Coda di priorità in .Net [chiuso]

Sto cercando un'implementazione .NET di una coda prioritaria o di una struttura di dati heap

Le code prioritarie sono strutture di dati che offrono maggiore flessibilità rispetto al semplice ordinamento, poiché consentono a nuovi elementi di entrare in un sistema a intervalli arbitrari. È molto più conveniente inserire un nuovo lavoro in una coda prioritaria piuttosto che riordinare tutto su tale arrivo.

La coda di priorità di base supporta tre operazioni principali:

• Inserisci (Q, x). Dato un elemento x con chiave k, inserirlo nella coda di priorità Q.
• Trova-minima (Q). Restituisce un puntatore all'elemento il cui valore chiave è inferiore a qualsiasi altra chiave nella coda di priorità Q.
• Elimina-minima (Q). Rimuovere l'elemento dalla coda di priorità Q la cui chiave è minima

A meno che non stia guardando nel posto sbagliato, non ce n'è uno nel framework. Qualcuno è a conoscenza di una buona o dovrei farlo io?

Mi piace usare le classi OrderedBage OrderedSetin PowerCollections come code prioritarie.

Potresti gradire IntervalHeap dalla libreria di raccolte generiche C5 . Per citare la guida per l' utente

La classe IntervalHeap<T>implementa l'interfaccia IPriorityQueue<T>usando un heap di intervallo memorizzato come una matrice di coppie. Le operazioni FindMin e FindMax e il get-accessor dell'indicizzatore richiedono tempo O (1). Le operazioni DeleteMin, DeleteMax, Add e Update e il set-accessor dell'indicizzatore richiedono tempo O (log n). Contrariamente a una normale coda di priorità, un heap di intervallo offre operazioni minime e massime con la stessa efficienza.

L'API è abbastanza semplice

> var heap = new C5.IntervalHeap<int>();
> heap.Add(10);
> heap.Add(5);
> heap.FindMin();
5

Installa da Nuget https://www.nuget.org/packages/C5 o GitHub https://github.com/sestoft/C5/

Ecco il mio tentativo di un heap .NET

public abstract class Heap<T> : IEnumerable<T>
{
    private const int InitialCapacity = 0;
    private const int GrowFactor = 2;
    private const int MinGrow = 1;

    private int _capacity = InitialCapacity;
    private T[] _heap = new T[InitialCapacity];
    private int _tail = 0;

    public int Count { get { return _tail; } }
    public int Capacity { get { return _capacity; } }

    protected Comparer<T> Comparer { get; private set; }
    protected abstract bool Dominates(T x, T y);

    protected Heap() : this(Comparer<T>.Default)
    {
    }

    protected Heap(Comparer<T> comparer) : this(Enumerable.Empty<T>(), comparer)
    {
    }

    protected Heap(IEnumerable<T> collection)
        : this(collection, Comparer<T>.Default)
    {
    }

    protected Heap(IEnumerable<T> collection, Comparer<T> comparer)
    {
        if (collection == null) throw new ArgumentNullException("collection");
        if (comparer == null) throw new ArgumentNullException("comparer");

        Comparer = comparer;

        foreach (var item in collection)
        {
            if (Count == Capacity)
                Grow();

            _heap[_tail++] = item;
        }

        for (int i = Parent(_tail - 1); i >= 0; i--)
            BubbleDown(i);
    }

    public void Add(T item)
    {
        if (Count == Capacity)
            Grow();

        _heap[_tail++] = item;
        BubbleUp(_tail - 1);
    }

    private void BubbleUp(int i)
    {
        if (i == 0 || Dominates(_heap[Parent(i)], _heap[i])) 
            return; //correct domination (or root)

        Swap(i, Parent(i));
        BubbleUp(Parent(i));
    }

    public T GetMin()
    {
        if (Count == 0) throw new InvalidOperationException("Heap is empty");
        return _heap[0];
    }

    public T ExtractDominating()
    {
        if (Count == 0) throw new InvalidOperationException("Heap is empty");
        T ret = _heap[0];
        _tail--;
        Swap(_tail, 0);
        BubbleDown(0);
        return ret;
    }

    private void BubbleDown(int i)
    {
        int dominatingNode = Dominating(i);
        if (dominatingNode == i) return;
        Swap(i, dominatingNode);
        BubbleDown(dominatingNode);
    }

    private int Dominating(int i)
    {
        int dominatingNode = i;
        dominatingNode = GetDominating(YoungChild(i), dominatingNode);
        dominatingNode = GetDominating(OldChild(i), dominatingNode);

        return dominatingNode;
    }

    private int GetDominating(int newNode, int dominatingNode)
    {
        if (newNode < _tail && !Dominates(_heap[dominatingNode], _heap[newNode]))
            return newNode;
        else
            return dominatingNode;
    }

    private void Swap(int i, int j)
    {
        T tmp = _heap[i];
        _heap[i] = _heap[j];
        _heap[j] = tmp;
    }

    private static int Parent(int i)
    {
        return (i + 1)/2 - 1;
    }

    private static int YoungChild(int i)
    {
        return (i + 1)*2 - 1;
    }

    private static int OldChild(int i)
    {
        return YoungChild(i) + 1;
    }

    private void Grow()
    {
        int newCapacity = _capacity*GrowFactor + MinGrow;
        var newHeap = new T[newCapacity];
        Array.Copy(_heap, newHeap, _capacity);
        _heap = newHeap;
        _capacity = newCapacity;
    }

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        return _heap.Take(Count).GetEnumerator();
    }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return GetEnumerator();
    }
}

public class MaxHeap<T> : Heap<T>
{
    public MaxHeap()
        : this(Comparer<T>.Default)
    {
    }

    public MaxHeap(Comparer<T> comparer)
        : base(comparer)
    {
    }

    public MaxHeap(IEnumerable<T> collection, Comparer<T> comparer)
        : base(collection, comparer)
    {
    }

    public MaxHeap(IEnumerable<T> collection) : base(collection)
    {
    }

    protected override bool Dominates(T x, T y)
    {
        return Comparer.Compare(x, y) >= 0;
    }
}

public class MinHeap<T> : Heap<T>
{
    public MinHeap()
        : this(Comparer<T>.Default)
    {
    }

    public MinHeap(Comparer<T> comparer)
        : base(comparer)
    {
    }

    public MinHeap(IEnumerable<T> collection) : base(collection)
    {
    }

    public MinHeap(IEnumerable<T> collection, Comparer<T> comparer)
        : base(collection, comparer)
    {
    }

    protected override bool Dominates(T x, T y)
    {
        return Comparer.Compare(x, y) <= 0;
    }
}

Alcuni test:

[TestClass]
public class HeapTests
{
    [TestMethod]
    public void TestHeapBySorting()
    {
        var minHeap = new MinHeap<int>(new[] {9, 8, 4, 1, 6, 2, 7, 4, 1, 2});
        AssertHeapSort(minHeap, minHeap.OrderBy(i => i).ToArray());

        minHeap = new MinHeap<int> { 7, 5, 1, 6, 3, 2, 4, 1, 2, 1, 3, 4, 7 };
        AssertHeapSort(minHeap, minHeap.OrderBy(i => i).ToArray());

        var maxHeap = new MaxHeap<int>(new[] {1, 5, 3, 2, 7, 56, 3, 1, 23, 5, 2, 1});
        AssertHeapSort(maxHeap, maxHeap.OrderBy(d => -d).ToArray());

        maxHeap = new MaxHeap<int> {2, 6, 1, 3, 56, 1, 4, 7, 8, 23, 4, 5, 7, 34, 1, 4};
        AssertHeapSort(maxHeap, maxHeap.OrderBy(d => -d).ToArray());
    }

    private static void AssertHeapSort(Heap<int> heap, IEnumerable<int> expected)
    {
        var sorted = new List<int>();
        while (heap.Count > 0)
            sorted.Add(heap.ExtractDominating());

        Assert.IsTrue(sorted.SequenceEqual(expected));
    }
}

eccone uno che ho appena scritto, forse non è così ottimizzato (usa solo un dizionario ordinato) ma semplice da capire. puoi inserire oggetti di diverso tipo, quindi nessuna coda generica.

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

namespace PrioQueue
{
    public class PrioQueue
    {
        int total_size;
        SortedDictionary<int, Queue> storage;

        public PrioQueue ()
        {
            this.storage = new SortedDictionary<int, Queue> ();
            this.total_size = 0;
        }

        public bool IsEmpty ()
        {
            return (total_size == 0);
        }

        public object Dequeue ()
        {
            if (IsEmpty ()) {
                throw new Exception ("Please check that priorityQueue is not empty before dequeing");
            } else
                foreach (Queue q in storage.Values) {
                    // we use a sorted dictionary
                    if (q.Count > 0) {
                        total_size--;
                        return q.Dequeue ();
                    }
                }

                Debug.Assert(false,"not supposed to reach here. problem with changing total_size");

                return null; // not supposed to reach here.
        }

        // same as above, except for peek.

        public object Peek ()
        {
            if (IsEmpty ())
                throw new Exception ("Please check that priorityQueue is not empty before peeking");
            else
                foreach (Queue q in storage.Values) {
                    if (q.Count > 0)
                        return q.Peek ();
                }

                Debug.Assert(false,"not supposed to reach here. problem with changing total_size");

                return null; // not supposed to reach here.
        }

        public object Dequeue (int prio)
        {
            total_size--;
            return storage[prio].Dequeue ();
        }

        public void Enqueue (object item, int prio)
        {
            if (!storage.ContainsKey (prio)) {
                storage.Add (prio, new Queue ());
              }
            storage[prio].Enqueue (item);
            total_size++;

        }
    }
}

Ne ho trovato uno di Julian Bucknall sul suo blog qui - http://www.boyet.com/Articles/PriorityQueueCSharp3.html

L'abbiamo modificato leggermente in modo che gli elementi a bassa priorità sulla coda alla fine si "riempissero" verso l'alto nel tempo, in modo da non subire la fame.

Come menzionato in Microsoft Collections for .NET , Microsoft ha scritto (e condiviso online) 2 classi interne PriorityQueue all'interno di .NET Framework. Il loro codice è disponibile per provare.

EDIT: Come ha commentato @ mathusum-mut, c'è un bug in una delle classi interne PriorityQueue di Microsoft (la comunità SO ha, ovviamente, fornito correzioni per esso): Bug nella priorità interna Microsoft di PriorityQueue <T>?

Potresti trovare utile questa implementazione: http://www.codeproject.com/Articles/126751/Priority-queue-in-Csharp-with-help-of-heap-data-st.aspx

è generico e basato sulla struttura dei dati heap

class PriorityQueue<T>
{
    IComparer<T> comparer;
    T[] heap;
    public int Count { get; private set; }
    public PriorityQueue() : this(null) { }
    public PriorityQueue(int capacity) : this(capacity, null) { }
    public PriorityQueue(IComparer<T> comparer) : this(16, comparer) { }
    public PriorityQueue(int capacity, IComparer<T> comparer)
    {
        this.comparer = (comparer == null) ? Comparer<T>.Default : comparer;
        this.heap = new T[capacity];
    }
    public void push(T v)
    {
        if (Count >= heap.Length) Array.Resize(ref heap, Count * 2);
        heap[Count] = v;
        SiftUp(Count++);
    }
    public T pop()
    {
        var v = top();
        heap[0] = heap[--Count];
        if (Count > 0) SiftDown(0);
        return v;
    }
    public T top()
    {
        if (Count > 0) return heap[0];
        throw new InvalidOperationException("优先队列为空");
    }
    void SiftUp(int n)
    {
        var v = heap[n];
        for (var n2 = n / 2; n > 0 && comparer.Compare(v, heap[n2]) > 0; n = n2, n2 /= 2) heap[n] = heap[n2];
        heap[n] = v;
    }
    void SiftDown(int n)
    {
        var v = heap[n];
        for (var n2 = n * 2; n2 < Count; n = n2, n2 *= 2)
        {
            if (n2 + 1 < Count && comparer.Compare(heap[n2 + 1], heap[n2]) > 0) n2++;
            if (comparer.Compare(v, heap[n2]) >= 0) break;
            heap[n] = heap[n2];
        }
        heap[n] = v;
    }
}

facile.

Utilizzare un traduttore da Java a C # sull'implementazione Java (java.util.PriorityQueue) nel framework Collezioni Java, oppure utilizzare in modo più intelligente l'algoritmo e il codice core e collegarlo a una classe C # personalizzata che aderisce al framework C # Collections API per le code, o almeno le raccolte.

AlgoKit

Ho scritto una libreria open source chiamata AlgoKit , disponibile tramite NuGet . Contiene:

• Cumuli impliciti di d-ary (ArrayHeap),
• Cumuli binomiali ,
• Associazione di heap .

Il codice è stato ampiamente testato. Consiglio vivamente di provarlo.

Esempio

var comparer = Comparer<int>.Default;
var heap = new PairingHeap<int, string>(comparer);

heap.Add(3, "your");
heap.Add(5, "of");
heap.Add(7, "disturbing.");
heap.Add(2, "find");
heap.Add(1, "I");
heap.Add(6, "faith");
heap.Add(4, "lack");

while (!heap.IsEmpty)
    Console.WriteLine(heap.Pop().Value);

Perché quei tre cumuli?

La scelta ottimale dell'implementazione dipende fortemente dall'input - come mostrano Larkin, Sen e Tarjan in Uno studio empirico di base sulle code prioritarie , arXiv: 1403.0252v1 [cs.DS] . Hanno testato cumuli impliciti di d-ary, cumuli di accoppiamento, cumuli di Fibonacci, cumuli binomiali, cumuli espliciti di d-ary, cumuli di accoppiamento di rango, cumuli di terremoto, cumuli di violazione, cumuli deboli di livello inferiore e cumuli rigorosi di Fibonacci.

AlgoKit presenta tre tipi di cumuli che sembrano essere i più efficienti tra quelli testati.

Suggerimento a scelta

Per un numero relativamente piccolo di elementi, potresti essere interessato a utilizzare i cumuli impliciti, in particolare i cumuli quaternari (impliciti 4-ary). Nel caso di operare su heap di dimensioni maggiori, le strutture ammortizzate come i cumuli binomiali e i cumuli di accoppiamento dovrebbero funzionare meglio.

Ecco un'altra implementazione del team di NGenerics:

NGenerics PriorityQueue

Ho avuto lo stesso problema di recente e ho finito per creare un pacchetto NuGet per questo.

Questo implementa una coda di priorità standard basata su heap. Ha anche tutte le solite prelibatezze delle raccolte BCL: ICollection<T>e IReadOnlyCollection<T>implementazione, IComparer<T>supporto personalizzato , capacità di specificare una capacità iniziale e un modo DebuggerTypeProxyper rendere la raccolta più facile da lavorare nel debugger.

Esiste anche una versione Inline del pacchetto che installa solo un singolo file .cs nel progetto (utile se si desidera evitare di assumere dipendenze visibili esternamente).

Maggiori informazioni sono disponibili sulla pagina di github .

Una semplice implementazione Max Heap.

https://github.com/bharathkumarms/AlgorithmsMadeEasy/blob/master/AlgorithmsMadeEasy/MaxHeap.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

namespace AlgorithmsMadeEasy
{
    class MaxHeap
    {
        private static int capacity = 10;
        private int size = 0;
        int[] items = new int[capacity];

        private int getLeftChildIndex(int parentIndex) { return 2 * parentIndex + 1; }
        private int getRightChildIndex(int parentIndex) { return 2 * parentIndex + 2; }
        private int getParentIndex(int childIndex) { return (childIndex - 1) / 2; }

        private int getLeftChild(int parentIndex) { return this.items[getLeftChildIndex(parentIndex)]; }
        private int getRightChild(int parentIndex) { return this.items[getRightChildIndex(parentIndex)]; }
        private int getParent(int childIndex) { return this.items[getParentIndex(childIndex)]; }

        private bool hasLeftChild(int parentIndex) { return getLeftChildIndex(parentIndex) < size; }
        private bool hasRightChild(int parentIndex) { return getRightChildIndex(parentIndex) < size; }
        private bool hasParent(int childIndex) { return getLeftChildIndex(childIndex) > 0; }

        private void swap(int indexOne, int indexTwo)
        {
            int temp = this.items[indexOne];
            this.items[indexOne] = this.items[indexTwo];
            this.items[indexTwo] = temp;
        }

        private void hasEnoughCapacity()
        {
            if (this.size == capacity)
            {
                Array.Resize(ref this.items,capacity*2);
                capacity *= 2;
            }
        }

        public void Add(int item)
        {
            this.hasEnoughCapacity();
            this.items[size] = item;
            this.size++;
            heapifyUp();
        }

        public int Remove()
        {
            int item = this.items[0];
            this.items[0] = this.items[size-1];
            this.items[this.size - 1] = 0;
            size--;
            heapifyDown();
            return item;
        }

        private void heapifyUp()
        {
            int index = this.size - 1;
            while (hasParent(index) && this.items[index] > getParent(index))
            {
                swap(index, getParentIndex(index));
                index = getParentIndex(index);
            }
        }

        private void heapifyDown()
        {
            int index = 0;
            while (hasLeftChild(index))
            {
                int bigChildIndex = getLeftChildIndex(index);
                if (hasRightChild(index) && getLeftChild(index) < getRightChild(index))
                {
                    bigChildIndex = getRightChildIndex(index);
                }

                if (this.items[bigChildIndex] < this.items[index])
                {
                    break;
                }
                else
                {
                    swap(bigChildIndex,index);
                    index = bigChildIndex;
                }
            }
        }
    }
}

/*
Calling Code:
    MaxHeap mh = new MaxHeap();
    mh.Add(10);
    mh.Add(5);
    mh.Add(2);
    mh.Add(1);
    mh.Add(50);
    int maxVal  = mh.Remove();
    int newMaxVal = mh.Remove();
*/

La seguente implementazione di un PriorityQueueusi SortedSetdalla libreria di sistema.

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace CDiggins
{
    interface IPriorityQueue<T, K> where K : IComparable<K>
    {
        bool Empty { get; }
        void Enqueue(T x, K key);
        void Dequeue();
        T Top { get; }
    }

    class PriorityQueue<T, K> : IPriorityQueue<T, K> where K : IComparable<K>
    {
        SortedSet<Tuple<T, K>> set;

        class Comparer : IComparer<Tuple<T, K>> {
            public int Compare(Tuple<T, K> x, Tuple<T, K> y) {
                return x.Item2.CompareTo(y.Item2);
            }
        }

        PriorityQueue() { set = new SortedSet<Tuple<T, K>>(new Comparer()); }
        public bool Empty { get { return set.Count == 0;  } }
        public void Enqueue(T x, K key) { set.Add(Tuple.Create(x, key)); }
        public void Dequeue() { set.Remove(set.Max); }
        public T Top { get { return set.Max.Item1; } }
    }
}