最小生成树Kruskal、Prim算法C++

什么是最小生成树

连通图：

在无向图中，若从顶点v1到顶点v2有路径，则称顶点v1和顶点v2是连通的。如果图中任意一对顶点都是连通的，则称此图为连通图。

生成树：

一个连通图的最小连通子图称作为图的生成树。有n个顶点的连通图的生成树有n个顶点和n-1条边。

最小生成树：

最小生活树是生成树的一个特殊情况，它的边权之和最小。其特点如下：

1. 只能使用图中权值最小的边来构造最小生成树
2. 只能使用恰好n-1条边来连接图中的n个顶点
3. 选用的n-1条边不能构成回路(构成回路会导致有顶点为连通或权值过大)

最小生成树的实际应用

例如城市道路铺设中，如果我们直接使用连通结构，这样两点间的交通必然是最便捷的。可是修路的成本的巨大的，但是又要连通所有城市，这便会想到使用最小生成树。

考虑到经济发达城市人口多、车辆多，我们还需要为其多修建一些道路，则实际中的道路修建与最小生成树的结果不同，但是最小生成树在这些实际场景发挥了很大作用。

Kruskal算法

任给一个有n个顶点的连通网络N = {V,E}。

首先构造一个由这n个顶点组成、不含任何边的图G={V,null}，其中每个顶点自成一个连通分量，其次不断从E中取出权值最小的一条边(若有多条任取其中之一)，若该边的两个顶点来自不同的连通分量，则将此边加入到G中。如此重复，知道所有顶点在同一个连通分量上为止。

算法思路

核心：每次迭代时，选出一条具有最小权值，且两端点不在同一连通分量上的边，加入生成树。

将权值小的边放入到优先级队列中。依次类推

接下来有一个问题，因为生成树不能构成回路，所以在添加边的时候要处理成环问题。

这个问题的解决就要使用并查集；如果该边已经出现过了，则不选择该边，如果该边不在集合中，则可以选择该边

以下是选边的全部过程：

代码实现

首先我们要创建一个边的数据结构Edge，用于将边存放到优先级队列中。

struct Edge
{
	size_t _srci;
	size_t _dsti;
	W _w;
	Edge(size_t srci, size_t dsti, W w)
		:_srci(srci), _dsti(dsti), _w(w)
	{
	}
	//还要提供一个比较函数，因为优先级队列中使用到了greater，greater会调用>函数
	bool operator > (const Edge& ed) const
	{
		return _w > ed._w;
	}
};

实现思路：

1. 将所有的边统计到优先级队列中，(注意临界矩阵只遍历一半)

2. 从优先级队列中选出n-1条边，n为顶点数量

3. 依次取出队列中的元素，判断该元素是否出现过(使用并查集)

4. 如果没有出现过，则添加该边到最小生成树中，并将该边添加到并查集中，再统计权值。

5. 当队列元素取空时，最小生成树中边的数量小于n-1，则表示该图没有连通，则没有最小生成树，直接返回权值的默认值即可。

6. 如果size等于n-1，则表示最小生成树创建成功，返回权值总和即可

//最小生成树
//如果有最小生成树，则返回该树的权值，如果没有最小生成树，则返回默认值
W Kruskal(Self& minTree)
{
	//初始化minTree
	size_t n = _vertexs.size();
	minTree._vertexs = _vertexs;
	minTree._indexMap = _indexMap;
	minTree._matrix = vector<vector<W>>(n, vector<W>(n, MAX_W));
	//1. 将边统计起来，使用优先级队列或排序的方式都可以   
	priority_queue<Edge, vector<Edge>, greater<Edge>> minque;

	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		//矩阵中走一半即可  要不然会重复入队列
		for (size_t j = 0; j < i; j++)
		{
			if (_matrix[i][j] != MAX_W)
			{
				minque.push(Edge(i, j, _matrix[i][j]));
			}
		}
	}
	//2.选出n-1条边
	size_t size = 0;
	UnionFindSet ufs(n);   //n个顶点
	W total_W{};            //总的权值
	while (!minque.empty() && size < n)
	{
		Edge min = minque.top();
		minque.pop();

		//3.选出一条边之后看该边在不在当前集合，
		//在就不选择该边，不在就选择该边，并标记
		if (!ufs.IsInset(min._srci, min._dsti))
		{
			cout << _vertexs[min._srci] << "-" << _vertexs[min._dsti] <<
				":" << _matrix[min._srci][min._dsti] << endl;
			minTree._AddEdge(min._srci, min._dsti, min._w);
			ufs.Union(min._srci, min._dsti);
			size++;
			total_W += min._w;
		}
	}
	//如果该图不是连通图，则没有最小生成树
	if (size < n - 1)
	{
		return W();
	}
	return total_W;
}

接下来是一些要注意的点：

1. 要将最小生成树进行初始化，否则添加边时会出现越界问题。

2. 最小生成树其实就是该图的子图，typedef Graph<V, W, MAX_W, Direction> Self; 

3. 注意将顶点放入到并查集中，防止边的重复。

测试用例

void TestGraphMinTree()
{
	const char* str = "abcdefghi";
	matrix::Graph<char, int> g(str, strlen(str));
	g.AddEdge('a', 'b', 4);
	g.AddEdge('a', 'h', 8);
	//g.AddEdge('a', 'h', 9);
	g.AddEdge('b', 'c', 8);
	g.AddEdge('b', 'h', 11);
	g.AddEdge('c', 'i', 2);
	g.AddEdge('c', 'f', 4);
	g.AddEdge('c', 'd', 7);
	g.AddEdge('d', 'f', 14);
	g.AddEdge('d', 'e', 9);
	g.AddEdge('e', 'f', 10);
	g.AddEdge('f', 'g', 2);
	g.AddEdge('g', 'h', 1);
	g.AddEdge('g', 'i', 6);
	g.AddEdge('h', 'i', 7);
	matrix::Graph<char, int> kminTree;
	cout << "Kruskal:" << g.Kruskal(kminTree) << endl;
	kminTree.Print();
}

Prim算法

算法思路

Prim算法所具有的一个性质是集合A中的边总是构成一棵树。这棵树从一个任意的根节点r开始，一直扩大到图中的所有顶点为止。在每一步连接集合A和A之外的顶点的所有边中，选择一条权值最小的边加入到A中。当算法结束时，A中的边形成一棵最小生成树。

因为添加边只会在当前集合中没有的顶点中进行，所以Prim算法天然避免环的生成，不需要使用并查集来避免环的产生。

代码实现

实现思路：

1. 使用两个数组表示X、Y集合，用于表示当前顶点是否被访问。

2. 从X集合中的顶点选出所有的边，可以使用优先级队列来存放边。

3. 依次从优先级队列中选出权值最小的边

4. 判断该边是否成环---即dest顶点必须在Y集合中

5. 在Y集合中则将该边添加到最小生成树中，然后进行顶点的标记

6. 再将dest顶点连通的边再放入队列中，同时也要判断dest连接的顶点归属Y集合。

7. 如果选出n-1条边，返回生成树的总权值，否则返回默认值

W  Prim(Self& minTree, const W& src)   //src表示从哪个起点开始
{
	size_t srci = GetVertexIndex(src);
	size_t n = _vertexs.size();
	//初始化minTree
	minTree._vertexs = _vertexs;
	minTree._indexMap = _indexMap;
	minTree._matrix = vector<vector<W>>(n, vector<W>(n, MAX_W));

	//两个数组表示X、Y集合，用于表示当前顶点是否被访问
	vector<bool> X(n, false);
	vector<bool> Y(n, true);
	//初始化X，Y集合
	X[srci] = true;
	Y[srci] = false;
	//从X-Y集合连接中的边选出权值最小的边
	priority_queue<Edge, vector<Edge>, greater<Edge>> minque;
	//先把srci连接的边添加到队列中
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		if (_matrix[srci][i] != MAX_W)
		{
			minque.push(Edge(srci, i, _matrix[srci][i]));
		}
	}
	size_t size = 0;
	W total_W = W();
	while (!minque.empty())
	{
		Edge min = minque.top();
		minque.pop();
		if (Y[min._dsti])  //该顶点必须还在Y集合中   注意！！
		{
			cout << _vertexs[min._srci] << "-" << _vertexs[min._dsti] <<
				":" << _matrix[min._srci][min._dsti] << endl;
			minTree._AddEdge(min._srci, min._dsti, min._w);
			total_W += min._w;
			size++;

			if (size == n - 1)
				break;

			X[min._dsti] = true;
			Y[min._dsti] = false;
			//将dsti的边进行遍历
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				if (_matrix[min._dsti][i] != MAX_W && Y[i])    //有连通，并且是Y集合中的顶点
				{
					minque.push(Edge(min._dsti, i, _matrix[min._dsti][i]));
				}
			}
		}
	}
	//如果该图不是连通图，则没有最小生成树
	if (size < n - 1)
	{
		return W();
	}
	return total_W;
}

测试用例

void TestGraphMinTree()
{
	const char str[] = "abcdefghi";
	matrix::Graph<char, int> g(str, strlen(str));
	g.AddEdge('a', 'b', 4);
	g.AddEdge('a', 'h', 8);
	g.AddEdge('b', 'c', 8);
	g.AddEdge('b', 'h', 11);
	g.AddEdge('c', 'i', 2);
	g.AddEdge('c', 'f', 4);
	g.AddEdge('c', 'd', 7);
	g.AddEdge('d', 'f', 14);
	g.AddEdge('d', 'e', 9);
	g.AddEdge('e', 'f', 10);
	g.AddEdge('f', 'g', 2);
	g.AddEdge('g', 'h', 1);
	g.AddEdge('g', 'i', 6);
	g.AddEdge('h', 'i', 7);
	/*matrix::Graph<char, int> kminTree;
	cout << "Kruskal:" << g.Kruskal(kminTree) << endl;
	kminTree.Print();*/
	cout << "prim算法的实现" << endl;
	matrix::Graph<char, int> pminTree;
	cout << "Prim:" << g.Prim(pminTree, 'a') << endl;
	pminTree.Print();
}

最后细心的你可以会发现，两种算法的结果权值都是37，但是其生成的最小生成树是不同的，这就好比一个正三角形，三个顶点所在的位置，无论连接哪条线，其都是最小生成树，所以不唯一。