并查集及其简单应用

一.并查集

• 并查集的逻辑结构:由多颗不相连通的多叉树构成的森林(一个这样的多叉树就是森林的一个连通分量)

  • 并查集的元素(树节点)用0~9的整数表示,并查集可以表示如下:

• 并查集的物理存储结构:并查集一般采用顺序结构实现,用数组下标表示并查集的元素,数组元素用于记录并查集中的元素间的关系:

  • 若并查集的元素对应的数组元素为负数,则表示该并查集元素为某颗多叉树的根且没有前驱结点,负数的绝对值表示该颗多叉树(并查集的连通分量)的元素个数
  • 若并查集的元素对应的数组元素为非负数,这个非负数则表示该并查集的元素的前驱结点

• 并查集数据结构常用的运算就是==(连通分量)多叉树间的合并算法==:

二.并查集的实现

• 并查集的初始状态设置:
• 简单的代码实现:

#include 
#include 
#include 

//采用适配器模式实现并查
class UnionFindSet
{
public:
	//构造函数参数为并查集中的元素个数,并查集的初始状态为size颗树构成的森林(size个连通分量)
	UnionFindSet(size_t size)
		:_SetMap(size,-1)
	{}
	//给定一个并查集元素找到其所在的(连通分量)多叉树的根结点
	size_t FindRoot(int Node) const throw(std :: string)
	{
		//越界检查
		if (Node < 0 || Node >= _SetMap.size())throw "Label out of range";	
		while (_SetMap[Node] >= 0)
		{
			Node = _SetMap[Node];
		}
		return static_cast<size_t>(Node);
	}


	//给定两个并查集元素,将它们所在的(连通分量)多叉树进行合并运算
	void Union(int Node1, int Node2)  throw(std::string)
	{
		//越界检查
		if (Node1 < 0 || Node1 > _SetMap.size()|| Node2 < 0 || Node2 > _SetMap.size())
			throw "Label out of range";

		//先找到两个元素所在的(连通分量)多叉树的根
		size_t root1 = FindRoot(Node1);
		size_t root2 = FindRoot(Node2);
		//进行多叉树合并操作
		if (root1 != root2)
		{
			_SetMap[root1] += _SetMap[root2];
			_SetMap[root2] = static_cast<int>(root1);
		}
	}

	//计算并查集中多叉树的颗数(连通分量的个数)
	size_t SetCount() const noexcept
	{
		//并查集中多叉树的颗数就是vector中负数元素的个数
		size_t count = 0;
		for (auto e : _SetMap)
		{
			if (e < 0)++count;
		}
		return count;
	}
private:
	std::vector<int> _SetMap;
};

• 并查集是一种经常用于划分等价类的数据结构.以树形逻辑结构为基础,以一颗多叉树(一个连通分量)表示一个等价类,多个互相不连通的多叉树(连通分量)构成的森林用于表示多个等价类构成的集合,使用并查集可以很好地解决等价类的划分和计数问题(即图的连通分量的求解问题)

三.并查集的基本应用

LeetCoed : LCR 116. 省份数量

• 这个问题就是一个等价类集合的构建和计数问题,可以使用并查集解决.(题目中的相连关系就是一种相对于相同省份性质的等价关系)
• 问题的本质可以抽象为:以城市为元素依据相连关系形成的图结构的最小生成树的个数(即连通分量的个数),可以采用dfs或bfs遍历算法,此处提供使用并查集的一种写法.
• 借助vector和lambda表达式建立简单的并查集最后返回并查集中多叉树的个数:

class Solution 
{
public:
    int findCircleNum(vector<vector<int>>& isConnected) 
    {
        //创建简易的并查集
        vector<int> UnionSet(isConnected.size(),-1);
        //定义Find函数,根据结点找到多叉树的根
        auto Find = [&UnionSet](int Node){
                        while(UnionSet[Node] >=0)
                        {
                            Node = UnionSet[Node];
                        }
                        return Node;
                    };
        for(int i = 0; i < isConnected.size(); ++i)
        {
            for(int j = i+1; j < isConnected.size(); ++j)
            {
                if(isConnected[i][j] == 1)
                {
                    //多叉树合并
                    int root1 = Find(i);
                    int root2 = Find(j);
                    if(root1 != root2)
                    {
                        UnionSet[root1] += UnionSet[root2];//这句代码用于修改结点计数,此题中可以不加
                        UnionSet[root2] = root1;
                    }
                }

            }
        }

        int count = 0;
        //统计并查集中多叉树的个数
        for(auto e : UnionSet)
        {
            if(e < 0 ) ++count;
        }
        return count;
    }
};

LeetCode:990. 等式方程的可满足性

• 这同样是一个等价类划分的问题:将0~25的各个编号与a~z二十六个字母建立映射关系,根据字母间相等关系构建并查集:

class Solution 
{
public:
    bool equationsPossible(vector<string>& equations) 
    {
        vector<int> UionSet(26,-1);
        auto FindRoot = [&UionSet](int Node){
                            while(UionSet[Node] >= 0)
                            {
                                Node = UionSet[Node];
                            }
                            return Node;
                        };

        //先遍历等式方程中的字母,在并查集中将它们归类到各个多叉树中(构建相等关系等价类集合)
        for(auto str : equations)
        {
            //遇到等式,等式两边字母应该属于并查集中同一颗多叉树
            if(str[1] == '=')
            {
                int root1 = FindRoot(str[0]-'a');
                int root2 = FindRoot(str[3]-'a');
                if(root1 != root2)
                {
                    UionSet[root1] += UionSet[root2];
                    UionSet[root2] = root1;
                }
            }
        }
        //再处理不等式方程,检验相容性
        for(auto str : equations)
        {
            //遇到不等式,不等式两边字母不能属于并查集中同一颗多叉树
            if(str[1] == '!')
            {
                int root1 = FindRoot(str[0]-'a');
                int root2 = FindRoot(str[3]-'a');
                if(root1 == root2)
                {
                    return false;
                }
            }
        }
        return true;
    }
};