在网站建设中,分类算法的应用非常的普遍。在设计一个电子商店时,要涉及到商品分类;在设计发布系统时,要涉及到栏目或者频道分类;在设计软件下载这样的程序时,要涉及到软件的分类;如此等等。可以说,分类是一个很普遍的问题。
我常常面试一些程序员,而且我几乎毫无例外地要问他们一些关于分类算法的问题。下面的举几个我常常询问的问题。你认为你可以很轻松地回答么^_^.
1、分类算法常常表现为树的表示和遍历问题。那么,请问:如果用数据库中的一个Table来表达树型分类,应该有几个字段?
2、如何快速地从这个Table恢复出一棵树;
3、如何判断某个分类是否是另一个分类的子类;
4、如何查找某个分类的所有产品;
5、如何生成分类所在的路径。
6、如何新增分类;
在不限制分类的级数和每级分类的个数时,这些问题并不是可以轻松回答的。本文试图解决这些问题。
分类的数据结构
我们知道:分类的数据结构实际上是一棵树。在《数据结构》课程中,大家可能学过Tree的算法。由于在网站建设中我们大量使用数据库,所以我们将从Tree在数据库中的存储谈起。
为简化问题,我们假设每个节点只需要保留Name这一个信息。我们需要为每个节点编号。编号的方法有很多种。在数据库中常用的就是自动编号。这在 Access、SQL Server、Oracle中都是这样。假设编号字段为ID。为了表示某个节点ID1是另外一个节点ID2的父节点,我们需要在数据库中再保留一个字段,说明这个分类是属于哪个节点的儿子。把这个字段取名为 FatherID。如这里的ID2,其FatherID就是ID1。 这样,我们就得到了分类Catalog的数据表定义:
Create Table [Catalog](
[ID] [int] NOT NULL,
[Name] [nvarchar](50) NOT NULL,
[FatherID] [int] NOT NULL
);
约定:我们约定用-1作为最上面一层分类的父亲编码。编号为-1的分类。这是一个虚拟的分类。它在数据库中没有记录。
如何恢复出一棵树
上面的Catalog定义的最大优势,就在于用它可以轻松地恢复出一棵树—分类树。为了更清楚地展示算法,我们先考虑一个简单的问题:怎样显示某个分类的下一级分类。我们知道,要查询某个分类FID的下一级分类,SQL语句非常简单:
select Name from catalog where FatherID=FID
显示这些类别时,我们简单地用<LI>来做到:
<
%
REM
oConn---数据库连接,调用GetChildren时已经打开
REM
FID-----当前分类的编号
Function
GetChildren(oConn,FID)
strSQL
=
"
select ID,Name from catalog where FatherID=
"
&
FID
set
rsCatalog
=
oConn.Execute(strSQL)
%
>
<
UL
>
<
%
Do
while
not
rsCatalog.Eof
%
>
<
LI
><
%
=
rsCatalog(
"
Name
"
)%
>
<
%
Loop
%
>
</
UL
>
<
%
rsCatalog.Close
End Function
%
>
现在我们来看看如何显示FID下的所有分类。这需要用到递归算法。我们只需要在GetChildren函数中简单地对所有ID进行调用:GetChildren(oConn,Catalog(“ID”))就可以了。
<
%
REM
oConn---数据库连接,已经打开
REM
FID-----当前分类的编号
Function
GetChildren(oConn,FID)
strSQL
=
"
select Name from catalog where FatherID=
"
&
FID
set
rsCatalog
=
oConn.Execute(strSQL)
%
>
<
UL
>
<
%
Do
while
not
rsCatalog.Eof
%
>
<
LI
><
%
=
rsCatalog(
"
Name
"
)%
>
<
%
=
GetChildren(oConn,Catalog(
"
ID
"
))%
>
<
%
Loop
%
>
</
UL
>
<
%
rsCatalog.Close
End Function
%
>
修改后的GetChildren就可以完成显示FID分类的所有子分类的任务。要显示所有的分类,只需要如此调用就可以了:
<
%
REM
strConn--连接数据库的字符串,请根据情况修改
set
oConn
=
Server.CreateObject(
"
ADODB.Connection
"
)
oConn.Open strConn
GetChildren(oConn,
-
1
)
oConn.Close
%
>

如何查找某个分类的所有产品;
现在来解决我们在前面提出的第四个问题。第三个问题留作习题。我们假设产品的数据表如下定义:
Create Table Product(
[ID] [int] NOT NULL,
[Name] [nvchar] NOT NULL,
[FatherID] [int] NOT NULL
);
其中,ID是产品的编号,Name是产品的名称,而FatherID是产品所属的分类。
对第四个问题,很容易想到的办法是:先找到这个分类FID的所有子类,然后查询所有子类下的所有产品。实现这个算法实际上很复杂。代码大致如下:
<
%
Function
GetAllID(oConn,FID)
Dim
strTemp

If
FID
=-
1
then
strTemp
=
""
else
strTemp
=
"
,
"
end
if

strSQL
=
"
select Name from catalog where FatherID=
"
&
FID
set
rsCatalog
=
oConn.Execute(strSQL)
Do
while
not
rsCatalog.Eof
strTemp
=
strTemp
&
rsCatalog(
"
ID
"
)
&
GetAllID(oConn,Catalog(
"
ID
"
))
REM
递归调用
Loop
rsCatalog.Close

GetAllID
=
strTemp

End Function

REM
strConn--连接数据库的字符串,请根据情况修改
set
oConn
=
Server.CreateObject(
"
ADODB.Connection
"
)
oConn.Open strConn

FID
=
Request.QueryString(
"
FID
"
)

strSQL
=
"
select top 100 * from Product where FatherID in (
"
&
GetAllID(oConn,FID)
&
"
)
"
set
rsProduct
=
oConn.Execute(strSQL)
%
>

<
UL
><
%
Do
while
not
rsProduct.EOF
%
>
<
LI
><
%
=
rsProduct(
"
Name
"
)%
>
<
%
Loop
%
>
</
UL
>

<
%rsProduct.Close
oConn.Close
%
>
这个算法有很多缺点。试列举几个如下:
1、由于我们需要查询FID下的所有分类,当分类非常多时,算法将非常地不经济,而且,由于要构造一个很大的strSQL,试想如果有1000个分类,这个strSQL将很大,能否执行就是一个问题。
2、我们知道,在SQL中使用In子句的效率是非常低的。这个算法不可避免地要使用In子句,效率很低。
我发现80%以上的程序员钟爱这样的算法,并在很多系统中大量地使用。细心的程序员会发现他们写出了很慢的程序,但苦于找不到原因。他们反复地检查SQL的执行效率,提高机器的档次,但效率的增加很少。
最根本的问题就出在这个算法本身。算法定了,能够再优化的机会就不多了。我们下面来介绍一种算法,效率将是上面算法的10倍以上。
分类编码算法
问题就出在前面我们采用了顺序编码,这是一种最简单的编码方法。大家知道,简单并不意味着效率。实际上,编码科学是程序员必修的课程。下面,我们通过设计一种编码算法,使分类的编号ID中同时包含了其父类的信息。一个五级分类的例子如下:
此例中,用32(4+7+7+7+7)位整数来编码,其中,第一级分类有4位,可以表达16种分类。第二级到第五级分类分别有7位,可以表达128个子分类。
显然,如果我们得到一个编码为 1092787200 的分类,我们就知道:由于其编码为
0100 0001001 0001010 0111000 0000000
所以它是第四级分类。其父类的二进制编码是0100 0001001 0001010 0000000 0000000,十进制编号为1092780032。依次我们还可以知道,其父类的父类编码是0100 0001001 0000000 0000000 0000000,其父类的父类的父类编码是0100 0000000 0000000 0000000 0000000。(我是不是太罗嗦了J,但这一点很重要。再回头看看我们前面提到的第五个问题。哈哈,这不就已经得到了分类1092787200所在的分类路径了吗?)。
现在我们在一般的情况下来讨论类别编码问题。设类别的层次为k,第i层的编码位数为Ni, 那么总的编码位数为N(N1+N2+..+Nk)。我们就得到任何一个类别的编码形式如下:
2^(N-(N1+N2+…+Ni))*j + 父类编码
其中,i表示第i层,j表示当前层的第j个分类。 这样我们就把任何分类的编码分成了两个部分,其中一部分是它的层编码,一部分是它的父类编码。 由下面公式定一的k个编码我们称为特征码:(因为i可以取k个值,所以有k个)
2^N-2^(N-(N1+N2+…+Ni))
对于任何给定的类别ID,如果我们把ID和k个特征码“相与”,得到的非0编码,就是其所有父类的编码!
位编码算法
对任何顺序编码的Catalog表,我们可以设计一个位编码算法,将所有的类别编码规格化为位编码。在具体实现时,我们先创建一个临时表:
Create TempCatalog(
[OldID] [int] NOT NULL,
[NewID] [int] NOT NULL,
[OldFatherID] [int] NOT NULL,
[NewFatherID] [int] NOT NULL
);
在这个表中,我们保留所有原来的类别编号OldID和其父类编号OldFatherID,以及重新计算的满足位编码要求的相应编号NewID、NewFatherID。
程序如下:
<
%
REM
oConn---数据库连接,已经打开
REM
OldFather---原来的父类编号
REM
NewFather---新的父类编号
REM
N---编码总位数
REM
Ni--每一级的编码位数数组
REM
Level--当前的级数
sub
FormatAllID(oConn,OldFather,NewFather,N,Nm,Ni byref,Level)

strSQL
=
"
select CatalogID , FatherID from Catalog where FatherID=
"
&
OldFather
set
rsCatalog
=
oConn.Execute( strSQL )

j
=
1
do
while
not
rsCatalog.EOF
i
=
2
^
(N
-
Nm)
*
j
if
Level
then
i
=
i
+
NewFather
OldCatalog
=
rsCatalog(
"
CatalogID
"
)
NewCatalog
=
i

REM
写入临时表
strSQL
=
"
Insert into TempCatalog (OldCatalogID , NewCatalogID , OldFatherID , NewFatherID)
"
strSQL
=
strSQL
&
"
values(
"
&
OldCatalog
&
"
,
"
&
NewCatalog
&
"
,
"
&
OldFather
&
"
,
"
&
NewFather
&
"
)
"

Conn.Execute strSQL

REM
递归调用FormatAllID
Nm
=
Nm
+
Ni(Level
+
1
)
FormatAllID oConn,OldCatalog , NewCatalog ,N,Nm,Ni,Level
+
1
rsCatalog.MoveNext
j
=
j
+
1
loop
rsCatalog.Close
end sub
%
>

调用这个算法的一个例子如下:

<
%
REM
定义编码参数,其中N为总位数,Ni为每一级的位数。
Dim
N,Ni(
5
)

Ni(
1
)
=
4
N
=
Ni(
1
)
for
i
=
2
to
5
Ni(i)
=
7
N
=
N
+
Ni(i)
next

REM
打开数据库,创建临时表
strSQL
=
"
Create TempCatalog([OldID] [int] NOT NULL, [NewID] [int] NOT NULL, [OldFatherID] [int] NOT NULL, [NewFatherID] [int] NOT NULL);
"

Set
Conn
=
Server.CreateObject(
"
ADODB.Connection
"
)
Conn.Open Application(
"
strConn
"
)
Conn.Execute strSQL

REM
调用规格化例程
FormatAllID Conn,
-
1
,
-
1
,N,Ni(
1
),Ni,
0

REM
------------------------------------------------------------------------
REM
在此处更新所有相关表的类别编码为新的编码即可。
REM
------------------------------------------------------------------------
REM
关闭数据库
strSQL
=
"
drop table TempCatalog;
"
Conn.Execute strSQL
Conn.Close

%
>

第四个问题
现在我们回头看看第四个问题:怎样得到某个分类下的所有产品。由于采用了位编码,现在问题变得很简单。我们很容易推算:某个产品属于某个类别的条件是 Product.FatherID&(Catalog.ID的特征码)=Catalog.ID。其中“&”代表位与算法。这在SQL Server中是直接支持的。
举例来说:产品所属的类别为:1092787200,而当前类别为1092780032。当前类别对应的特征值为:4294950912,由于1092787200&4294950912=8537400,所以这个产品属于分类8537400。
我们前面已经给出了计算特征码的公式。特征码并不多,而且很容易计算,可以考虑在Global.asa中Application_OnStart时间触发时计算出来,存放在Application(“Mark”)数组中。
当然,有了特征码,我们还可以得到更加有效率的算法。我们知道,虽然我们采用了位编码,实际上还是一种顺序编码的方法。表现出第I级的分类编码肯定比第I+ 1级分类的编码要小。根据这个特点,我们还可以由FID得到两个特征码,其中一个是本级位特征码FID0,一个是上级位特征码FID1。而产品属于某个分类FID的充分必要条件是:
Product.FatherID>FID0 and Product.FatherID<FID1
下面的程序显示分类FID下的所有产品。由于数据表Product已经对FatherID进行索引,故查询速度极快:
<
%
REM
oConn---数据库连接,已经打开
REM
FID---当前分类
REM
FIDMark---特征值数组,典型的情况下为Application(“Mark”)
REM
k---数组元素个数,也是分类的级数
Sub
GetAllProduct(oConn,FID,FIDMark byref,k)
REM
根据FID计算出特征值FID0,FID1
for
i
=
k
to
1
if
(FID
and
FIDMark
=
FID )
then
exit
next

strSQL
=
"
select Name from Product where FatherID>
"
FIDMark(i)
&
"
and FatherID<
"
FIDMark(i
-
1
)

set
rsProduct
=
oConn.Execute(strSQL)%
>

<
UL
><
%

Do
While
Not
rsProduct.Eof%
>
<
LI
><
%
=
rsProduct(
"
Name
"
)
Loop
%
>
</
UL
><
%
rsProduct.Close
End Sub
%
>