克鲁斯卡尔算法分析
问题一:对图的所有边按照权值大小进行排序
问题二:将边添加到最小生成树中时,怎样判断是否形成回路
问题一很好解决,采用排序算法进行排序即可
问题二,处理方式是:记录顶点在“最小生成树”中的终点,顶点的终点是“在最小生成树中与它连通的最大顶点”。然后每次需要将一条边添加到最小生成树时,判断该边的两个顶点的终点是否重合,重合的话则会构成回路。
public class KruskalCase {
private int edgeNum; // 边的个数
private char[] vertexs; // 顶点数组
private int[][] matrix; // 邻接矩阵
// 使用 INF 表示两个顶点不能连通
private static final int INF = Integer.MAX_VALUE;
public static void main(String[] args) {
char[] vertexs = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G'};
int matrix[][] = {
{0, 12, INF, INF, INF, 16, 14},
{12, 0, 10, INF, INF, 7, INF},
{INF, 10, 0, 3, 5, 6, INF},
{INF, INF, 3, 0, 4, INF, INF},
{INF, INF, 5, 4, 0, 2, 8},
{16, 7, 6, INF, 2, 0, 9},
{14, INF, INF, INF, 8, 9, 0}
};
// 创建对象实例
KruskalCase kruskalCase = new KruskalCase(vertexs, matrix);
kruskalCase.print();
// 克鲁斯卡尔算法
kruskalCase.Kruskal();
}
/**
* 构造器初始化
*
* @param vertexs 顶点数组
* @param matrix 邻接矩阵
*/
public KruskalCase(char[] vertexs, int[][] matrix) {
// 初始化顶点数和边的个数
int vlen = vertexs.length;
// 初始化顶点
this.vertexs = new char[vlen];
for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
this.vertexs[i] = vertexs[i];
}
// 初始化边
this.matrix = new int[vlen][vlen];
for (int i = 0; i < vlen; i++) {
for (int j = 0; j < vlen; j++) {
this.matrix[i][j] = matrix[i][j];
}
}
// 统计边
for (int i = 0; i < vlen; i++) {
for (int j = i + 1; j < vlen; j++) {
if (this.matrix[i][j] != INF) {
edgeNum++;
}
}
}
}
/**
* 克鲁斯卡尔算法
*/
public void Kruskal() {
int index = 0; // 表示最后结果数组的索引
int[] ends = new int[edgeNum]; // 用于保存“已有最小生成树”中的每个顶点在最小生成树中的终点
// 创建结果数组,保存最后的最小生成树
EData[] rets = new EData[edgeNum];
// 获取图中所有的边的集合
EData[] edges = getEdges();
// 按照边的权值大小进行排序
sortEdges(edges);
System.out.println("图的边的集合=" + Arrays.toString(edges) + " 共" + edges.length);
// 遍历 edges,将边加入到最小生成树中时,判断准备加入的边是否形成了回路,如果没有,就加入
for (int i = 0; i < edgeNum; i++) {
// 获取到第 i 条边的第 1 个顶点
int p1 = getPosition(edges[i].start);
// 获取到第 i 条边的第 2 个顶点
int p2 = getPosition(edges[i].end);
// 获取 p1 顶点在已有的最小生成树中的终点
int m = getEnd(ends, p1);
// 获取 p2 顶点在已有的最小生成树中的终点
int n = getEnd(ends, p2);
// 判断是否构成回路
if (m != n) {
ends[m] = n; // 设置 m 在“已有最小生成树”中的终点
rets[index++] = edges[i]; // 有一条边加入到 rets 数组
}
}
// 统计并打印“最小生成树”,输出 rets
System.out.println("最小生成树为:");
for (int i = 0; i < index; i++) {
System.out.println(rets[i]);
}
}
/**
* 打印
*/
public void print() {
System.out.println("邻接矩阵为:");
for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
for (int j = 0; j < vertexs.length; j++) {
System.out.printf("%10d\t", matrix[i][j]);
}
System.out.println();
}
}
/**
* 对边进行排序处理,冒泡
*
* @param edges 边的集合
*/
private void sortEdges(EData[] edges) {
for (int i = 0; i < edges.length - 1; i++) {
for (int j = 0; j < edges.length - 1 - i; j++) {
if (edges[j].weight > edges[j + 1].weight) {
EData tmp = edges[j];
edges[j] = edges[j + 1];
edges[j + 1] = tmp;
}
}
}
}
/**
* 得到顶点对应下标
*
* @param ch 顶点的值
* @return 返回顶点的下标,找不到返回 -1
*/
private int getPosition(char ch) {
for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
if (vertexs[i] == ch) {
return i;
}
}
return -1;
}
/**
* 获取图中的边,放到 EData[] 数组中
* 通过 matrix 邻接矩阵获取
*
* @return
*/
private EData[] getEdges() {
int index = 0;
EData[] edges = new EData[edgeNum];
for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
for (int j = i + 1; j < vertexs.length; j++) {
if (matrix[i][j] != INF) {
edges[index++] = new EData(vertexs[i], vertexs[j], matrix[i][j]);
}
}
}
return edges;
}
/**
* 获取下标为 i 的顶点的终点,用于后面判断两个顶点的终点是否相同
*
* @param ends 记录各个顶点对应的终点是哪个,ends 是在遍历过程中逐步形成的
* @param i 表示传入的顶点对应的下标
* @return 返回下标为 i 的这个顶点对应的终点的下标
*/
private int getEnd(int[] ends, int i) {
while (ends[i] != 0) {
i = ends[i];
}
return i;
}
}
// 创建 EData,他的对象实例表示边
class EData {
char start; // 边的起点
char end; // 边的终点
int weight; // 边的权值
public EData(char start, char end, int weight) {
this.start = start;
this.end = end;
this.weight = weight;
}
@Override
public String toString() {
return "EData[" +
"<" + start +
", " + end +
"> = " + weight +
']';
}
}