并查集类的c++封装,比较union_find algorithm四种实现方法之间的性能差别
问题描述:
在计算机科学中,并查集是一种树型的数据结构,其保持着用于处理一些不相交集合(Disjoint Sets)的合并及查询问题。有一个联合-查找算法(union-find algorithm)定义了两个操作用于此数据结构:
Find:确定元素属于哪一个子集。它可以被用来确定两个元素是否属于同一子集;
Union:将两个子集合并成同一个集合;
实现并查集的关键是实现union-find algorithm, 本文根据常用的四种算法,实现了这个类,具体算法实现请参看维基百科;
制造测试数据集,测试几种方法之间性能的指标;
程序代码:
- #ifndef _DISJOINT_SET_H_
- #define _DISJOINT_SET_H_
- #include <stdlib.h>
- #include <stdio.h>
- #include <assert.h>
- #include <time.h>
- #include <math.h>
- #include "windows.h"
- enum DISJOINTWAY
- {
- COMMON_WAY,
- COMPREE_WAY,
- WEIGHT_WAY,
- WEIGHT_COMPRESS_WAY
- };
- /*
- * encapsulate the class of disjoint set
- *
- */
- #define MAXDISJOINTSET 0xffffff
- class DisjointSet
- {
- public:
- DisjointSet( int maxSize = MAXDISJOINTSET ):m_item(0), m_size(maxSize)
- {
- m_item = new int[maxSize];
- for( int i = 0; i < m_size; i++ )
- {
- m_item[i] = i;
- }
- m_path = new int[maxSize];
- memset( m_path, 1, sizeof(int)*maxSize );
- }
- ~DisjointSet()
- {
- Clear();
- }
- /*
- * find interface
- *
- */
- int Find( DISJOINTWAY way, int input )
- {
- assert( input < m_size );
- switch( way )
- {
- case COMMON_WAY:
- return ImplFindFirst( input );
- case COMPREE_WAY:
- return ImplFindSecond( input );
- case WEIGHT_WAY:
- return ImplFindWeight( input );
- case WEIGHT_COMPRESS_WAY:
- return ImplFindWeightCompree( input );
- default:
- return -1;
- }
- }
- /*
- * make union
- *
- */
- void Union( DISJOINTWAY way, int first, int second )
- {
- assert( first < m_size && second < m_size );
- switch( way )
- {
- case COMMON_WAY:
- ImplUnionFirst( first, second );
- break;
- case COMPREE_WAY:
- ImplUnionSecond( first, second );
- break;
- case WEIGHT_WAY:
- ImplUnionWeighted( first, second );
- break;
- case WEIGHT_COMPRESS_WAY:
- ImplUnionCompree( first, second );
- break;
- default:
- break;
- }
- }
- /*
- *
- *
- */
- void Clear()
- {
- delete [] m_item;
- m_item = 0;
- delete [] m_path;
- m_path = 0;
- m_size = 0;
- }
- protected:
- int ImplFindFirst( int input )
- {
- assert( input < m_size );
- return m_item[input];
- }
- int ImplFindSecond( int input )
- {
- int i = input;
- for( ; i != m_item[i]; i = m_item[i] );
- return i;
- }
- int ImplFindWeight( int input )
- {
- int i = input;
- for( ; i != m_item[i]; i = m_item[i] );
- return i;
- }
- int ImplFindWeightCompree( int input )
- {
- int i = input;
- for( ; i != m_item[i]; i = m_item[i] )
- m_item[i] = m_item[m_item[i]];
- return i;
- }
- /*
- *
- *
- */
- void ImplUnionFirst( int first, int second )
- {
- int x = m_item[first];
- int y = m_item[second];
- if( x != y )
- {
- m_item[first] = y;
- }
- for( int i = 0; i < m_size; i++ )
- {
- if( x == m_item[i] )
- m_item[i] = y;
- }
- }
- /*
- *
- *
- */
- void ImplUnionSecond( int& first, int& second )
- {
- if( first != second )
- {
- m_item[first] = second;
- }
- }
- /*
- *
- *
- */
- void ImplUnionWeighted( int first, int second )
- {
- if( first != second )
- {
- if( m_path[first] < m_path[second] )
- {
- m_item[first] = second;
- m_path[second] += m_path[first];
- }
- else
- {
- m_item[second] = first;
- m_path[first] += m_path[second];
- }
- }
- }
- /*
- *
- *
- */
- void ImplUnionCompree( int first, int second )
- {
- if( first != second )
- {
- if( m_path[first] < m_path[second] )
- {
- m_item[first] = second;
- m_path[second] += m_path[first];
- }
- else
- {
- m_item[second] = first;
- m_path[first] += m_path[second];
- }
- }
- }
- protected:
- int* m_item;
- int m_size;
- int* m_path;
- };
- void TestDisjointSetSimple()
- {
- DisjointSet djoint;
- int i = djoint.Find( COMMON_WAY, 1 );
- int j = djoint.Find( COMMON_WAY, 3 );
- if( i != j )
- djoint.Union( COMMON_WAY, 1, 3 );
- i = djoint.Find( COMMON_WAY, 2 );
- j = djoint.Find( COMMON_WAY, 5 );
- if( i != j )
- djoint.Union( COMMON_WAY, i, j );
- i = djoint.Find( COMMON_WAY, 2 );
- j = djoint.Find( COMMON_WAY, 6 );
- if( i != j )
- djoint.Union( COMMON_WAY, i, j );
- i = djoint.Find( COMMON_WAY, 6 );
- j = djoint.Find( COMMON_WAY, 7 );
- if( i != j )
- djoint.Union( COMMON_WAY, i, j );
- assert( djoint.Find( COMMON_WAY, 2 ) == djoint.Find( COMMON_WAY, 7 ) );
- i = djoint.Find( COMMON_WAY, 1 );
- j = djoint.Find( COMMON_WAY, 7 );
- if( i != j )
- djoint.Union( COMMON_WAY, i, j );
- assert( djoint.Find( COMMON_WAY, 3 ) == djoint.Find( COMMON_WAY, 7 ) );
- }
- void TestDisjointSetComplex( DISJOINTWAY way, const char* str )
- {
- unsigned long start = GetTickCount();
- DisjointSet djoint;
- const int len = 1000000;
- const int base = 60000;
- int halfLen = len / 2;
- srand( time(NULL) );
- for( int i = 0; i < len; i++ )
- {
- int first = rand() % base;
- int second = rand() % base;
- if( i > halfLen )
- {
- first += base;
- second += base;
- }
- if( first != second )
- {
- first = djoint.Find( way, first );
- second = djoint.Find( way, second );
- if( first != second )
- djoint.Union( way, first, second );
- assert( djoint.Find( way, first ) == djoint.Find( way, second ) );
- }
- }
- unsigned long interval = GetTickCount() - start;
- printf(" %s way consume time is %d \n", str, interval );
- }
- void TestSuiteDisjointSet()
- {
- TestDisjointSetSimple();
- const char* str[] = {"common", "compress", "weight", "weight compress"};
- for( int i = WEIGHT_COMPRESS_WAY; i >= 0; i--)
- {
- TestDisjointSetComplex((DISJOINTWAY)i, str[i] );
- }
- }
- #endif
compile and run in visual studio 2005
下面图片是几种方法运行时间之比较,最直白方法的时间到现在还没输出,所以就没有显示:
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