数据结构——并查集

一、并查集

并查集是一种树型的数据结构 ,用来处理不相交集合的元素合并和查询问题。

思想:用一个数组表示整片森林,每棵树的根节点标识该集合,只要找到某个元素对应的树根,就能确定它的集合。

二、并查集的相关操作

首先用一个数组 Parent 记录每个节点对应的父节点 ,Parent i 表示 i 的父节点**。**

1.初始化

每个节点都没有与其他的节点相连(构成集合),即每个节点都是所在集合的根节点,

复制代码
for (int i=1;i<=n;i++)  Parent[i]=i;

2.查找Find

查询某元素所在集合的根节点。

操作过程:对于一个集合,通过不断的迭代 Parent 数组,直至找到 的节点

复制代码
int find(int x)					//查找x的根节点
{
	while(parent[x]!=x)			// x 的父亲不是自己(不是根节点)
		x=parent[x];			// 迭代向上寻找
	return x;
}

3.合并Union

将两个子集合并成一个集合。

操作过程:

①将两个元素(x,y)所在的集合合并,需要通过 Find 函数找到两个元素对应的根节点;

②如果两个根节点相同(即在同一集合内),不需要合并,若两根节点不相同,选择其中一个根节点作为另一个节点的父亲,合并成一个新集合。

合并后:

复制代码
void union(int x,int y)                     //合并 x y 所在集合
{
    int fx=find(x),fy=find(y);            //找到两个节点对应的根节点
    if(fx!=fy)                           // 不在一个集合中
        parent[fx]=fy;                   // fy 作为 fx 的父节点
}

三、并查集的优化

1.路径压缩(优化 Find() 函数)

在合并 Union 操作中,通过以下操作将两个集合合并,即将 节点 fx 接在 节点 fy 后。

if(fx!=fy) parentfx=fy;

通常情况下,数据过大导致不断合并,会存在多种情况,最终的树状结构无法预计,即有可能是均匀 n 叉树,也有可能是单支树结构 。当树型结构为单支树,Find() 函数中,每次寻找树根节点都要不断向上搜索,此时效率大大降低 复杂度为 O(n)。

通过路径压缩,直接将每个节点都指向树根节点,这样大大降低时间消耗,只需要递归一次即可找到树根节点。

代码实现:

将单支树转化成路径压缩后,只需要 Find函数 不断向上递归的过程中 更新parent数组,即将路径上点的parent数组全部更新为根节点。

复制代码
int find(int x)					//查找x的根节点
{
	if(parent[x]==x) return x;		// 根节点
	return parent[x]=find(parent[x]); // 向上递归
}

2.按秩合并(以树高举例)

在Union操作中,以两个根节点的树高 来判断两点哪点为父节点,为了使树更加均衡,通常将树高更大的点作为父节点,如下图所示。

实现:使用 rank() 数组记录树高

当 rankfx<rankfy,则 parentfx=fy

当 rankfx==rankfy,则两点均可作为对方的父节点,这里以 parentfx=fy 为例,并且将 rankfy++

当 rankfx>rankfy,则 parentfy=fx

复制代码
void union(int x,int y)                     //合并 x y 所在集合
{
    int fx=find(x),fy=find(y);            //找到两个节点对应的根节点
    if(rank[fx]<rank[fy]) parent[fx]=fy; // fy 更高,将 fx 接在 fy 上
    if(rank[fx]>rank[fy]) parent[fy]=fx; // fx 更高,将 fy 接在 fx 上
    if(rank[fx]==rank[fy])  //二者等高,选择其一即可
    {
        parent[fx]=fy; 
        rank[fy]++;               
}
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