并查集是什么?怎么模拟实现?如何应用?
目录
一、什么是并查集?
二、并查集可以解决哪些问题?
三、并查集的模拟实现
3.1、并查集的定义
3.2、查询两个元素是否是同一个集合
3.3、合并两个集合
3.4、求集合个数
3.5、并查集完整代码
小结
一、什么是并查集?
我们可以想象这样一个过程,开始时有n个元素,某些元素开始和其他元素按照一定规律进行集合合并,有可能就会分成几个集合。在这个过程中要反复某个元素是哪个集合的,这样的运算,被抽象成数据类型叫做“并查集”;
还是不太理解?举个例子
例如:现在有10个人,分别对其进行编号,下标都为-1(为什么是-1,后面会解释),如下图:
现在将这个一个个零散人组建成如下三个团体:
他们的下标被修改为:
解释:
1. 数组的下标对应集合中元素的编号
2. 数组中如果为负数,负号表示当前下标为根结点,数字代表该集合中元素个数
3. 数组中如果为非负数,他的下标代表该元素的双亲结点
若继续合并,分成了如下两个小团体,数组变化如下:
二、并查集可以解决哪些问题?
通过以上栗子,可以发现,并查集可以解决以下问题:
1.查找元素属于哪个集合
方法:通过树一直找到根,也就是数组中的负数
2.查看两个元素是否属于同一个集合
方法:通过树一直找到根,若根相同说明是同一集合;
3.将两个集合合并成一个集合
方法:将一个集合名称改成另一个集合名称;
4.求集合个数
方法:数组中元素为负数是当前下标集合的个数;
三、并查集的模拟实现
3.1、并查集的定义
底层是一个数组,并且全部初始化为-1;
public class UnionFindSet {public int[] elem;public UnionFindSet(int n) {this.elem = new int[n];Arrays.fill(elem, -1);}
}
3.2、查询两个元素是否是同一个集合
这里实现很简单,只需要比较两个元素的根节点是否相同即可,那么就需要先找到两个根节点,可以通过一个循环进行查找,当查找到的元素小于0时,说明找到根节点了;
/*** 查找数组 x下标是否是根节点* @param x* @return*/public int findRoot(int x) {if(x < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("下表不合法,是负数");}while(elem[x] >= 0) {x = elem[x];}return x;}/*** 查询 x1 和 x2 是不是同一个集合* @param x1* @param x2* @return*/public boolean isSameUnionFindSet(int x1, int x2) {int index1 = findRoot(x1);int index2 = findRoot(x2);return index1 == index2;//跟结点是否相同}
3.3、合并两个集合
这里首先需要找到需要合并的两个元素的根节点,只有根节点不同才能进行合并,怎么合并呢?就是修改两个值,元素一的值因该被修改为这两个元素的和(这是更新孩子的数量),元素二的值因该被修改为元素一的下标(这是跟新另一颗树的根结点)(这里也很简单,建议参照上面我画的图去对比);
/*** 合并操作* @param x1* @param x2*/public void union(int x1, int x2) throws Exception {//先找到 x1, x2 的根节点int index1 = findRoot(x1);int index2 = findRoot(x2);if(index1 == index2) {return;}elem[index1] = elem[index1] + elem[index2];elem[index2] = index1;}
3.4、求集合个数
遍历数组,并用一个计数器记录负数的个数,就是集合的个数;
/*** 集合个数* @return*/public int getCount() {int count = 0;for(int x : elem) {if(x < 0) {count++;}}return count;}
3.5、并查集完整代码
import java.util.Arrays;public class UnionFindSet {public int[] elem;public UnionFindSet(int n) {this.elem = new int[n];Arrays.fill(elem, -1);}/*** 查找数组 x下标是否是根节点* @param x* @return*/public int findRoot(int x) {if(x < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("下表不合法,是负数");}while(elem[x] >= 0) {x = elem[x];}return x;}/*** 查询 x1 和 x2 是不是同一个集合* @param x1* @param x2* @return*/public boolean isSameUnionFindSet(int x1, int x2) {int index1 = findRoot(x1);int index2 = findRoot(x2);return index1 == index2;//跟结点是否相同}/*** 合并操作* @param x1* @param x2*/public void union(int x1, int x2) {//先找到 x1, x2 的根节点int index1 = findRoot(x1);int index2 = findRoot(x2);if(index1 == index2) {return;}elem[index1] = elem[index1] + elem[index2];elem[index2] = index1;}/*** 集合个数* @return*/public int getCount() {int count = 0;for(int x : elem) {if(x < 0) {count++;}}return count;}public void print() {for(int x : elem) {System.out.print(x + " ");}System.out.println();}/*** 测试* @param args*/public static void main(String[] args) {UnionFindSet unionFindSet = new UnionFindSet(10);System.out.println("合并:0 和 6:");unionFindSet.union(0, 6);System.out.println("合并:0 和 7:");unionFindSet.union(0, 7);System.out.println("合并:0 和 8:");unionFindSet.union(0, 8);System.out.println("合并:1 和 4:");unionFindSet.union(1, 4);System.out.println("合并:1 和 9:");unionFindSet.union(1, 9);System.out.println("合并:2 和 3:");unionFindSet.union(2, 3);System.out.println("合并:2 和 5:");unionFindSet.union(2, 5);unionFindSet.print();System.out.println("合并:8 和 1:");unionFindSet.union(8, 1);unionFindSet.print();System.out.println(unionFindSet.isSameUnionFindSet(6, 9));System.out.println(unionFindSet.isSameUnionFindSet(8, 2));}
}
小结
面试考的少,自行斟酌~
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