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并查集(Union-Find) (图文详解)

并查集

并查集基础知识

定义

并查集是一种树型的数据结构,用于处理一些不相交集合的合并及查询问题(即所谓的并、查)。比如说,我们可以用并查集来判断一个森林中有几棵树、某个节点是否属于某棵树等。

主要构成:
并查集主要由一个整型数组pre[ ]和两个函数find( )、join( )构成。
数组 pre[ ] 记录了每个点的前驱节点是谁,函数 find(x) 用于查找指定节点 x 属于哪个集合,函数 join(x,y) 用于合并两个节点 x 和 y 。

作用:
并查集的主要作用是求连通分支数(如果一个图中所有点都存在可达关系(直接或间接相连),则此图的连通分支数为1;如果此图有两大子图各自全部可达,则此图的连通分支数为2……)

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C++实现

class UnionFind{
public:
    UnionFind(int n){
        size = n;
        father = new int[n];
        for(int i = 0; i < n; i++){
            father[i] = i;
        }
    }
    //查看x的根节点 -> x所属集合
    int find(int x){
        int root = x;
        while(root != father[root]){
            root = father[root];
        }
        return root;
    }
    //将x和y染色为同一个颜色 -> 合并x和y的所属集合
    void merge(int x, int y){
        int rootX = find(x);
        int rootY = find(y);
        if(rootX == rootY) return;
        father[rootX] = rootY;
        //father[rooY] = rootX;
    }
    //路径压缩优化的查找
    int find(int x){
        int root = x;
        while(root != father[root]){
            root = father[root];
        }
        while(x != root){
            int fx = father[x];
            father[x] = root;
            x = fx;
        }
        return root;
    }
    //针对节点数量优化
    void merge(int x, int y){
        int rootX = find(x);
        int rootY = find(y);
        if(rootX == rootY) return;
        if(treeSize[rootX] < treeSize[rootY]){
            father[rootX] = rootY;
            treeSize[rootY] += treeSize[rootX];
        }else{
            father[rootY] = rootX;
            treeSize[rootX] += treeSize[rootY];
        }
    }
public:
    int *father, *treeSize, size;
};

int P(UnionFind uf){
    for(int i = 0; i < uf.size; i++{
        cout << uf.color[i] << " ";
    } cout << endl;
}
int main(){
    int n = 10;
    UnionFind uf(n);
    uf.merge(0,1);P(uf);
    uf.merge(1,2);P(uf);
    uf.merge(5,9);P(uf);
    uf.merge(7,8);P(uf);
    uf.merge(8,6);P(uf);
    uf.merge(1,3);P(uf);
    uf.merge(6,1);P(uf);
    
    return 0;
}
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问题思考:

  1. 极端情况下会退化成一条链
  2. 将结点数量多的接到结点少的树上,导致了退化
  3. 将较高的树接到较低的树上,导致了退化

面试一般要求优化到这一步
在这里插入图片描述LeetCode547 省份数量
在这里插入图片描述在这里插入图片描述
在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述

优化

在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述

精选算法题(Java实现)

实现并查集

/**
 * 实现并查集
 * @author: William
 * @time:2022-04-08
 */
public class UnionFind {
	//记录每个节点的根节点
	int[] parent;
	//记录每个子集的节点数
	int[] rank;
	//记录并查集中的连通分量数量
	int count;
	
	public UnionFind1(int n) {
		count = n;
		parent = new int[n];
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			parent[i] = i;
		}
		rank = new int[n];
		Arrays.fill(rank, 1);
	}
	public int find(int i) {
		if(parent[i] != i) parent[i] = find(parent[i]);
		return parent[i];
	}
	
	public void union(int x, int y) {
		int rootX = find(x), rootY = find(y);
		if(rootX != rootY) {
			if(rank[rootX] > rank[rootY]) {
				parent[rootY] = rootX;
			}else if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
				parent[rootX] = rootY;
			}else {
				parent[rootY] = rootX;//相等的情况
				rank[rootX] += 1;
			}
			count--;//维护数量
		}
	}
	public int getCount() {
		return count;
	}

	public boolean connected(int x, int y) {
		return find(x) == find(y);
	}
}
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交换字符串中的元素

/**
 * 交换字符串中的元素
 * @author: William
 * @time:2022-04-12
 */
public class Num1202 {
	public String smallestStringWithSwaps(String s, List<List<Integer>> pairs) {
		if(pairs.size() == 0) {
			return s;
		}
		//1. 将任意交换的结点对输入并查集
		int n = s.length();
		UnionFind uf = new UnionFind(n);
		for(List<Integer> pair : pairs) {
			uf.union(pair.get(0), pair.get(1));
		}
		//2. 构建映射关系
		//char[] charArray = s.toCharArray();
		// key:连通分量的代表元,value:同一个连通分量的字符集合(保存在一个优先队列中)
		Map<Integer, PriorityQueue<Character>> map = new HashMap<>(n);
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			int root = uf.find(i);
//			if (map.containsKey(root)) {
//              hashMap.get(root).offer(charArray[i]);
//          } else {
//              PriorityQueue<Character> minHeap = new PriorityQueue<>();
//              minHeap.offer(charArray[i]);
//              hashMap.put(root, minHeap);
//          }
          // 上面六行代码等价于下面一行代码,JDK 1.8 以及以后支持下面的写法
			map.computeIfAbsent(root,  key -> new PriorityQueue<>()).offer(s.charAt(i));
		}
		//3. 重组字符串
		StringBuilder sb  = new StringBuilder();
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			int root = uf.find(i);
			sb.append(map.get(root).poll());
		}
		return sb.toString();
    }
	
	private class UnionFind {
		private int[] parent;
		private int[] rank;
		
		public UnionFind(int n) {
			this.parent = new int[n];
			this.rank = new int[n];
			for(int i = 0; i < n; i++) {
				this.parent[i] = i;
				this.rank[i] = 1;
			}
		}
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX != rootY) {
				if(rank[rootX] > rank[rootY]) {
					parent[rootY] = rootX;
				}else if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
					// 此时以 rootY 为根结点的树的高度不变
					parent[rootX] = rootY;
				}else {
					parent[rootY] = rootX;
					// 此时以 rootX 为根结点的树的高度仅加了 1
					rank[rootX]++;
				}
			}
		}
		public int find(int x) {
			if(parent[x] != x) {
				parent[x] = find(parent[x]);
			}
			return parent[x];
		}
	}
}
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最长连续序列 - 字节面试常考

/**
 * 最长连续序列 - 字节面试常考
 * @author: William
 * @time:2022-04-14
 */
public class Num128 {
	public int longestConsecutive(int[] nums) {
        int ans = 0;
		//用来筛选某个数的左右连续数是否存在
		Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
		//将连续的数字组成一个个集合
		UnionFind uf = new UnionFind(nums.length);
		for(int i = 0; i < nums.length; i++) {
			if(map.containsKey(nums[i])) continue;
			if(map.containsKey(nums[i] - 1)) {//往左判断
				uf.union(i, map.get(nums[i] - 1));
			}
			if(map.containsKey(nums[i] + 1)) {//往右判断
				uf.union(i, map.get(nums[i] + 1));
			}
			map.put(nums[i], i);//存储当前数
		}
		for(int i = 0; i < nums.length; i++) {//选出最长的数
			if(uf.find(i) != i) continue;//不是根节点
			ans = Math.max(ans, uf.rank[i]);
		}
		return ans;
    }

    class UnionFind{
		int[] parent;
		int[] rank;
		
		public UnionFind(int n) {
			this.parent = new int[n];
			this.rank = new int[n];
			for(int i = 0; i < n; i++) {
				this.parent[i] = i;
				this.rank[i] = 1;
			}
		}
		
		//这一步很关键 当时写的其他方法失败了
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX != rootY) {
				if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
					int tmp = rootX;
                    rootX = rootY;
                    rootY = tmp;
				}
                parent[rootY] = rootX;
                rank[rootX] += rank[rootY];
			}
		}

		public int find(int x) {
			if(parent[x] != x){
                parent[x] = find(parent[x]);
            } 
            return parent[x];
		}
	}
}
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连通网络的操作次数

/**
 * 连通网络的操作次数
 * @author: William
 * @time:2022-04-14
 */
public class Num1319 {
	public int makeConnected(int n, int[][] connections) {
		//网线数量太少的情况 n是电脑数
		if(connections.length < n - 1) return -1;
		UnionFind uf = new UnionFind(n);
		for(int[] connection : connections) {
			uf.union(connection[0], connection[1]);
		}
		//只需要操作连通数量-1次即可
		return uf.getCount() - 1;
    }
	class UnionFind{
		int count;
		int[] parent;
		int[] rank;
		
		
		public UnionFind(int n) {
			this.count = n;
			this.parent = new int[n];
			this.rank = new int[n];
			for(int i = 0; i < n; i++) {
				this.parent[i] = i;
				this.rank[i] = 1;
			}
		}
		public int getCount() {
			return count;
		}
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX != rootY) {
				if(rank[rootX] > rank[rootY]) {
					parent[rootY] = rootX;
				}else if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
					parent[rootX] = rootY;
				}else {
					parent[rootY] = rootX;
					rank[rootX]++;
				}
				count--;
			}
		}
		public int find(int x) {
			return parent[x] == x ? x : find(parent[x]); 
		}
	}
}

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最大岛屿数量 (三种解法)

/**
 * 最大岛屿数量
 * @author: William
 * @time:2022-04-10
 */
public class Num200 {
	class UnionFind{
		int count;
		int[] parent;
		int[] rank;
		
		public UnionFind(char[][] grid) {
			count = 0;
			int m = grid.length;//行数
			int n = grid[0].length;//列数
			parent = new int[m * n];
			rank = new int[m * n];
			for(int i = 0; i < m; i++) {
				for(int j = 0; j < n; j++) {
					if(grid[i][j] == '1') {
						parent[i * n + j] = i * n + j;//规律
						count++;
					}
					rank[i * n + j] = 0;
				}
			}
		}
		
		public int find(int i) {
			if(parent[i] != i) parent[i] = find(parent[i]);
			return parent[i];
		}
		
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX != rootY) {
				if(rank[rootX] > rank[rootY]) {
					parent[rootY] = rootX;
				}else if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
					parent[rootX] = rootY;
				}else {
					parent[rootY] = rootX;//相等的情况
					rank[rootX] += 1;
				}
				count--;//维护数量
			}
		}
		public int getCount() {
			return count;
		}
	}
	public int numIslands(char[][] grid) {
        if (grid == null || grid.length == 0) {
            return 0;
        }

        int nr = grid.length;
        int nc = grid[0].length;
        int num_islands = 0;
        UnionFind uf = new UnionFind(grid);
        for (int r = 0; r < nr; ++r) {
            for (int c = 0; c < nc; ++c) {
                if (grid[r][c] == '1') {
                    grid[r][c] = '0';
                    if (r - 1 >= 0 && grid[r-1][c] == '1') {
                        uf.union(r * nc + c, (r-1) * nc + c);
                    }
                    if (r + 1 < nr && grid[r+1][c] == '1') {
                        uf.union(r * nc + c, (r+1) * nc + c);
                    }
                    if (c - 1 >= 0 && grid[r][c-1] == '1') {
                        uf.union(r * nc + c, r * nc + c - 1);
                    }
                    if (c + 1 < nc && grid[r][c+1] == '1') {
                        uf.union(r * nc + c, r * nc + c + 1);
                    }
                }
            }
        }
        return uf.getCount();
	}
	//dfs —— 重点掌握
	public int numIslands1(char[][] grid) {
		int count = 0;
		for(int i = 0; i < grid.length; i++) {//行数
			for(int j = 0; j < grid[0].length; j++) {//列数
				if(grid[i][j] == '1') {//满足条件就继续递归
					dfs(grid, i, j);
					count++;
				}
			}
		}
		return count;
	}
	private void dfs(char[][] grid, int i, int j) {
		//终止条件
		if(i < 0 || j < 0 || i >= grid.length || 
		   j >= grid[0].length || grid[i][j] == '0') return;
		grid[i][j] = '0';
		//分别向上下左右递归
		dfs(grid, i + 1, j);
		dfs(grid, i, j + 1);
		dfs(grid, i - 1, j);
		dfs(grid, i, j - 1);
	}
	
	//bfs
	public int numIslands2(char[][] grid) {
		int count = 0;
		for(int i = 0; i < grid.length; i++) {
			for(int j =0; j < grid[0].length; j++) {
				if(grid[i][j] == '1') {
					bfs(grid, i, j);
					count++;
				}
			}
		}
		return count;
	}
	private void bfs(char[][] grid, int i, int j) {
		Queue<int[]> list = new LinkedList<>();
		list.add(new int[] {i, j});
		while(!list.isEmpty()) {
			int[] cur = list.remove();
			i = cur[0]; j = cur[1];
			if(0 <= i && i < grid.length && 0 <= j && 
			   j < grid[0].length && grid[i][j] == '1') {
				grid[i][j] = '0';
				list.add(new int[] {i + 1, j});
				list.add(new int[] {i - 1, j});
				list.add(new int[] {i, j + 1});
				list.add(new int[] {i, j - 1});
			}
		}
	}
}
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省份数量

/**
 * 省份数量
 * @author: William
 * @time:2022-04-11
 */
public class Num547 {
	public int findCircleNum(int[][] isConnected) {
		int provinces = isConnected.length;
        int[] parent = new int[provinces];
        //开辟一个parent数组 储存 某个节点的父节点
        for(int i =0; i < provinces;i++){
            parent[i] = i;
        }
        for(int i = 0; i < provinces; i++){
            for(int j = i + 1; j < provinces; j++){
                //两个节点只要是连通的就合并
                if(isConnected[i][j] == 1){
                    union(parent, i, j);
                }
            }
        }
        int numProvinces = 0;
        //扫描parent数组 如果当前节点对应根节点 就是一个省份
        for(int i = 0; i < provinces; i++){
            if(parent[i] == i){
                numProvinces++;
            }
        }
        return numProvinces;
	}

    //支持路径压缩的查找函数
    public int find(int[] parent, int index){
        //父节点不是自己
        if(parent[index] != index){
            //递归调用查找函数 并把当前结果储存在当前节点父节点数组中
            parent[index] = find(parent, parent[index]);
        }
        //当父节点是本身时
        return parent[index];
    }
    //合并函数
    public void union(int[] parent, int index1, int index2){
        parent[find(parent , index1)] = find(parent, index2);
    }
    //dfs
    public int findCircleNum1(int[][] isConnected) {
    	int provinces = isConnected.length;
    	boolean[] visited = new boolean[provinces];
    	int numProvinces = 0;
    	for(int i = 0; i < provinces; i++) {
    		//如果该城市未被访问过,则从该城市开始深度优先搜索
    		if(!visited[i]) {
    			dfs(isConnected, visited, provinces, i);
    			numProvinces++;
    		}
    	}
    	return numProvinces;
    }
    private void dfs(int[][] isConnected, boolean[] visited, int provinces, int i) {
    	for(int j = 0; j < provinces; j++) {
    		//j时与i相连的邻居节点,相连且未被访问到
    		if(isConnected[i][j] == 1 && !visited[j]) {
    			visited[j] = true;
    			//继续做深度优先搜索
    			dfs(isConnected, visited, provinces, j);
    		}
    	}
    }
}
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冗余连接

/**
 * 冗余连接
 * @author: William
 * @time:2022-04-11
 */
public class Num684 {
	public int[] findRedundantConnection(int[][] edges) {
		int n = edges.length;
		int[] parent = new int[n + 1];
		for(int i = 1; i <= n; i++) {
			parent[i] = i;
		}
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			int[] edge = edges[i];
			int node1 =edge[0], node2 = edge[1];
			//说明两个顶点不连通,当前边不会导致环出现
			if(find(parent, node1) != find(parent, node2)) {
				union(parent, node1, node2);
			}else {//已经连通成环 返回该边即可
				return edge;
			}
		}//这种情况表示没有
		return new int[0];
    }
	
	public void union(int[] parent, int x, int y) {
		parent[find(parent, x)] = find(parent, y);
	}
	
	public int find(int[] parent, int x) {
		if(parent[x] != x) {
			parent[x] = find(parent, parent[x]);
		}
		return parent[x];
	}
}
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冗余连接Ⅱ

/**
 * 冗余连接Ⅱ  hard
 * @author: William
 * @time:2022-04-11
 */
public class Num685 {
	public int[] findRedundantDirectedConnection(int[][] edges) {
        int n = edges.length;
        UnionFind uf = new UnionFind(n + 1);
        int[] parent = new int[n + 1];
        for (int i = 1; i <= n; ++i) {
            parent[i] = i;
        }
        int conflict = -1;
        int cycle = -1;
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            int[] edge = edges[i];
            int node1 = edge[0], node2 = edge[1];
            if (parent[node2] != node2) {
                conflict = i;
            } else {
                parent[node2] = node1;
                if (uf.find(node1) == uf.find(node2)) {
                    cycle = i;
                } else {
                    uf.union(node1, node2);
                }
            }
        }
        if (conflict < 0) {
            int[] redundant = {edges[cycle][0], edges[cycle][1]};
            return redundant;
        } else {
            int[] conflictEdge = edges[conflict];
            if (cycle >= 0) {
                int[] redundant = {parent[conflictEdge[1]], conflictEdge[1]};
                return redundant;
            } else {
                int[] redundant = {conflictEdge[0], conflictEdge[1]};
                return redundant;
            }
        }
    }
}


class UnionFind{
	int[] parent;
	
	public UnionFind(int n) {
		parent = new int[n];
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			parent[i] = i;
		}
	}
	
	public void union(int x, int y) {
		parent[find(x)] = find(y);
	}
	public int find(int x) {
		if(parent[x] != x) {
			parent[x] = find(parent[x]);
		}
		return parent[x];
	}
}
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情侣牵手(困难)

/**
 * 情侣牵手 hard
 * @author: William
 * @time:2022-04-12
 */
public class Num765 {
	//如果一对情侣恰好坐在了一起,并且坐在了成组的座位上,
	//其中一个下标一定是偶数,另一个一定是奇数,并且偶数的值 + 1 = 奇数的值。
	//例如编号数对 [2, 3]、[9, 8],
	//这些数对的特点是除以 2(下取整)得到的数相等。
	public int minSwapsCouples(int[] row) {
		int len = row.length;
		int N = len >> 1;
		UnionFind uf = new UnionFind(N);
		for(int i = 0; i < len; i += 2) {
			uf.union(row[i] >> 1, row[i + 1] >> 1);
		}
		return N - uf.getCount();
    }
	
	private class UnionFind {
		private int[] parent;
		private int count;
		
		public int getCount() {
			return count;
		}
		
		public UnionFind(int n) {
			this.count = n;
			this.parent = new int[n];
			for(int i = 0; i < n; i++) {
				parent[i] = i;
			}
		}
		public int find(int x) {
			if(parent[x] != x) {
				parent[x] = find(parent[x]);
			}
			return parent[x];
		}
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX == rootY) return;
			parent[rootX] = rootY;
			count--;
		}
	}
}
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移除最多的同行或同列石头

/**
 * 移除最多的同行或同列石头
 * @author: William
 * @time:2022-04-14
 */
public class Num947 {
	public int removeStones(int[][] stones) {
		int sum = stones.length;
		UnionFind uf = new UnionFind(sum);
		for(int i = 0; i < sum; i++) {
			//j 是 i 下一个石头
			for(int j = i + 1; j < sum; j++) {
				int x1 = stones[i][0], y1 = stones[i][1];
				int x2 = stones[j][0], y2 = stones[j][1];
				if(x1 == x2 || y1 == y2) {//处于同行或同列
					uf.union(i, j);//粉碎石头
				}
			}
		}
		return sum - uf.getCount(); 
    }
	
	class UnionFind{
		int count;
		int[] parent;
		int[] rank;
		
		
		public UnionFind(int n) {
			this.count = n;
			this.parent = new int[n];
			this.rank = new int[n];
			for(int i = 0; i < n; i++) {
				this.parent[i] = i;
				this.rank[i] = 1;
			}
		}
		public int getCount() {
			return count;
		}
		public void union(int x, int y) {
			int rootX = find(x), rootY = find(y);
			if(rootX != rootY) {
				if(rank[rootX] < rank[rootY]) {
					int tmp = rootX;
                    rootX = rootY;
                    rootY = tmp;
				}
                parent[rootY] = rootX;
                rank[rootX] += rank[rootY];
				count--;
			}
		}
		public int find(int x) {
			return parent[x] == x ? x : find(parent[x]); 
		}
	}
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等式方程的可满足性

/**
 * 等式方程的可满足性
 * @author: William
 * @time:2022-04-11
 */
public class Num990 {
	public boolean equationsPossible(String[] equations) {
        int[] parent = new int[26];
        for(int i = 0; i < 26; i++) {
        	parent[i] = i;
        }
        for(String str : equations) {
        	if(str.charAt(1) == '=') {
        		int x = str.charAt(0) - 'a';
        		int y = str.charAt(3) - 'a';
        		union(parent, x, y);
        	}
        }
        for(String str : equations) {
        	if(str.charAt(1) == '!') {
        		int x = str.charAt(0) - 'a';
        		int y = str.charAt(3) - 'a';
        		//说明连过了
        		if(find(parent, x) == find(parent, y)) {
        			return false;
        		}
        	}
        }
        return true;
    }
	
	public void union(int[] parent, int x, int y) {
		parent[find(parent, x)] = find(parent, y); 
	}
	
	public int find(int[] parent, int x) {
		while(parent[x] != x) {
			parent[x] = parent[parent[x]];
			x = parent[x];
		}
		return x;
	}
}
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结语

并查集对我们来说是一个模板,无论理解还是不理解,都应该在笔试的时候可以快速写出来,很多时候看起来与连接有关的题,找到规律之后都能用并查集快速解出来

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