文章目录
- 4.2.1 矩阵的数组表示
- 4.2.2 特殊矩阵的压缩存储
- a. 对角矩阵的压缩存储
- b~c. 三角、对称矩阵的压缩存储
- d. 稀疏矩阵的压缩存储——三元组表
- 4.2.3三元组表的转置、加法、乘法、操作
- 4.2.4十字链表
- 0. 十字链表的创建、遍历打印、销毁
- 1. 插入
- 2. 查找
- 3. 删除
- 4. 主函数
- 5. 代码整合
4.2.1 矩阵的数组表示
【数据结构】数组和字符串(一):矩阵的数组表示
4.2.2 特殊矩阵的压缩存储
矩阵是以按行优先次序将所有矩阵元素存放在一个一维数组中。但是对于特殊矩阵,如对称矩阵、三角矩阵、对角矩阵和稀疏矩阵等, 如果用这种方式存储,会出现大量存储空间存放重复信息或零元素的情况,这样会造成很大的空间浪费。为节约存储空间和算法(程序)运行时间,通常会采用压缩存储的方法。
- 对角矩阵:指除了主对角线以外的元素都为零的矩阵,即对 任意 i ≠ j (1≤ i , j ≤n),都有M(i, j)=0。由于只有主对角线上有非零元素,只需存储主对角线上的元素即可。
- 三角矩阵:指上三角或下三角的元素都为零的矩阵。同样地,只需存储其中一部分非零元素,可以节省存储空间。
- 对称矩阵:指矩阵中的元素关于主对角线对称的矩阵。由于对称矩阵的非零元素有一定的规律,可以只存储其中一部分元素,从而减少存储空间。
- 稀疏矩阵:指大部分元素为零的矩阵。传统的按行优先次序存储方法会浪费大量空间来存储零元素,因此采用压缩存储的方法更为合适。常见的压缩存储方法有:压缩稠密行(CSR)、压缩稠密列(CSC)、坐标列表(COO)等。
a. 对角矩阵的压缩存储
【数据结构】数组和字符串(二):特殊矩阵的压缩存储:对角矩阵——一维数组
b~c. 三角、对称矩阵的压缩存储
【数据结构】数组和字符串(三):特殊矩阵的压缩存储:三角矩阵、对称矩阵——一维数组
d. 稀疏矩阵的压缩存储——三元组表
对于稀疏矩阵的压缩存储,由于非零元素的个数远小于零元素的个数,并且非零元素的分布没有规律,无法简单地利用一维数组和映射公式来实现压缩存储。针对稀疏矩阵,通常采用特定的数据结构来进行压缩存储,以减少存储空间的占用。
一种常见的稀疏矩阵压缩存储方法是使用"三元组"表示法,也称为COO(Coordinate)格式,只存储非零元素的值以及它们的行列坐标。通过使用三元组(Triplet)来表示非零元素的位置和值,每个三元组包含三个信息:非零元素的行索引、非零元素的列索引以及非零元素的值。
【数据结构】数组和字符串(四):特殊矩阵的压缩存储:稀疏矩阵——三元组表
4.2.3三元组表的转置、加法、乘法、操作
【数据结构】数组和字符串(七):特殊矩阵的压缩存储:三元组表的转置、加法、乘法操作
4.2.4十字链表
在稀疏矩阵的十字链表中,每个非零元素都由一个节点表示。节点包含了几个字段:
LEFT
:指向该节点在同一行中的左邻非零元素的地址信息。UP
:指向该节点在同一列中的上邻非零元素的地址信息。ROW
:存储该节点在矩阵中的行号。COL
:存储该节点在矩阵中的列号。VAL
:存储该节点的元素值。
每一行都有一个表头节点,它引导着该行的循环链表,循环链表中的每个节点按照列号的顺序排列。同样,每一列也有一个表头节点,它引导着该列的循环链表,循环链表中的每个节点按照行号的顺序排列。
关于循环链表: 【数据结构】线性表(三)循环链表的各种操作(创建、插入、查找、删除、修改、遍历打印、释放内存空间)
-
在稀疏矩阵的十字链表中,每一行和每一列都有一个表头节点。
-
对于行表头节点
BASEROW[i]
,其中i
表示行号,范围从 1 到m
(矩阵的行数)。如果该行为空(即没有非零元素),则COL(Loc(BASEROW[i]))
的值为 -1。否则,COL(Loc(BASEROW[i]))
的值为该行中最右边的非零元素的列号。 -
对于列表头节点
BASECOL[j]
,其中j
表示列号,范围从 1 到n
(矩阵的列数)。如果该列为空(即没有非零元素),则ROW(Loc(BASECOL[j]))
的值为 -1。否则,ROW(Loc(BASECOL[j]))
的值为该列中最下边的非零元素的行号。
-
-
由于行和列都是循环链表,行表头节点
BASEROW[i]
中的LEFT
指针循环地链接到该行最右边的非零元素,列表头节点BASECOL[j]
中的UP
指针循环地链接到该列最下边的非零元素。
通过这种方式,可以用较少的空间表示稀疏矩阵,并且可以快速地进行行和列的遍历操作。每个节点的LEFT
和UP
指针可以用来定位其左邻和上邻非零元素,从而实现矩阵的访问和操作。
0. 十字链表的创建、遍历打印、销毁
【数据结构】数组和字符串(八):稀疏矩阵的链接存储:十字链表的创建、遍历打印(按行、按列、打印矩阵)、销毁
1. 插入
void insertElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col, int value) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return;
}
// 创建新节点
MatrixNode* newNode = (MatrixNode*)malloc(sizeof(MatrixNode));
newNode->row = row;
newNode->col = col;
newNode->value = value;
newNode->right = NULL;
newNode->down = NULL;
// 插入到行链表
if (matrix->rowHeaders[row] == NULL || matrix->rowHeaders[row]->col > col) {
// 插入到行链表的头部
newNode->right = matrix->rowHeaders[row];
matrix->rowHeaders[row] = newNode;
} else {
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
while (current->right != NULL && current->right->col < col) {
current = current->right;
}
newNode->right = current->right;
current->right = newNode;
}
// 插入到列链表
if (matrix->colHeaders[col] == NULL || matrix->colHeaders[col]->row > row) {
// 插入到列链表的头部
newNode->down = matrix->colHeaders[col];
matrix->colHeaders[col] = newNode;
} else {
MatrixNode* current = matrix->colHeaders[col];
while (current->down != NULL && current->down->row < row) {
current = current->down;
}
newNode->down = current->down;
current->down = newNode;
}
}
- 检查行数和列数是否在有效范围内,如果不是,则打印错误消息并返回。
- 创建一个新的节点,并将行、列和值存储在节点的相应字段中。
- 在行链表中插入节点:
- 如果当前行的行链表为空,或者当前行的行链表头节点的列大于要插入的列:
- 将要插入的节点的右指针指向当前行的行链表头节点。
- 将当前行的行链表头节点更新为要插入的节点。
- 否则,遍历当前行的行链表,直到找到插入位置:
- 将要插入的节点的右指针指向当前节点的右指针。
- 将当前节点的右指针指向要插入的节点。
- 如果当前行的行链表为空,或者当前行的行链表头节点的列大于要插入的列:
- 在列链表中插入节点:
- 如果当前列的列链表为空,或者当前列的列链表头节点的行大于要插入的行:
- 将要插入的节点的下指针指向当前列的列链表头节点。
- 将当前列的列链表头节点更新为要插入的节点。
- 否则,遍历当前列的列链表,直到找到插入位置:
- 将要插入的节点的下指针指向当前节点的下指针。
- 将当前节点的下指针指向要插入的节点。
- 如果当前列的列链表为空,或者当前列的列链表头节点的行大于要插入的行:
2. 查找
MatrixNode* findElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return NULL;
}
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
while (current != NULL && current->col != col) {
current = current->right;
}
return current;
}
- 检查行数和列数是否在有效范围内,如果不是,则打印错误消息并返回NULL。
- 从第一行开始遍历稀疏矩阵的每一行:
- 通过行表头节点数组获取当前行的行链表头节点。
- 遍历当前行的行链表,直到找到要查找的节点或遍历完整个链表。
- 如果找到要查找的节点,则返回节点的指针;否则,返回NULL。
3. 删除
void deleteElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return;
}
// 在行链表中删除节点
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
MatrixNode* prev = NULL;
while (current != NULL && current->col != col) {
prev = current;
current = current->right;
}
if (current == NULL) {
printf("Element not found!\n");
return;
}
if (prev == NULL) {
matrix->rowHeaders[row] = current->right;
} else {
prev->right = current->right;
}
// 在列链表中删除节点
current = matrix->colHeaders[col];
prev = NULL;
while (current != NULL && current->row != row) {
prev = current;
current = current->down;
}
if (prev == NULL) {
matrix->colHeaders[col] = current->down;
} else {
prev->down = current->down;
}
// 释放节点内存
free(current);
}
- 检查行数和列数是否在有效范围内,如果不是,则打印错误消息并返回。
- 在行链表中查找要删除的节点:
- 从当前行的行链表头节点开始遍历行链表,直到找到要删除的节点或遍历完整个链表。
- 如果找到要删除的节点:
- 如果要删除的节点是行链表的头节点:
- 将当前行的行链表头节点更新为要删除的节点的右指针。
- 否则,遍历行链表,直到找到要删除的节点的前一个节点:
- 将前一个节点的右指针指向要删除的节点的右指针。
- 如果要删除的节点是行链表的头节点:
- 在列链表中查找要删除的节点:
- 从当前列的列链表头节点开始遍历列链表,直到找到要删除的节点或遍历完整个链表。
- 如果找到要删除的节点:
- 如果要删除的节点是列链表的头节点:
- 将当前列的列链表头节点更新为要删除的节点的下指针。
- 否则,遍历列链表,直到找到要删除的节点的前一个节点:
- 将前一个节点的下指针指向要删除的节点的下指针。
- 如果要删除的节点是列链表的头节点:
- 释放要删除的节点的内存。
4. 主函数
int main() {
// 创建一个3x3的稀疏矩阵
SparseMatrix* matrix = createSparseMatrix(6, 6);
// 插入元素
insertElement(matrix, 1, 3, 5);
insertElement(matrix, 1, 4, 2);
insertElement(matrix, 5, 2, 1);
insertElement(matrix, 5, 1, 8);
insertElement(matrix, 5, 5, 7);
// 打印稀疏矩阵
printf("Sparse Matrix:\n");
printSparseMatrix(matrix);
// 查找节点
MatrixNode* node = findElement(matrix, 1, 4);
if (node != NULL) {
printf("\nFound node: (%d, %d, %d)\n", node->row, node->col, node->value);
} else {
printf("\nNode not found!\n");
}
// 删除节点
deleteElement(matrix,5,5);
printf("Sparse Matrix after deletion:\n");
printSparseMatrix(matrix);
// 销毁稀疏矩阵
destroySparseMatrix(matrix);
return 0;
}
5. 代码整合
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 定义矩阵节点结构
typedef struct MatrixNode {
int row;
int col;
int value;
struct MatrixNode* right;
struct MatrixNode* down;
} MatrixNode;
// 定义稀疏矩阵结构
typedef struct SparseMatrix {
int rows;
int cols;
MatrixNode** rowHeaders;
MatrixNode** colHeaders;
} SparseMatrix;
// 创建稀疏矩阵
SparseMatrix* createSparseMatrix(int rows, int cols) {
SparseMatrix* matrix = (SparseMatrix*)malloc(sizeof(SparseMatrix));
matrix->rows = rows;
matrix->cols = cols;
// 创建行表头节点数组
matrix->rowHeaders = (MatrixNode**)malloc((rows + 1) * sizeof(MatrixNode*));
for (int i = 0; i <= rows; i++) {
matrix->rowHeaders[i] = NULL;
}
// 创建列表头节点数组
matrix->colHeaders = (MatrixNode**)malloc((cols + 1) * sizeof(MatrixNode*));
for (int j = 0; j <= cols; j++) {
matrix->colHeaders[j] = NULL;
}
return matrix;
}
// 销毁稀疏矩阵
void destroySparseMatrix(SparseMatrix* matrix) {
if (matrix == NULL) {
return;
}
// 释放所有节点内存
for (int i = 1; i <= matrix->rows; i++) {
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[i];
while (current != NULL) {
MatrixNode* temp = current;
current = current->right;
free(temp);
}
}
// 释放行表头节点数组
free(matrix->rowHeaders);
// 释放列表头节点数组
free(matrix->colHeaders);
// 释放稀疏矩阵结构
free(matrix);
}
// 插入元素
void insertElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col, int value) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return;
}
// 创建新节点
MatrixNode* newNode = (MatrixNode*)malloc(sizeof(MatrixNode));
newNode->row = row;
newNode->col = col;
newNode->value = value;
newNode->right = NULL;
newNode->down = NULL;
// 插入到行链表
if (matrix->rowHeaders[row] == NULL || matrix->rowHeaders[row]->col > col) {
// 插入到行链表的头部
newNode->right = matrix->rowHeaders[row];
matrix->rowHeaders[row] = newNode;
} else {
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
while (current->right != NULL && current->right->col < col) {
current = current->right;
}
newNode->right = current->right;
current->right = newNode;
}
// 插入到列链表
if (matrix->colHeaders[col] == NULL || matrix->colHeaders[col]->row > row) {
// 插入到列链表的头部
newNode->down = matrix->colHeaders[col];
matrix->colHeaders[col] = newNode;
} else {
MatrixNode* current = matrix->colHeaders[col];
while (current->down != NULL && current->down->row < row) {
current = current->down;
}
newNode->down = current->down;
current->down = newNode;
}
}
// 删除元素
void deleteElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return;
}
// 在行链表中删除节点
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
MatrixNode* prev = NULL;
while (current != NULL && current->col != col) {
prev = current;
current = current->right;
}
if (current == NULL) {
printf("Element not found!\n");
return;
}
if (prev == NULL) {
matrix->rowHeaders[row] = current->right;
} else {
prev->right = current->right;
}
// 在列链表中删除节点
current = matrix->colHeaders[col];
prev = NULL;
while (current != NULL && current->row != row) {
prev = current;
current = current->down;
}
if (prev == NULL) {
matrix->colHeaders[col] = current->down;
} else {
prev->down = current->down;
}
// 释放节点内存
free(current);
}
// 查找节点
MatrixNode* findElement(SparseMatrix* matrix, int row, int col) {
if (row <= 0 || row > matrix->rows || col <= 0 || col > matrix->cols) {
printf("Invalid position!\n");
return NULL;
}
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[row];
while (current != NULL && current->col != col) {
current = current->right;
}
return current;
}
// 打印稀疏矩阵
void printSparseMatrix(SparseMatrix* matrix) {
for (int i = 1; i <= matrix->rows; i++) {
MatrixNode* current = matrix->rowHeaders[i];
for (int j = 1; j <= matrix->cols; j++) {
if (current != NULL && current->col == j) {
printf("%d ", current->value);
current = current->right;
} else {
printf("0 ");
}
}
printf("\n");
}
}
int main() {
// 创建一个3x3的稀疏矩阵
SparseMatrix* matrix = createSparseMatrix(6, 6);
// 插入元素
insertElement(matrix, 1, 3, 5);
insertElement(matrix, 1, 4, 2);
insertElement(matrix, 5, 2, 1);
insertElement(matrix, 5, 1, 8);
insertElement(matrix, 5, 5, 7);
// 打印稀疏矩阵
printf("Sparse Matrix:\n");
printSparseMatrix(matrix);
// 查找节点
MatrixNode* node = findElement(matrix, 1, 4);
if (node != NULL) {
printf("\nFound node: (%d, %d, %d)\n", node->row, node->col, node->value);
} else {
printf("\nNode not found!\n");
}
// 删除节点
deleteElement(matrix,5,5);
printf("Sparse Matrix after deletion:\n");
printSparseMatrix(matrix);
// 销毁稀疏矩阵
destroySparseMatrix(matrix);
return 0;
}