Приоритетная очередь в .Net

StackOverflow https://stackoverflow.com/questions/102398

Вопрос

Я ищу .NET-реализацию очереди приоритетов или структуры данных кучи.

Очереди с приоритетами — это структуры данных, которые обеспечивают большую гибкость, чем простая сортировка, поскольку позволяют новым элементам поступать в систему через произвольные промежутки времени.Гораздо выгоднее вставить новое задание в приоритетную очередь, чем пересортировать все при каждом таком поступлении.

Очередь с базовым приоритетом поддерживает три основные операции:

  • Вставить(Q,x).Дан элемент x с ключом k, вставьте его в приоритетную очередь Q.
  • Найти-Минимум(Q).Верните указатель на элемент, значение ключа которого меньше любого другого ключа в очереди приоритета Q.
  • Удалить-Минимум(Q).Удалить элемент из приоритетной очереди Q, ключ которого минимальный

Если я не ищу не в том месте, в фреймворке его нет.Кто-нибудь знает хороший вариант, или мне стоит свернуть свой собственный?

Это было полезно?

Решение

мне нравится использовать OrderedBag и OrderedSet занятия в PowerCollections как приоритетные очереди.

Другие советы

Вам может понравиться IntervalHeap из Библиотека общих коллекций C5.Цитируя гид пользователя

Сорт IntervalHeap<T> реализует интерфейс IPriorityQueue<T> используя интервальную кучу, хранящуюся в виде массива пар.Операции Findmin и Findmax, а также get-accorser индексера, займите время O (1).Deletemin, Deletemax, Operations добавить и обновить, и набор индексатора, занимайте время O (log n).В отличие от обычной очереди приоритета, интервальная куча предлагает как минимальные, так и максимальные операции с одинаковой эффективностью.

API достаточно прост

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

Установить из Nuget https://www.nuget.org/packages/C5 или GitHub https://github.com/sestoft/C5/

Вот моя попытка создания кучи .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;
    }
}

Некоторые тесты:

[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));
    }
}

вот тот, который я только что написал, возможно, он не так оптимизирован (просто используется отсортированный словарь), но прост для понимания.вы можете вставлять объекты разных типов, поэтому никаких общих очередей.

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++;

        }
    }
}

Я нашел один от Джулиана Бакнола в его блоге здесь - http://www.boyet.com/Articles/PriorityQueueCSharp3.html

Мы немного модифицировали его, чтобы элементы с низким приоритетом в очереди со временем «всплывали» наверх и не страдали от голода.

Как упоминалось в Коллекции Microsoft для .NET, Microsoft написала (и поделилась в Интернете) 2 внутренних класса PriorityQueue в рамках .NET Framework.Их код доступен для тестирования.

РЕДАКТИРОВАТЬ:Как прокомментировал @mathusum-mut, в одном из внутренних классов Microsoft PriorityQueue есть ошибка (сообщество SO, конечно же, предоставило ее исправления): Ошибка во внутренней PriorityQueue<T> Microsoft?

Вам может пригодиться эта реализация:http://www.codeproject.com/Articles/126751/Priority-queue-in-Csharp-with-help-of-heap-data-st.aspx

он общий и основан на структуре данных кучи

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;
    }
}

легкий.

Используйте переводчик Java в C# для реализации Java (java.util.PriorityQueue) в платформе Java Collections или более разумно используйте алгоритм и основной код и подключите их к собственному классу C#, который соответствует платформе C# Collections. API для очередей или хотя бы коллекций.

АлгоКит

Я написал библиотеку с открытым исходным кодом под названием АлгоКит, доступно через NuGet.Это содержит:

  • Неявные d-арные кучи (МассивHeap),
  • Биномиальные кучи,
  • Сопряжение кучи.

Код был тщательно протестирован.Я определенно рекомендую вам попробовать.

Пример

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);

Почему эти три кучи?

Оптимальный выбор реализации сильно зависит от входных данных — как показывают Ларкин, Сен и Тарьян в Эмпирическое исследование приоритетных очередей, возвращающееся к основам, arXiv:1403.0252v1 [cs.DS].Они протестировали неявные d-арные кучи, парные кучи, кучи Фибоначчи, биномиальные кучи, явные d-арные кучи, кучи ранговых пар, кучи землетрясений, кучи нарушений, слабые кучи с ослабленным рангом и строгие кучи Фибоначчи.

В AlgoKit есть три типа куч, которые оказались наиболее эффективными среди протестированных.

Подсказка по выбору

Для относительно небольшого количества элементов вам, вероятно, будет интересно использовать неявные кучи, особенно четвертичные кучи (неявные 4-арные).В случае работы с кучами большего размера амортизированные структуры, такие как биномиальные кучи и парные кучи, должны работать лучше.

Вот еще одна реализация от команды NGenerics:

NGenerics PriorityQueue

Недавно у меня возникла такая же проблема, и в итоге я создал NuGet-пакет для этого.

Это реализует стандартную очередь приоритетов на основе кучи.Он также имеет все обычные особенности коллекций BCL: ICollection<T> и IReadOnlyCollection<T> реализация, на заказ IComparer<T> поддержка, возможность указать начальную мощность и DebuggerTypeProxy чтобы упростить работу с коллекцией в отладчике.

Существует также В соответствии версия пакета, которая просто устанавливает один файл .cs в ваш проект (полезно, если вы хотите избежать видимых извне зависимостей).

Более подробную информацию можно получить на страница GitHub.

Простая реализация 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();
*/

Следующая реализация PriorityQueue использует SortedSet из системной библиотеки. 

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; } }
    }
}
Лицензировано под: CC-BY-SA с атрибуция
Не связан с StackOverflow
scroll top