各自自己是一個集合(各自為王),你可能會問為啥是-1而不是一個其他的數(shù),那是因為用負數(shù)可以代表這個元素是某個集合的根,然后它的權(quán)值表示集合中元素的個數(shù)。

2.2、并 union(int a,int b)

這里合并,并沒有你想象的直接合并那么簡單,這里合并是合并a所在的集合和b所在的集合,但在操作層面a,b可能并不是根節(jié)點,所以也要先判斷一下。

為了便于理解,這里羅列一下最初操作可能的情況,初始時候各個元素都是獨立的集合,那么直接a指向b(或者b指向a)即arr[a]=b,同時為了表示這個集合有多少個,原本-1的b再次-1.即arr[b]=-2.表示以b為父根的集合節(jié)點有|-2|個。例如進行union(1,4),union(5,7)操作之后如圖所示:

正常情況的union(int a,int b),假設(shè)我們就是a合并到b上,把b當成父集合來看。a、b都可能是葉子節(jié)點,也可能是根節(jié)點。

此時你可以先分別找到a,b的父節(jié)點fa,fb(這個根可能是它自己),然后合并fa和fb兩個節(jié)點,例如上面如果union(1,5)那么其實就是等價union(4,7)。

為什么不直接操作a,b而是要找到他們的父親進行操作?

原因1是因為a,b可能是葉子節(jié)點,其值是正的表示已經(jīng)有父親了,如果直接操作會使其與原來的集合分離開。另外集合中的數(shù)量(負數(shù))也不能有效疊加。

原因2是因為合并的時候如果合并如果a,b是非根節(jié)點操作,可能會造成這個樹的深度太大,不利于集合a中的查詢效率。

2.3、查 search(int a)

查詢,其實就是查詢這個節(jié)點的根節(jié)點是啥(也稱代表元),這個過程也有點類似遞歸的過程,葉子節(jié)點值如果為正,那么就繼續(xù)查找這個值得位置的結(jié)果,一直到值為負數(shù)的時候說明找到根節(jié)點,可以直接返回。

不過在查詢的過程中可以順便路徑優(yōu)化,這樣在頻繁查詢能夠大大降低時間復(fù)雜度。

三、優(yōu)化

你以為上面的就是并查集的全部?不不不,并查集還有不少需要掌握嘞,估計細心的人可能也會發(fā)現(xiàn)一些問題。

你可能會有疑問:

如何查看a,b是否在同一個集合?

查看是否在一個集合,只需要查看節(jié)點根祖先的結(jié)果是否相同即可。因為只有根的數(shù)值是負的,而其他都是正數(shù)表示指向的元素。所以只需要一直尋找直到不為正數(shù)進行比較即可!

a,b合并,究竟是a的祖先合并在b的祖先上,還是b的祖先合并在a上?

這里會遇到兩種情況,這個選擇也是非常重要的。你要弄明白一點:樹的高度+1的化那么整個元素查詢的效率都會降低!

所以我們通常是:小樹指向大樹(或者低樹指向高樹),這個使得查詢效率能夠增加!

當然,在高度和數(shù)量的選擇上,還需要你自己選擇和考慮。

查找途中能不能路徑壓縮:

每次查詢,自下向上。當我們調(diào)用遞歸的時候,可以順便壓縮路徑(將當前數(shù)組的值等于遞歸返回的根節(jié)點的值),我們查找一個元素只需要直接找到它的祖先,所以當它距離祖先近那么下次查詢就很快。并且壓縮路徑的代價并不大!

試想一下,如果一個分支的深度為1000,不壓縮路徑那么這個分支每個節(jié)點平均查找次數(shù)為500,壓縮一次下次再查找就是1次。

學(xué)會路徑壓縮,你基本可以秒殺大部分并查集的題。

四、代碼實現(xiàn)

并查集實現(xiàn)起來較為簡單,直接貼代碼!

import java.util.Scanner;
public class DisjointSet {
    static int tree[]=new int[100000];//假設(shè)有500個值
    public DisjointSet()    {set(this.tree);}
    public DisjointSet(int tree[]) 
    {
        this.tree=tree;
        set(this.tree);
    }
  //初始化所有都是-1 有兩個好處,這樣他們指向-1說明是自己,
  //第二,-1代表當前森林有-(-1)個
    public void set(int a[])
    {
        int l=a.length;
        for(int i=0;i<l;i++)
        {
            a[i]=-1;
        }
    }
    public int search(int a)//返回頭節(jié)點的數(shù)值
    {
        if(tree[a]>0)//說明是子節(jié)點
        {
            return tree[a]=search(tree[a]);//路徑壓縮
        }
        else
            return a;
    }
    public int value(int a)//返回a所在樹的大?。▊€數(shù))
    {
        if(tree[a]>0)
        {
            return value(tree[a]);
        }
        else
            return -tree[a];
    }
    public void union(int a,int b)//表示 a,b所在的樹合并
    {
        int a1=search(a);//a根
        int b1=search(b);//b根
        if(a1==b1) {System.out.println(a+"和"+b+"已經(jīng)在一棵樹上");}
        else {
        if(tree[a1]<tree[b1])//這個是負數(shù),為了簡單減少計算,不在調(diào)用value函數(shù)
        {
            tree[a1]+=tree[b1];//個數(shù)相加  注意是負數(shù)相加
            tree[b1]=a1;       //b樹成為a的子樹,直接指向a;
        }
        else
        {
            tree[b1]+=tree[a1];//個數(shù)相加  注意是負數(shù)相加
            tree[a1]=b1;       //b樹成為a的子樹,直接指向a;
        }
        }
    }
    public static void main(String[] args)
    {       
        DisjointSet d=new DisjointSet();
        d.union(1,2);
        d.union(3,4);
        d.union(5,6);
        d.union(1,6);

        d.union(22,24);
        d.union(3,26);
        d.union(36,24);
        System.out.println(d.search(6));    //頭
        System.out.println(d.value(6));     //大小
        System.out.println(d.search(22));   //頭
        System.out.println(d.value(22));     //大小
    }
}

五、結(jié)語

并查集屬于簡單但是很高效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在集合中經(jīng)常會遇到。如果不采用并查集而傳統(tǒng)暴力效率太低,而不被采納。

以上就是詳解Java實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之并查集的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于Java 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 并查集的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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