如何在 Java 中实现最小生成树算法

vlambda
2022-04-09

如何在 Java 中实现最小生成树算法

定义

在一幅无向图 \(G=(V,E)\) 中， \((u, v)\) 为连接顶点 \(u\) 和顶点 \(v\) 的边， \(w(u,v)\) 为边的权重，若存在边的子集 \(T\subseteq E\) 且 \((V,T)\) 为树，使得

\[w(T)=\sum_{(u,v)\in T}w(u,v) \]

最小，这称 \(T\) 为图 \(G\) 的最小生成树。

说的通俗点，最小生成树就是带权无向图中权值和最小的树。下图中黑色边所标识的就是一棵最小生成树（图片来自《算法第四版》），对于权值各不相同的连通图来说最小生成树只会有一棵：

带权图的实现

在《如何在 Java 中实现无向图》中我们使用邻接表数组实现了无向图，其中邻接表上的每个节点的数据域只是一个整数，代表着一个顶点。为了方便最小生成树的迭代，我们将数据域换成 Edge 实例。 Edge 有三个成员：顶点 v 、顶点 w 和权重 weight ，为了比较每一条边的权重，需要实现 Comparable 接口。代码如下所示：

package com.zhiyiyo.graph;

/**
 * 图中的边
 */
public class Edge implements Comparable<Edge> {
    private final int v, w;
    private final double weight;

    public Edge(int v, int w, double weight) {
        this.v = v;
        this.w = w;
        this.weight = weight;
    }

    /**
     * 返回边中的一个顶点
     */
    int either() {
        return v;
    }

    /**
     * 返回边中的拎一个顶点
     *
     * @param v 顶点 v
     * @return 另一个顶点
     */
    int another(int v) {
        if (this.v == v) {
            return w;
        } else if (w == v) {
            return this.v;
        } else {
            throw new RuntimeException("边中不存在该顶点");
        }
    }

    public double getWeight() {
        return weight;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.format("Edge{%d-%d %f}", v, w, weight);
    }

    @Override
    public int compareTo(Edge edge) {
        return Double.compare(weight, edge.weight);
    }
}

之后只要照猫画虎，将 LinkGraph 的泛型从 Integer 换成 Edge 就行了：

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.stack.LinkStack;
import com.zhiyiyo.collection.stack.Stack;

/**
 * 带权无向图
 */
public class WeightedGraph {
    private final int V;
    protected int E;
    protected LinkStack<Edge>[] adj;

    public WeightedGraph(int V) {
        this.V = V;
        adj = (LinkStack<Edge>[]) new LinkStack[V];
        for (int i = 0; i < V; i++) {
            adj[i] = new LinkStack<>();
        }
    }

    public int V() {
        return V;
    }

    public int E() {
        return E;
    }

    public void addEdge(Edge edge) {
        int v = edge.either();
        int w = edge.another(v);
        adj[v].push(edge);
        adj[w].push(edge);
        E++;
    }

    public Iterable<Edge> adj(int v) {
        return adj[v];
    }

    /**
     * 获取所有边
     */
    public Iterable<Edge> edges() {
        Stack<Edge> edges = new LinkStack<>();
        for (int v = 0; v < V; ++v) {
            for (Edge edge : adj(v)) {
                if (edge.another(v) > v) {
                    edges.push(edge);
                }
            }
        }

        return edges;
    }
}

同时给出最小生成树的 API：

package com.zhiyiyo.graph;

/**
 * 最小生成树
 */
public interface MST {
    /**
     * 获取最小生成树中的所有边
     */
    Iterable<Edge> edges();

    /**
     * 获取最小生成树的权重
     */
    double weight();
}

Kruskal 算法

假设 \(E\) 是图 \(G\) 中所有边的集合， \(T\) 是最小生成树的边集合，kruskal 算法的思想是每次从 \(E\) 中弹出权值最小的边 \(e_m\) ，如果 \(e_m\) 不会和 \(T\) 中的边构成环，就将其加入 \(T\) 中，直到 \(|T|=|V|-1\) 也就是 \(T\) 中边的个数是图 \(G\) 的顶点个数 -1 时，就得到了最小生成树。

对于上一幅图，使用 kruskal 算法得到最小生成树的过程如下图所示：

如何在 Java 中实现最小生成树算法

首先将 \(E\) 中最小的边 0-7 弹出并加到 \(T\) 中，此时的 \(E\) 中最小边为 2-3，虽然 2-3 和 0-7 无法构成连通图，但是没关系，只要贪心地将其加入 \(T\) 中即可，因为后续其他边的添加总会将二者连通起来。接着按照权值的升序依次把边 1-7、0-2、5-7 加到 \(T\) 中，直到碰到边 1-3，如果把 1-3 加入 \(T\) 中，就会出现环 1-3-2-0-7-1，所以直接将 1-3 舍弃，1-5、2-7 也同理被丢弃掉。由于边 4-5 不会在 \(T\) 中构成环，所以将其加入 \(T\) 。重复上述步骤，直到 \(|T|=|V|-1\) 。

上述过程中有两个影响性能的地方，一个是找出 \(E\) 中权值最小的边 \(e_m\) ，一个是判断将 \(e_m\) 加到 \(T\) 中是否会出现环。

二叉堆

二叉堆是一棵完全二叉树，且每个父节点总是大于等于（最大堆）或者小于等于（最小堆）他的子节点。《算法第四版》中给出了使用数组存储的最大堆的结构，其中数组下标为 0 的地方不存储元素，假设下标为 \(i\) 出存放的是父节点，那么 \(2i\) 和 \(2i+1\) 处就是子节点：

如何在 Java 中实现最小生成树算法

由于最小堆的堆顶节点总是最小的，所以只需将 \(E\) 变为一个最小堆，每次取出堆顶的元素即可，时间复杂度为 \(O(\log N)\) 。下面来看下如何实现最小堆。

API

对于一个二叉堆，我们关心以下操作：

package com.zhiyiyo.collection.queue;

public interface PriorQueue<T extends Comparable<T>> {
    /**
     * 向堆中插入一个元素
     * @param item 插入的元素
     */
    void insert(T item);

    /**
     * 弹出堆顶的元素
     * @return 堆顶元素
     */
    T pop();

    /**
     * 获取堆中的元素个数
     */
    int size();

    /**
     * 堆是否为空
     */
    boolean isEmpty();
}

插入

为了保证二叉堆是一棵完全二叉树，每次都将新节点插到数组的末尾，也就是二叉树的最后一个节点。如下图所示，假设插入的节点为 A，它的父节点为 P，兄弟节点为 S，由于 P > A，这就打破了二叉堆的有序性，所以需要对堆进行调整。具体流程就是将兄弟节点中的较小者（A）选为父节点，而先前的父节点 P 则退位变为子节点。如果此时 A 的父节点小于 A，则无需继续调整。但是下图中只交换了 A、P 之后还是没将二叉树调整为堆有序状态，因为父节点 D > A，接着将兄弟节点中较小的 A 变为父节点，而 D 则变成 A 的子节点，至此完成最小堆的调整。

如何在 Java 中实现最小生成树算法

上述过程的代码如下所示，为了保证后续插入操作，每当数组满员时就对其进行扩容操作：

package com.zhiyiyo.collection.queue;

import java.util.Arrays;

public class MinPriorQueue<T extends Comparable<T>> implements PriorQueue<T>{
    private T[] array;
    private int N;

    public MinPriorQueue() {
        this(3);
    }

    public MinPriorQueue(int maxSize) {
        array = (T[]) new Comparable[maxSize + 1];
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return N == 0;
    }

    @Override
    public int size() {
        return N;
    }

    @Override
    public void insert(T item) {
        array[++N] = item;
        swim(N);
        if (N == array.length - 1) resize(1 + 2 * N);
    }

    /**
     * 元素上浮
     *
     * @param k 元素的索引
     */
    private void swim(int k) {
        while (k > 1 && less(k, k / 2)) {
            swap(k, k / 2);
            k /= 2;
        }
    }

    private void swap(int a, int b) {
        T tmp = array[a];
        array[a] = array[b];
        array[b] = tmp;
    }

    private boolean less(int a, int b) {
        return array[a].compareTo(array[b]) < 0;
    }

    private void resize(int size) {
        array = Arrays.copyOf(array, size);
    }
}

删除最小元素

假设我们需要删除下图中的 A 元素，这时候就需要将 A 和最小堆的最后一个元素 P 交换位置，并将数组的最后一个元素置为 null ，使得 A 的引用次数变为 0，能被垃圾回收机制自动回收掉。交换之后最小堆的有序性被破坏了，因为父节点 P > 子节点 D，这时候和插入元素的操作一样，将较小的子节点和父节点交换位置，使得较大的父节点能够下沉，而较小的子节点上位，这个过程持续到没有子节点被 P 更小为止。

实现代码如下：

@Override
public T pop() {
    T item = array[1];
    swap(1, N);
    array[N--] = null;
    sink(1);
    if (N < (array.length - 1) / 4) resize((array.length - 1) / 2);
    return item;
}

/**
 * 元素下沉
 *
 * @param k 元素的索引
 */
private void sink(int k) {
    while (2 * k <= N) {
        int j = 2 * k;
        // 检查是否有两个子节点
        if (j < N && less(j + 1, j)) j++;
        if (less(k, j)) break;
        swap(k, j);
        k = j;
    }
}

并查集

假设 \(T\) 中的顶点的集合为 \(V'\) ，则有图 \(G'=(V', T)\) 。我们可以将 \(G'\) 划分为 \(n\) 个连通分量，每个连通分量有一个标识 \(id\in [0, n-1]\) 。要想判断将边 \(e_m\) 加入 \(T\) 后是否会构成环，只需判断 \(e_m\) 的两个顶点是都属于同一个连通分量即可。

判断是否连通

由于每个连通分量都不存在环，可以看作一棵小树，所以可以用一个数组 int[] ids 的索引表示树中的节点（图中的顶点），而索引处的元素值为父节点的索引值，数组中 ids[i] == i 的位置就是每棵树的根节点， i 就是这个连通分量的标识。而我们想要知道两个节点之间是否连通，只需判断他们所属的树的根节点是否相同即可。

假设从树底的叶节点 6 出发，一路向上直到树顶 1，中间需要经过 5 和 0 两个节点，如果节点 6 的根节点查询得比较频繁，那么这种查找效率是比较低的。由于我们只需知道根节点是谁即可，树的结构无关紧要，那么为何不想个办法把节点 5、6 直接挂到根节点 1，这样只要一步就能知道根节点。实现这种想法的的方式就是路径压缩：当从节点 6 走到父节点 5 时，就将节点 6 挂到节点 5 的父节点 0 上；而从节点 0 走到根节点 1 时，就将子节点 6 和 5 挂到根节点 1 下，树高被压缩为 1。

实现上述过程的代码如下所示：

package com.zhiyiyo.collection.tree;

public class UnionFind {
    private int[] ids;
    private int[] ranks;	// 每棵树的高度
    private int N;			// 树的数量

    public UnionFind(int N) {
        this.N = N;
        ids = new int[N];
        ranks = new int[N];
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            ids[i] = i;
            ranks[i] = 1;
        }
    }

    /**
     * 获取连通分量个数
     *
     * @return 连通分量个数
     */
    public int count() {
        return N;
    }

    /**
     * 获得连通分量的 id
     *
     * @param p 触点 id
     * @return 连通分量 id
     */
    public int find(int p) {
        while (p != ids[p]) {
            ids[p] = ids[ids[p]];   // 路径压缩
            p = ids[p];
        }
        return p;
    }

    /**
     * 判断两个触点是否连通
     *
     * @param p 触点 p 的 id
     * @param q 触点 q 的 id
     * @return 是否连通
     */
    public boolean isConnected(int p, int q) {
        return find(p) == find(q);
    }
}

合并连通分量

我们将 \(E\) 中的 \(e_m\) 添加到 \(T\) 中时， \(e_m\) 的两个节点肯定分属于两个连通分量，加入 \(T\) 之后就需要将这两个分量合并，也就是将两棵小树合并为一颗大树。假设两棵树的高度分别为 \(h_1\) 和 \(h_2\) ，如果直接将一颗树的根节点接到另一棵树的叶节点上，会导致新树高度为 \(h_1+h_2\) ，降低寻找根节点的效率。解决方式是按秩归并，将矮树的根节点接到高树的根节点上，会出现两种情况：

如果 \(h_1 \neq h_2\) ，新树高度会是 \(\max\{h_1, h_2\}\)
如果 \(h_1=h_2=c\) ，新树高度会是 \(c+1\)

上述过程的代码如下所示：

/**
 * 如果两个触点不处于同一个连通分量中，则连接两个触点
 *
 * @param p 触点 p 的 id
 * @param q 触点 q 的 id
 */
public void union(int p, int q) {
    int pId = find(p);
    int qId = find(q);
    if (qId == pId) return;

    // 将小树并到大树
    if (ranks[qId] > ranks[pId]) {
        ids[pId] = qId;
    } else if (ranks[qId] < ranks[pId]) {
        ids[qId] = pId;
    } else {
        ids[qId] = pId;
        ranks[pId]++;
    }

    N--;
}

实现算法

实现 kruskal 算法时，先将所有边加入最小堆中，每次取出堆顶的元素 \(e_m\) ，然后使用并查集判断边的两个顶点是否连通，如果不连通就将 \(e_m\) 加入 \(T\) ，重复这个过程直至 \(|T|=|V|-1\) ，时间复杂度为 \(O(|E|\log |E|)\) 。

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.queue.LinkQueue;
import com.zhiyiyo.collection.queue.MinPriorQueue;
import com.zhiyiyo.collection.queue.Queue;
import com.zhiyiyo.collection.tree.UnionFind;

import java.util.stream.Stream;
import java.util.stream.StreamSupport;


public class KruskalMST implements MST {
    private Queue<Edge> mst;

    public KruskalMST(WeightedGraph graph) {
        mst = new LinkQueue<>();
        UnionFind uf = new UnionFind(graph.V());

        MinPriorQueue<Edge> pq = new MinPriorQueue<>();
        for (Edge e : graph.edges()) {
            pq.insert(e);
        }

        while (mst.size() < graph.V() - 1 && !pq.isEmpty()) {
            Edge edge = pq.pop();
            int v = edge.either();
            int w = edge.another(v);
            if (!uf.isConnected(v, w)) {
                mst.enqueue(edge);
                uf.union(v, w);
            }
        }
    }

    @Override
    public Iterable<Edge> edges() {
        return mst;
    }

    @Override
    public double weight() {
        Stream<Edge> stream = StreamSupport.stream(mst.spliterator(), false);
        return stream.map(Edge::getWeight).reduce(0d, Double::sum);
    }
}

Prim 算法

Prim 算法的思想是初始化最小生成树为一个根节点 0，然后将根节点的所有邻边加入最小堆中，从最小堆中弹出最小的边 \(e_m\) ，如果 \(e_m\) 不会使得树中出现环，将将其并入树中。每当有新的节点 \(v\) 被并入树中时，就得将 \(v\) 的所有邻边加入最小堆中。重复上述过程直到 \(|T|=|V|-1\) ，时间复杂度为 \(O(|E|\log|E|)\) 。代码如下所示：

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.queue.LinkQueue;
import com.zhiyiyo.collection.queue.MinPriorQueue;
import com.zhiyiyo.collection.queue.Queue;

import java.util.stream.Stream;
import java.util.stream.StreamSupport;

/**
 * 延时版本 Prim 算法
 */
public class PrimMST implements MST {
    private boolean[] marked;
    private MinPriorQueue<Edge> pq;
    private Queue<Edge> mst;

    public LazyPrimMST(WeightedGraph graph) {
        marked = new boolean[graph.V()];
        pq = new MinPriorQueue<>();
        mst = new LinkQueue<>();

        mark(graph, 0);
        while (mst.size() < graph.V() - 1 && !pq.isEmpty()) {
            Edge edge = pq.pop();
            int v = edge.either();
            int w = edge.another(v);

            // 构成环则舍弃
            if (marked[v] && marked[w]) continue;
            mst.enqueue(edge);

            if (!marked[v]) mark(graph, v);
            else if (!marked[w]) mark(graph, w);
        }
    }

    private void mark(WeightedGraph graph, int v) {
        marked[v] = true;
        for (Edge edge : graph.adj(v)) {
            if (!marked[edge.another(v)]) {
                pq.insert(edge);
            }
        }
    }

    @Override
    public Iterable<Edge> edges() {
        return mst;
    }

    @Override
    public double weight() {
        Stream<Edge> stream = StreamSupport.stream(mst.spliterator(), false);
        return stream.map(Edge::getWeight).reduce(0d, Double::sum);
    }
}

由于每次都是把新节点的所有邻边都加到了最小堆中，会引入许多无用的边，所以《算法第四版》中给出了使用索引优先队列实现的即时版 Prim 算法，时间复杂度能达到 \(O(|E|\log |V|)\) ，但是这里写不下了，大家可以自行查阅，以上~~

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