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The Union-Find Disjoint Sets (UFDS) data structure is used to model a collection of disjoint sets, which is able to efficiently (i.e., in nearly constant time) determine which set an item belongs to, test if two items belong to the same set, and union two disjoint sets into one when needed. It can be used to find connected components in an undirected graph, and can hence be used as part of Kruskal's algorithm for the Minimum Spanning Tree (MST) problem.


Note that this data structure has another alternative name: Disjoint Sets Union (DSU).


Remarks: By default, we show e-Lecture Mode for first time (or non logged-in) visitor.
If you are an NUS student and a repeat visitor, please login.

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在此查看并查集可视化的例子!
每棵树代表一个不相交的集合(因此多个不相交集合能形成一个森林),树的根是这个不相交集合的代表项目。

现在停下来看看当前可视化中的树。 总共有多少项(N)? 有多少个不相交的集合? 每个不相交集的成员是什么? 每个不相交集的代表项是什么?

Pro-tip 1: Since you are not logged-in, you may be a first time visitor (or not an NUS student) who are not aware of the following keyboard shortcuts to navigate this e-Lecture mode: [PageDown]/[PageUp] to go to the next/previous slide, respectively, (and if the drop-down box is highlighted, you can also use [→ or ↓/← or ↑] to do the same),and [Esc] to toggle between this e-Lecture mode and exploration mode.

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由于我们固定了这个电子讲座的默认例子,你的答案应该是。N=13,有4个不相交的集合。{0,1,2,3,4,10}, {5,7,8,11}, {6,9}, {12},下划线的成员是他们自己不相交集合的代表项。

Pro-tip 2: We designed this visualization and this e-Lecture mode to look good on 1366x768 resolution or larger (typical modern laptop resolution in 2021). We recommend using Google Chrome to access VisuAlgo. Go to full screen mode (F11) to enjoy this setup. However, you can use zoom-in (Ctrl +) or zoom-out (Ctrl -) to calibrate this.

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我们可以简单地用一个数组 p 记录这个树的森林,数组的大小为 N 个项目,其中 p[i] 记录了项目 i 的父节点,如果 p[i] = i,那么 i 就是这棵树的根,也是包含项目 i 的集合的代表项目。


再次看看上面的可视化,确定这个数组 p 中的值。


讨论:如果 i 是包含它的树的根,我们可以设置 p[i] = -1 而不是 p[i] = i 吗?这有什么影响?


Pro-tip 3: Other than using the typical media UI at the bottom of the page, you can also control the animation playback using keyboard shortcuts (in Exploration Mode): Spacebar to play/pause/replay the animation, / to step the animation backwards/forwards, respectively, and -/+ to decrease/increase the animation speed, respectively.

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The content of this interesting slide (the answer of the usually intriguing discussion point from the earlier slide) is hidden and only available for legitimate CS lecturer worldwide. This mechanism is used in the various flipped classrooms in NUS.


If you are really a CS lecturer (or an IT teacher) (outside of NUS) and are interested to know the answers, please drop an email to stevenhalim at gmail dot com (show your University staff profile/relevant proof to Steven) for Steven to manually activate this CS lecturer-only feature for you.


FAQ: This feature will NOT be given to anyone else who is not a CS lecturer.

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在同一个固定的例子上,你的答案应该是p=[1,3,3,3,5,6,5,5,6,4,8,12],大小N=13,范围从p[0]到p[12]

你可以检查一下,p[3]=3,p[5]=5,p[6]=6,p[12]=12,这与{3,5,6,12}是(它们自己的不相交集)代表项的事实一致。
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我们还在同样大小为N的数组rank中记录额外的等级信息。rank[i]的值是根植于顶点i的子树高度的上限,它将被用作UnionSet(i, j)操作的启发式指导。你会注意到,在 "路径压缩 "(将在后面描述)压缩某些路径后,rank值不再反映该子树的真实高度。

由于有很多项的等级为0,我们对可视化进行了如下设置,以减少杂乱:只有当顶点i的等级大于0时,VisuAlgo才会在顶点i下面以红色文字显示rank[i]的值(简写为一个字符r)。
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在同一个固定的例子上,验证{1,4,6,8}的等级为1,{3,5}的等级为2,其余的等级为0(未显示)。

在这个时间点上,所有的等级值都是正确的,也就是说,它们确实描述了根在该顶点的子树的高度。我们很快就会看到,在接下来的几张幻灯片中,它们并不总是正确的。
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此可视化页面中有五个可用的合并集操作:
示例,Initialize(N)(初始化),FindSet(i)(查找),IsSameSet(i,j)(在同一集),和UnionSet(i,j)(合并)
第一个操作(示例)并不重要:具有各种特殊特征的合并集结构实例列表,供您参考。 此e-Lecture模式始终使用“四个不相交集(Four disjoint sets)”示例作为起点。
另请注意,没有一个例子包含 "非常高 "的树。 在我们描述了所使用的两种启发式方法之后,你很快就会明白其中的原因。
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Initialize(N, M):创建 N 个项目并用这些 N 个项目形成 M 个不相交的集合。我们随机选择两个不相交的集合并合并它们,直到我们有 M 个随机不相交的集合。由于使用了按秩合并的启发式方法和随机性,初始化过程很不可能创建一个高树。


默认形式是 Initialize(N, N),即 M = N,所有的 p[i] = irank[i] = 0(所有这些秩值最初都不显示)。这个操作的时间复杂度显然是 O(N)。


由于屏幕大小的限制,我们设置 1 ≤ N ≤ 32。显然 MN

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FindSet(i):从顶点i,递归地在树上往上移动。 也就是说,从顶点i,我们转到顶点p [i]),直到我们找到该树的根,这是该不相交集的的代表项(代表项具有p [i] = i的性质)。

在这个FindSet(i)操作中,我们在每次调用FindSet(i)之后使用路径压缩,因为现在沿着从顶点i到根的路径的每个顶点都知道根是它们的代表项,并且可以用O(1)时间直接指向它 。

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如果我们执行 FindSet(12),我们将立即得到顶点 12。
如果我们执行 FindSet(9),我们将在 1 步后得到顶点 6,没有其他变化。


现在尝试执行 FindSet(0)。如果这是你在这个默认的 UFDS 示例上的第一次调用,它将在 2 步后返回顶点 3,然后由于路径压缩在行动,修改底层的 UFDS 结构(即,顶点 0 直接指向顶点 3)。注意,rank[1] = 1 的 rank 值现在是错误的,因为顶点 1 成为了一个新的叶子。然而,我们不会去更新它的值。


注意,下次你再次执行 FindSet(0) 时,它将会(更)快,因为路径已经被压缩了。现在,我们假设 FindSet(i) 的运行时间为 O(1)。

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IsSameSet(i,j):只需检查是否 FindSet(i) == FindSet(j)。 该函数经常出现在Kruskal的MST算法中。 由于它只调用FindSet操作两次,我们假设它的时间复杂度为O(1)。

请注意,FindSet函数在IsSameSet函数内部被调用,因此也间接使用了路径压缩
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如果我们调用IsSameSet(3, 5),我们应该得到false,因为顶点3和顶点5是它们各自不相交集合的代表项,它们是不同的。

现在在相同的默认例子上尝试IsSameSet(0, 11),看看顶点0和顶点11的间接路径压缩。我们应该得到false,因为两个代表项:顶点3和顶点5,是不同的。注意,现在顶点{1,5,8}的等级值是错误的。但我们不会修复它们。
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UnionSet(i, j):如果项目 i 和 j 最初来自两个不相交的集合,我们将较短树/不相交集合的代表项目链接到较高树/不相交集合的代表项目(否则,我们什么也不做)。这也是在 O(1) 中完成的。


这是按秩合并启发式在起作用,将导致结果树相对较短。只有当两棵树在联合之前等高(通过启发式比较他们的秩值 - 注意我们并不是比较他们实际的 - 当前的 - 高度),那么结果树的秩将增加一个单位。

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还要注意的是,UnionSet函数中调用了FindSet函数,所以路径压缩也被间接使用。每次路径压缩压缩路径时,至少有一个等级值是不正确的。我们不需要去修正这些等级值,因为它们只是作为UnionSet函数的指导性启发。
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在同样的默认示例中,尝试 UnionSet(9, 12)。由于代表不相交集合 {6, 9} 的树当前较高(根据 rank[6] = 1 的值),因此代表不相交集合 {12} 的较矮的树将被插入到顶点6下,而不会增加合并树的高度。


在同样的默认示例中,尝试 UnionSet(0, 11)。注意,顶点3和顶点5的等级是相同的 rank[3] = rank[5] = 2。因此,我们可以将顶点3放在顶点5下(我们的实现),或者将顶点5放在顶点3下(两者都会使合并树的高度增加1)。注意间接的路径压缩启发式在起作用。

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Quiz: Starting with N=8 disjoint sets, how tall (heuristically) can the resulting final tree if we call 7 UnionSet(i, j) operations strategically?

rank:2
rank:1
rank:4
rank:5
rank:3

Quiz: Starting with N=8 disjoint sets, how short (heuristically) can the resulting final tree if we call 7 UnionSet(i, j) operations strategically?

rank:3
rank:5
rank:1
rank:4
rank:2

讨论:为什么?

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到目前为止,我们说FindSet(i)IsSameSet(i, j)UnionSet(i, j)的运行时间为O(1)。实际上,如果UFDS同时实现了路径压缩按秩合并启发式,它们的运行时间为O(α(N))。这个分析相当复杂,在这个可视化中被跳过。


这个α(N)被称为阿克曼函数的逆函数,它的增长速度极慢。对于这个UFDS数据结构的实际使用(假设N ≤ 1M),我们有α(1M) ≈ 1。

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您已经完成了这个并查集数据结构的基本内容,我们鼓励您进入探索模式,用您自己的例子探索这个简单而有趣的数据结构。

然而,我们还有一些更有趣的并查集挑战给你。
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请看以下C++/Python/Java/OCaml实现的面向对象编程(OOP)方式并查集实现:unionfind_ds.cpp | py | java | ml
你可以根据自己的需要自由地定制这个实现,因为一些较难的问题需要对这个基本实现进行定制。
我确实希望有一天C++/Python/Java/OCaml/其他编程语言能将这种有趣的数据结构纳入他们的基础库。
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关于这个数据结构的一些更有趣的问题,请在并查集训练模块 上练习。
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即使在通过了这个UFDS模块的在线测验后,你认为你已经真正掌握了这种数据结构吗?

让我们来挑战一下你,让你解决两个需要使用并查集的编程问题:UVa 01329 - Corporative NetworkKattis - Control

请注意,这两个问题都是实际的国际大学生程序设计竞赛(ICPC)问题,也就是说,它们是 "不简单的"。
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请注意,并查集数据结构没有 "撤销 "操作。一旦两个不相交的集被合并起来,就不容易再把它们分割成原来的两个集,特别是当路径压缩使合并后的树变平时。

讨论:那么,如果我们需要这种 "拆分 "或 "分割 "或 "切割 "的操作,该怎么做呢?
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Note that if you notice any bug in this visualization or if you want to request for a new visualization feature, do not hesitate to drop an email to the project leader: Dr Steven Halim via his email address: stevenhalim at gmail dot com.

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例子

Initialise(初始化)

FindSet(查找)

IsSameSet(在同一集)

UnionSet

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4个集合

3个集合

Two disjoint sets

1棵等级4的树

N =

items into

M =

disjoint sets

前进

i =

前进

i =
j =

前进

i =
j =

前进

关于 团队 使用条款
隐私政策

关于

VisuAlgo最初由副教授Steven Halim于2011年构思,旨在通过提供自学、互动式学习平台,帮助学生更深入地理解数据结构和算法。

VisuAlgo涵盖了Steven Halim博士与Felix Halim博士、Suhendry Effendy博士合著的书《竞技编程》中讨论的许多高级算法。即使过去十年,VisuAlgo仍然是可视化和动画化这些复杂算法的独家平台。

虽然VisuAlgo主要面向新加坡国立大学(NUS)的学生,包括各种数据结构和算法课程(例如CS1010/等价课程,CS2040/等价课程(包括IT5003),CS3230,CS3233和CS4234),但它也是全球好奇心的宝贵资源,促进在线学习。

最初,VisuAlgo并不适用于智能手机等小触摸屏,因为复杂的算法可视化需要大量的像素空间和点击拖动交互。为了获得最佳用户体验,建议使用最低分辨率为1366x768的屏幕。然而,自2022年4月以来,VisuAlgo的移动(精简)版本已经推出,使得在智能手机屏幕上使用VisuAlgo的部分功能成为可能。

VisuAlgo仍然在不断发展中,正在开发更复杂的可视化。目前,该平台拥有24个可视化模块。

VisuAlgo配备了内置的问题生成器和答案验证器,其“在线测验系统”使学生能够测试他们对基本数据结构和算法的理解。问题根据特定规则随机生成,并且学生提交答案后会自动得到评分。随着越来越多的计算机科学教师在全球范围内采用这种在线测验系统,它可以有效地消除许多大学标准计算机科学考试中手工基本数据结构和算法问题。通过给通过在线测验的学生分配一个小但非零的权重,计算机科学教师可以显著提高学生对这些基本概念的掌握程度,因为他们可以在参加在线测验之前立即验证几乎无限数量的练习题。每个VisuAlgo可视化模块现在都包含自己的在线测验组件。

VisuAlgo已经被翻译成三种主要语言:英语、中文和印尼语。此外,我们还用各种语言撰写了关于VisuAlgo的公开笔记,包括印尼语、韩语、越南语和泰语:

id, kr, vn, th.

团队

项目领导和顾问(2011年7月至今)
Associate Professor Steven Halim, School of Computing (SoC), National University of Singapore (NUS)
Dr Felix Halim, Senior Software Engineer, Google (Mountain View)

本科生研究人员 1
CDTL TEG 1: Jul 2011-Apr 2012: Koh Zi Chun, Victor Loh Bo Huai

最后一年项目/ UROP学生 1
Jul 2012-Dec 2013: Phan Thi Quynh Trang, Peter Phandi, Albert Millardo Tjindradinata, Nguyen Hoang Duy
Jun 2013-Apr 2014 Rose Marie Tan Zhao Yun, Ivan Reinaldo

本科生研究人员 2
CDTL TEG 2: May 2014-Jul 2014: Jonathan Irvin Gunawan, Nathan Azaria, Ian Leow Tze Wei, Nguyen Viet Dung, Nguyen Khac Tung, Steven Kester Yuwono, Cao Shengze, Mohan Jishnu

最后一年项目/ UROP学生 2
Jun 2014-Apr 2015: Erin Teo Yi Ling, Wang Zi
Jun 2016-Dec 2017: Truong Ngoc Khanh, John Kevin Tjahjadi, Gabriella Michelle, Muhammad Rais Fathin Mudzakir
Aug 2021-Apr 2023: Liu Guangyuan, Manas Vegi, Sha Long, Vuong Hoang Long, Ting Xiao, Lim Dewen Aloysius

本科生研究人员 3
Optiver: Aug 2023-Oct 2023: Bui Hong Duc, Oleh Naver, Tay Ngan Lin

最后一年项目/ UROP学生 3
Aug 2023-Apr 2024: Xiong Jingya, Radian Krisno, Ng Wee Han

List of translators who have contributed ≥ 100 translations can be found at statistics page.

致谢
NUS教学与学习发展中心(CDTL)授予拨款以启动这个项目。在2023/24学年,Optiver的慷慨捐赠将被用来进一步开发 VisuAlgo。

使用条款

VisuAlgo慷慨地向全球计算机科学界提供免费服务。如果您喜欢VisuAlgo,我们恳请您向其他计算机科学学生和教师宣传它的存在。您可以通过社交媒体平台(如Facebook、YouTube、Instagram、TikTok、Twitter等)、课程网页、博客评论、电子邮件等方式分享VisuAlgo。

数据结构与算法(DSA)的学生和教师可以直接在课堂上使用本网站。如果您从本网站截取屏幕截图或视频,可以在其他地方使用,但请引用本网站的URL(https://visualgo.net)和/或下面的出版物列表作为参考。但请不要下载VisuAlgo的客户端文件并将其托管在您的网站上,因为这构成了抄袭行为。目前,我们不允许他人分叉此项目或创建VisuAlgo的变体。个人使用离线副本的客户端VisuAlgo是可以接受的。

请注意,VisuAlgo的在线测验组件具有重要的服务器端元素,保存服务器端脚本和数据库并不容易。目前,普通公众只能通过“培训模式”访问在线测验系统。“测试模式”提供了一个更受控制的环境,用于在新加坡国立大学的真实考试中使用随机生成的问题和自动验证。


出版物列表

这项工作曾在2012年国际大学生程序设计竞赛(波兰,华沙)的CLI研讨会上和2012年国际信息学奥林匹克竞赛(意大利,锡尔米奥内-蒙蒂基亚里)的IOI会议上展示过。您可以点击此链接阅读我们2012年关于该系统的论文(当时还没有称为VisuAlgo),以及此链接阅读2015年的简短更新(将VisuAlgo与之前的项目关联起来)。


错误报告或新功能请求

VisuAlgo并不是一个完成的项目。Steven Halim副教授仍在积极改进VisuAlgo。如果您在使用VisuAlgo时发现任何可视化页面/在线测验工具中的错误,或者您想要请求新功能,请联系Steven Halim副教授。他的联系方式是将他的名字连接起来,然后加上gmail dot com。

隐私政策

版本 1.2 (更新于2023年8月18日星期五)。

自2023年8月18日(星期五)起,我们不再使用 Google Analytics。因此,我们现在使用的所有 cookies 仅用于此网站的运营。即使是首次访问的用户,烦人的 cookie 同意弹窗现在也已关闭。

自2023年6月7日(星期五)起,由于 Optiver 的慷慨捐赠,全世界的任何人都可以自行创建一个 VisuAlgo 账户,以存储一些自定义设置(例如,布局模式,默认语言,播放速度等)。

此外,对于 NUS 学生,通过使用 VisuAlgo 账户(一个 NUS 官方电子邮件地址,课堂名册中的学生姓名,以及在服务器端加密的密码 - 不存储其他个人数据),您同意您的课程讲师跟踪您的电子讲义阅读和在线测验培训进度,这是顺利进行课程所必需的。您的 VisuAlgo 账户也将用于参加 NUS 官方的 VisuAlgo 在线测验,因此,将您的账户凭据传递给他人代您进行在线测验构成学术违规。课程结束后,您的用户账户将被清除,除非您选择保留您的账户(OPT-IN)。访问完整的 VisuAlgo 数据库(包含加密密码)的权限仅限于 Halim 教授本人。

对于全球其他已经给 Steven 写过信的 CS 讲师,需要一个 VisuAlgo 账户(您的(非 NUS)电子邮件地址,您可以使用任何显示名称,以及加密密码)来区分您的在线凭据与世界其他地方。您的账户将具有 CS 讲师特定的功能,即能够查看隐藏的幻灯片,这些幻灯片包含了在隐藏幻灯片之前的幻灯片中提出的问题的(有趣的)答案。您还可以访问 VisuAlgo 在线测验的 Hard 设置。您可以自由地使用这些材料来增强您的数据结构和算法课程。请注意,未来可能会有其他 CS 讲师特定的功能。

对于任何拥有 VisuAlgo 账户的人,如果您希望不再与 VisuAlgo 工具有关联,您可以自行删除您的账户。