【总结】C++ 高级数据结构 —— 并查集用法详解_c++并查集

一、并查集的介绍

并查集（union_find sets）是一种维护集合的数据结构，它的名字中“并”“查”“集”分别取自于Union（合并），Find（查找），Set（集合）这三个单词。并查集支持两个操作：

1. 合并：合并两个集合
2. 查找：判断两个元素是否在一个集合中。

并查集通过一个数组来实现的：int father[n]。其中 father[i] 表示元素 i 的父亲结点，而父亲结点本身也是这个集合内元素。对于同一个集合来说只存在一个根结点，且将其作为所属集合的标识。

并查集不支持分割一个集合，一般用来求连通子图、求最小生成树。

不懂？？？那来看看这个简单有趣的故事吧！
故事读完，并查集你就懂了！！！

故事开始：

江湖上散落着各式各样的大侠，有上千个之多。他们没有什么正当职业，整天背着剑在外面走来走去，碰到和自己不是一路人的，就免不了要打一架。但大侠们有一个优点就是讲义气，绝对不打自己的朋友。而且他们信奉“朋友的朋友就是我的朋友”，只要是能通过朋友关系串联起来的，不管拐了多少个弯，都认为是自己人。这样一来，江湖上就形成了一个一个的帮派，通过两两之间的朋友关系串联起来。而不在同一个帮派的人，无论如何都无法通过朋友关系连起来，于是就可以放心往死了打。但是两个原本互不相识的人，如何判断是否属于一个朋友圈呢？

我们可以在每个朋友圈内推举出一个比较有名望的人，作为该圈子的代表人物。这样，每个圈子就可以这样命名“中国同胞队”美国同胞队”……两人只要互相对一下自己的队长是不是同一个人，就可以确定敌友关系了。

但是还有问题啊，大侠们只知道自己直接的朋友是谁，很多人压根就不认识队长抓狂要判断自己的队长是谁，只能漫无目的的通过朋友的朋友关系问下去：“你是不是队长？你是不是队长？”这样，想打一架得先问个几十年，饿都饿死了，受不了。这样一来，队长面子上也挂不住了，不仅效率太低，还有可能陷入无限循环中。于是队长下令，重新组队。队内所有人实行分等级制度，形成树状结构，我队长就是根节点，下面分别是二级队员、三级队员。每个人只要记住自己的上级是谁就行了。遇到判断敌友的时候，只要一层层向上问，直到最高层，就可以在短时间内确定队长是谁了。由于我们关心的只是两个人之间是否是一个帮派的，至于他们是如何通过朋友关系相关联的，以及每个圈子内部的结构是怎样的，甚至队长是谁，都不重要了。所以我们可以放任队长随意重新组队，只要不搞错敌友关系就好了。于是，门派产生了。

下面我们来看并查集的实现。 int pre[1000]; 这个数组，记录了每个大侠的上级是谁。大侠们从1或者0开始编号（依据题意而定），pre[15]=3就表示15号大侠的上级是3号大侠。如果一个人的上级就是他自己，那说明他就是掌门人了，查找到此为止。也有孤家寡人自成一派的，比如欧阳锋，那么他的上级就是他自己。每个人都只认自己的上级。比如胡青牛同学只知道自己的上级是杨左使。张无忌是谁？不认识！要想知道自己的掌门是谁，只能一级级查上去。

find这个函数就是找掌门用的，意义再清楚不过了（路径压缩算法先不论，后面再说）。

int unionsearch(int root){		 //查找根结点
	int son, tmp;
	son = root;
	while(root != pre[root]) //我的上级不是掌门
		root = pre[root];
	while(son != root) //我就找他的上级，直到掌门出现
	{
		tmp = pre[son];
		pre[son] = root;
		son = tmp;
	}
	return root; //掌门驾到~~
}
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再来看看join函数，就是在两个点之间连一条线，这样一来，原先它们所在的两个板块的所有点就都可以互通了。这在图上很好办，画条线就行了。但我们现在是用并查集来描述武林中的状况的，一共只有一个pre[]数组，该如何实现呢？ 还是举江湖的例子，假设现在武林中的形势如图所示。虚竹帅锅与周芷若MM是我非常喜欢的两个人物，他们的终极boss分别是玄慈方丈和灭绝师太，那明显就是两个阵营了。我不希望他们互相打架，就对他俩说：“你们两位拉拉勾，做好朋友吧。”他们看在我的面子上，同意了。这一同意可非同小可，整个少林和峨眉派的人就不能打架了。这么重大的变化，可如何实现呀，要改动多少地方？其实非常简单，我对玄慈方丈说：“大师，麻烦你把你的上级改为灭绝师太吧。这样一来，两派原先的所有人员的终极boss都是师太，那还打个球啊！大笑反正我们关心的只是连通性，门派内部的结构不要紧的。”玄慈一听肯定火大了：“我靠，凭什么是我变成她手下呀，怎么不反过来？我抗议！”于是，两人相约一战，杀的是天昏地暗，风云为之变色啊，但是啊，这场战争终究会有胜负，胜者为王。弱者就被吞并了。反正谁加入谁效果是一样的，门派就由两个变成一个了。这段函数的意思明白了吧？

void join(int root1, int root2){ 	//虚竹和周芷若做朋友
	int x, y;
	x = unionsearch(root1);//我老大是玄慈
	y = unionsearch(root2);//我老大是灭绝
	if(x != y) 
		pre[x] = y; //打一仗，谁赢就当对方老大
}
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再来看看路径压缩算法。建立门派的过程是用join函数两个人两个人地连接起来的，谁当谁的手下完全随机。最后的树状结构会变成什么样，我也无法预知，一字长蛇阵也有可能。这样查找的效率就会比较低下。最理想的情况就是所有人的直接上级都是掌门，一共就两级结构，只要找一次就找到掌门了。哪怕不能完全做到，也最好尽量接近。这样就产生了路径压缩算法。

设想这样一个场景：两个互不相识的大侠碰面了，想知道能不能干一场。 于是赶紧打电话问自己的上级：“你是不是掌门？” 上级说：“我不是呀，我的上级是谁谁谁，你问问他看看。” 一路问下去，原来两人的最终boss都是东厂曹公公。 “哎呀呀，原来是自己人，有礼有礼，在下三营六组白面葫芦娃!” “幸会幸会，在下九营十八组仙子狗尾巴花！” 两人高高兴兴地手拉手喝酒去了。 “等等等等，两位大侠请留步，还有事情没完成呢！”我叫住他俩。 “哦，对了，还要做路径压缩。”两人醒悟。 白面葫芦娃打电话给他的上级六组长：“组长啊，我查过了，其实偶们的掌门是曹公公。不如偶们一起结拜在曹公公手下吧，省得级别太低，以后查找掌门麻烦。” “唔，有道理。” 白面葫芦娃接着打电话给刚才拜访过的三营长……仙子狗尾巴花也做了同样的事情。 这样，查询中所有涉及到的人物都聚集在曹公公的直接领导下。每次查询都做了优化处理，所以整个门派树的层数都会维持在比较低的水平上。路径压缩的代码，看得懂很好，看不懂可以自己模拟一下，很简单的一个递归而已。总之它所实现的功能就是这么个意思。

于是，问题解决了~

故事转载自大佬博客：超有爱的并查集~

还不懂？
那一起来看一个实例吧！！

例题：【HDU1232】 畅通工程

AC代码如下：

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<algorithm>
using namespace std;
int pre[1010]; //里面全是掌门

int unionsearch(int root){
	int son, tmp;
	son = root;
	while(root != pre[root]) //寻找掌门ing……
		root = pre[root];
	while(son != root){		 //路径压缩
		tmp = pre[son];
		pre[son] = root;
		son = tmp;
	}
	return root; 		//掌门驾到~
}
 
int main(){
	int num, road, total, i, start, end, root1, root2;
	while(scanf("%d%d", &num, &road) && num){
		total = num - 1; //共num-1个门派
		for(i = 1; i <= num; ++i) //每条路都是掌门
			pre[i] = i;
		while(road--){
			scanf("%d%d", &start, &end); //他俩要结拜
			root1 = unionsearch(start);
			root2 = unionsearch(end);
			if(root1 != root2){	 //掌门不同？踢馆！~
				pre[root1] = root2;
				total--; //门派少一个，敌人（要建的路）就少一个
			}
		}
		printf("%d\n", total);//天下局势：还剩几个门派
	}
	return 0;
}
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仍然不懂？？？
不懂再多看几遍！！！

二、并查集的基本操作

并查集是由一个数组 pre[]，和两个函数构成的，一个函数为 find() 函数，用于寻找前导点的，第二个函数是join()用于合并路线的。

初始化： 我们将每一个结点的前导结点设置为自己，如果在join函数时未能形成连通，将独立成点。

for(int i=0;i<n;i++)	//n表示输入的结点的个数
    pre[i]=i;			//将每一个结点的前导点设置为自己
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查找： 寻找前导点。路径压缩是为了加快查找的速度，将x点与其根节点直接相连，构造成类似于只有叶子结点而没有分支结点的树。

int find(int x){
    int r=x;
    while(pre[r]!=r)
    r=pre[r];		//找到他的前导结点
    int i=x,j;
    while(i!=r){	//路径压缩算法
        j=pre[i];	//记录x的前导结点
        pre[i]=r;	//将i的前导结点设置为r根节点
        i=j;
    }
    return r;
}
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合并： 在合并的过程中，只对两个不同的集合进行合并，如果两个元素在相同集合中，则不会对其操作。并查集产生的每一个集合都是一棵树。

void join(int x,int y){
    int a=find(x);//x的根节点为a
    int b=find(y);//y的根节点为b
    if(a!=b)//如果a,b不是相同的根节点，则说明ab不是连通的
        pre[a]=b;//我们将ab相连 将a的前导结点设置为b
}
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来道模板题练练手： 【洛谷】P3367 【模板】并查集 题解

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