C++示例详解Prim算法与优先队列
贪心算法的本质是:一个问题的局部最优解,也是该问题的全局最优解。
最小生成树的最优子结构性质:假设一个无向图包含两部分A,B,其中A为最小生成树部分,B为剩余部分,则存在以下性质:该无向图中一个顶点在A部分,另一个顶点在B部分的边中,权值最小的边一定属于整个无向图的最小生成树,即部分最小权值是整个最小生成树的局部最有解,该性质符合贪心算法的特点。
Prim算法
基于最小生成树的该性质,使用prim算法来求解最小生成树。
贪心算法属性:一个局部全优解,也是全局全优解
思想:设T是最小生成树,A<=V,(u,v)是连接着A到A补集(一个在A中,一个不在A中)最小权值的边,则一定是最小生成树边。
prim代码实现
#include <stdio.h> #include <malloc.h> #define VERTEXNUM 6 void createGraph(int (*edge)[VERTEXNUM], int start, int end, int value); void displayGraph(int (*edge)[VERTEXNUM]); void prim(int (*edge)[VERTEXNUM], int (**tree)[VERTEXNUM], int startVertex, int* vertexStatusArr); int main(void){ //动态创建存放边的二维数组 int (*edge)[VERTEXNUM] = (int (*)[VERTEXNUM])malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM*VERTEXNUM); int i,j; for(i=0;i<VERTEXNUM;i++){ for(j=0;j<VERTEXNUM;j++){ edge[i][j] = 0; } } //存放顶点的遍历状态,0:未遍历,1:已遍历 int* vertexStatusArr = (int*)malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM); for(i=0;i<VERTEXNUM;i++){ vertexStatusArr[i] = 0; } printf("after init:\n"); displayGraph(edge); //创建图 createGraph(edge,0,1,6); createGraph(edge,0,3,5); createGraph(edge,0,2,1); createGraph(edge,1,2,5); createGraph(edge,1,4,3); createGraph(edge,2,4,6); createGraph(edge,2,3,5); createGraph(edge,2,5,4); createGraph(edge,3,5,2); createGraph(edge,4,5,6); printf("after create:\n"); displayGraph(edge); //最小生成树 int (*tree)[VERTEXNUM] = NULL; prim(edge, &tree, 0, vertexStatusArr); printf("after generate tree:\n"); displayGraph(tree); free(edge); free(tree); return 0; } //创建图 void createGraph(int (*edge)[VERTEXNUM], int start, int end, int value){ edge[start][end] = value; edge[end][start] = value; } //打印存储的图 void displayGraph(int (*edge)[VERTEXNUM]){ int i,j; for(i=0;i<VERTEXNUM;i++){ for(j=0;j<VERTEXNUM;j++){ printf("%d ",edge[i][j]); } printf("\n"); } } void prim(int (*edge)[VERTEXNUM], int (**tree)[VERTEXNUM], int startVertex, int* vertexStatusArr){ //申请存储树的内存 *tree = (int (*)[VERTEXNUM])malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM*VERTEXNUM); int i,j; for(i=0;i<VERTEXNUM;i++){ for(j=0;j<VERTEXNUM;j++){ (*tree)[i][j] = 0; } } //从顶点0开始,则顶点0就是已访问的 vertexStatusArr[0] = 1; int least, start, end, vNum = 1; //如果还顶点还没有访问完 while(vNum < VERTEXNUM){ least = 9999; for(i=0;i<VERTEXNUM;i++){ //选择已经访问过的点 if(vertexStatusArr[i] == 1){ for(j=0;j<VERTEXNUM;j++){ //选择一个没有访问过的点 if(vertexStatusArr[j] == 0){ //选出一条value最小的边 if(edge[i][j] != 0 && edge[i][j] < least){ least = edge[i][j]; start = i; end = j; } } } } } vNum++; //将点设置为访问过 vertexStatusArr[end] = 1; //将边加到树中 createGraph(*tree,start,end,least); } }
结果
优先队列
普通的队列是一种先进先出的数据结构,元素在队列尾追加,而从队列头删除。
优先队列中,元素被赋予优先级。当访问元素时,具有最高优先级的元素最先删除。优先队列具有最高级先出 (first in, largest out)的行为特征。
优先队列代码实现
基本类型优先序列
#include <iostream> #include <queue> using namespace std; //方法1 struct tmp1 //运算符重载< { int x; tmp1(int a) {x = a;} bool operator<(const tmp1& a) const { return x < a.x; //大顶堆 } }; //方法2 struct tmp2 //重写仿函数 { bool operator() (tmp1 a, tmp1 b) { return a.x < b.x; //大顶堆 } }; int main() { tmp1 a(1); tmp1 b(2); tmp1 c(3); priority_queue<tmp1> d; d.push(b); d.push(c); d.push(a); while (!d.empty()) { cout << d.top().x << '\n'; d.pop(); } cout << endl; priority_queue<tmp1, vector<tmp1>, tmp2> f; f.push(b); f.push(c); f.push(a); while (!f.empty()) { cout << f.top().x << '\n'; f.pop(); } }
自定义类型优先序列
#include <iostream> #include <queue> using namespace std; //方法1 struct tmp1 //运算符重载< { int x; tmp1(int a) {x = a;} bool operator<(const tmp1& a) const { return x < a.x; //大顶堆 } }; //方法2 struct tmp2 //重写仿函数 { bool operator() (tmp1 a, tmp1 b) { return a.x < b.x; //大顶堆 } }; int main() { tmp1 a(1); tmp1 b(2); tmp1 c(3); priority_queue<tmp1> d; d.push(b); d.push(c); d.push(a); while (!d.empty()) { cout << d.top().x << '\n'; d.pop(); } cout << endl; priority_queue<tmp1, vector<tmp1>, tmp2> f; f.push(b); f.push(c); f.push(a); while (!f.empty()) { cout << f.top().x << '\n'; f.pop(); } }
结果
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