C++数据结构：并查集

news2024/10/7 4:26:43

一. 并查集的概念

二. 并查集的模拟实现

2.1 并查集类的声明

2.2 并查集的实现

三. 路径压缩

四. 总结

一. 并查集的概念

在生活中，我们经常需要对某一些事物进行归类处理，即：将N个不同的元素划分为几个互不相交的集合。在初始状态，每个元素都属于一个独立的集合，在归一合并的过程中，经常需要查找某个元素属于哪一个集合，实现上面功能的数据结构，称之为并查集。

举一个生活中的例子，假设小卖部了有如下货物：苹果、香蕉、橘子、面包、薯片、牙膏、毛巾等，一开始进货的时候，这些货物是散装进货的，没有归类。一般而言，我们会将苹果、香蕉、橘子归类为水果，将面包和薯片归为零食，将牙膏和毛巾归为洗漱用品，这就相当于并查集查找元素所属的几何并进行归类的过程。初步归类后，继续将水果和零食统一归类为食物，这相当于合并两个类，并查集可以实现对类的合并。

并查集本质上是通过多颗树（森林）来实现的，每一颗树都表示一个独立的集合，使用双亲法表示树结构，即每个节点仅保存其父亲节点。如图1.1所示，将1~9十个数字分为三个集合，分别为{0,5,6,9}、{1,4,7}、{2,3,8}，用三棵树表示对应关系，取{...}中第一个数据为根节点，使用vector<int>数组来实现双亲法表示树状结构，假设数据与vector下标直接对应，那么并查集划分集合的过程为：

先将vector<int>中每个元素都设为-1，表示每个元素属于独立的集合。
开始进行归一化，对于每个叶子节点，查找其根节点，根节点值-1，叶子节点位置处值为其父亲节点的下标。
归类完成后，根节点下标处的值为负数，叶子节点下标处的值>=0。
对于叶子节点下标处的负数值，设其为rootVal，有：abs(rootVal) = 本集合的数据个数。

如图1.2所示，将图1.1中的{0,5,6,9}和{1,4,7}归为一类，那么1就变为了0的孩子节点，合并后的几集合以0为根节点，有7个元素，因此vector<int>下标为0的位置处元素变为了-1，而原来下标为1的位置处的值变为合并后其父亲节点的值的下标，即0。

二. 并查集的模拟实现

2.1 并查集类的声明

我们假设并查集要管理的元素值从1~N，不考虑模板类型数据和vector<int>下标的映射情况，根据第一节的内容，一个并查集类应当以下成员变量和接口：

std::vector<int> _ufs ：用于以双亲表示法记录每一颗树（每一个集合）。
构造函数：给定数据量，将_ufs中的元素全部初始化为-1。
int FindRoot(int x)，查找元素x所属的根在_ufs中的下标。
void Union(int x1, int x2) ：将x1和x2所在的集合合并为一个集合。
size_t Size() ：统计并查集内集合的个数。
析构函数：采用编译器默认生成的析构函数即可。

代码2.1：并查集类UnionFindSet的声明（UnionFindSet.hpp头文件）

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 并查集
class UnionFindSet
{
public:
	UnionFindSet(size_t size);
	int FindRoot(int x);         // 查找某个元素属于哪个集合（根下标）
	void Union(int x1, int x2);  // 合并两个集合
	size_t Size() const;         // 统计并查集内集合的个数

private:
	std::vector<int> _ufs;
};

2.2 并查集的实现

构造函数：给定数据量size，将_ufs初始化为函数size个值为-1的线性表，表示每个元素都属于一个独立的集合。
根查找函数int FindRoot(int x)：本质上为查找元素属于哪一个集合，前面提到根下标处的元素为负数，因此只需要不断更新x = _ufs[x]，直到_ufs[x] < x，然后将x返回即可。
集合合并函数void Union(int x1, int x2)：先查找两个元素的根root1和root2，如果root1 == root2成立，则表明两个元素属于同一集合，这种情况下直接返回即可。如果root1 != root2，那么就让_ufs[root1] += _ufs[root2]，这样根节点下标位置处的绝对值就是集合中元素的个数，然后再执行_ufs[root2] = _ufs[root1]，表示跟新被合并集合的根节点。
统计集合个数函数size_t Size()：统计根节点个数，即_ufs中小于0的元素的个数即可。

代码2.2：并查集的实现（UnionFindSet.cpp源文件）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include "UnionFindSet.hpp"

UnionFindSet::UnionFindSet(size_t size)
	: _ufs(size, -1)
{ }

// 查找某个元素属于哪个集合（根下标）
int UnionFindSet::FindRoot(int x)
{
	// 循环查找，直到_ufs[x] < 0
	while (_ufs[x] >= 0)
	{
		x = _ufs[x];
	}
		
	return x;
}

// 合并两个集合
void UnionFindSet::Union(int x1, int x2)
{
	int root1 = FindRoot(x1);
	int root2 = FindRoot(x2);

	if (root1 == root2)
	{
		return;
	}

	if (root1 > root2)
	{
		std::swap(root1, root2);
	}

	_ufs[root1] += _ufs[root2];
	_ufs[root2] = root1;
}

// 统计并查集内集合的个数
size_t UnionFindSet::Size() const
{
	// 遍历_ufs统计小于0的元素的个数
	size_t count = 0;
	for (const auto x : _ufs)
	{
		if (x < 0) ++count;
	}
	return count;
}