| [255] | 1 | // -*- C++ -*- | 
|---|
 | 2 | /* | 
|---|
 | 3 |  *template <typename Item,  | 
|---|
 | 4 |  *          typename Prio,  | 
|---|
 | 5 |  *          typename ItemIntMap,  | 
|---|
 | 6 |  *          typename Compare = std::less<Prio> > | 
|---|
 | 7 |  *  | 
|---|
 | 8 |  *constructors: | 
|---|
 | 9 |  * | 
|---|
 | 10 |  *FibHeap(ItemIntMap),   FibHeap(ItemIntMap, Compare) | 
|---|
 | 11 |  * | 
|---|
 | 12 |  *Member functions: | 
|---|
 | 13 |  * | 
|---|
 | 14 |  *int size() : returns the number of elements in the heap | 
|---|
 | 15 |  * | 
|---|
 | 16 |  *bool empty() : true iff size()=0 | 
|---|
 | 17 |  * | 
|---|
 | 18 |  *void set(Item, Prio) : calls push(Item, Prio) if Item is not | 
|---|
 | 19 |  *     in the heap, and calls decrease/increase(Item, Prio) otherwise | 
|---|
 | 20 |  * | 
|---|
 | 21 |  *void push(Item, Prio) : pushes Item to the heap with priority Prio. Item | 
|---|
 | 22 |  *     mustn't be in the heap. | 
|---|
 | 23 |  * | 
|---|
 | 24 |  *Item top() : returns the Item with least Prio.  | 
|---|
 | 25 |  *     Must be called only if heap is nonempty. | 
|---|
 | 26 |  * | 
|---|
 | 27 |  *Prio prio() : returns the least Prio | 
|---|
 | 28 |  *     Must be called only if heap is nonempty. | 
|---|
 | 29 |  * | 
|---|
 | 30 |  *Prio get(Item) : returns Prio of Item | 
|---|
 | 31 |  *     Must be called only if Item is in heap. | 
|---|
 | 32 |  * | 
|---|
 | 33 |  *void pop() : deletes the Item with least Prio | 
|---|
 | 34 |  * | 
|---|
 | 35 |  *void erase(Item) : deletes Item from the heap if it was already there | 
|---|
 | 36 |  * | 
|---|
 | 37 |  *void decrease(Item, P) : decreases prio of Item to P.  | 
|---|
 | 38 |  *     Item must be in the heap with prio at least P. | 
|---|
 | 39 |  * | 
|---|
 | 40 |  *void increase(Item, P) : sets prio of Item to P.  | 
|---|
 | 41 |  * | 
|---|
 | 42 |  *state_enum state(Item) : returns PRE_HEAP if Item has not been in the  | 
|---|
 | 43 |  *     heap until now, IN_HEAP if it is in the heap at the moment, and  | 
|---|
 | 44 |  *     POST_HEAP otherwise. In the latter case it is possible that Item | 
|---|
 | 45 |  *     will get back to the heap again.  | 
|---|
 | 46 |  * | 
|---|
 | 47 |  *In Fibonacci heaps, increase and erase are not efficient, in case of | 
|---|
 | 48 |  *many calls to these operations, it is better to use bin_heap. | 
|---|
 | 49 |  */ | 
|---|
 | 50 |  | 
|---|
 | 51 | #ifndef FIB_HEAP_H | 
|---|
 | 52 | #define FIB_HEAP_H | 
|---|
 | 53 |  | 
|---|
 | 54 | ///\file | 
|---|
 | 55 | ///\brief Fibonacci Heap implementation. | 
|---|
 | 56 |  | 
|---|
 | 57 | #include <vector> | 
|---|
 | 58 | #include <functional> | 
|---|
 | 59 | #include <math.h> | 
|---|
 | 60 |  | 
|---|
 | 61 | namespace hugo { | 
|---|
 | 62 |    | 
|---|
 | 63 |   /// A Fibonacci Heap implementation. | 
|---|
 | 64 |   template <typename Item, typename Prio, typename ItemIntMap,  | 
|---|
 | 65 |             typename Compare = std::less<Prio> > | 
|---|
 | 66 |   class FibHeap { | 
|---|
 | 67 |      | 
|---|
 | 68 |     typedef Prio PrioType; | 
|---|
 | 69 |      | 
|---|
 | 70 |     class store; | 
|---|
 | 71 |      | 
|---|
 | 72 |     std::vector<store> container; | 
|---|
 | 73 |     int minimum; | 
|---|
 | 74 |     ItemIntMap &iimap; | 
|---|
 | 75 |     Compare comp; | 
|---|
 | 76 |     int num_items; | 
|---|
 | 77 |  | 
|---|
 | 78 |     ///\todo It is use nowhere | 
|---|
 | 79 |     ///\todo It doesn't conform to the naming conventions. | 
|---|
 | 80 |   public: | 
|---|
 | 81 |     enum state_enum { | 
|---|
 | 82 |       IN_HEAP = 0, | 
|---|
 | 83 |       PRE_HEAP = -1, | 
|---|
 | 84 |       POST_HEAP = -2 | 
|---|
 | 85 |     }; | 
|---|
 | 86 |      | 
|---|
 | 87 |   public : | 
|---|
 | 88 |      | 
|---|
 | 89 |     FibHeap(ItemIntMap &_iimap) : minimum(), iimap(_iimap), num_items() {}  | 
|---|
 | 90 |     FibHeap(ItemIntMap &_iimap, const Compare &_comp) : minimum(),  | 
|---|
 | 91 |       iimap(_iimap), comp(_comp), num_items() {} | 
|---|
 | 92 |      | 
|---|
 | 93 |      | 
|---|
 | 94 |     int size() const { | 
|---|
 | 95 |       return num_items;  | 
|---|
 | 96 |     } | 
|---|
 | 97 |  | 
|---|
 | 98 |  | 
|---|
 | 99 |     bool empty() const { return num_items==0; } | 
|---|
 | 100 |  | 
|---|
 | 101 |  | 
|---|
 | 102 |     void set (Item const it, PrioType const value) { | 
|---|
 | 103 |       int i=iimap[it]; | 
|---|
 | 104 |       if ( i >= 0 && container[i].in ) { | 
|---|
 | 105 |         if ( comp(value, container[i].prio) ) decrease(it, value);  | 
|---|
 | 106 |         if ( comp(container[i].prio, value) ) increase(it, value);  | 
|---|
 | 107 |       } else push(it, value); | 
|---|
 | 108 |     } | 
|---|
 | 109 |      | 
|---|
 | 110 |  | 
|---|
 | 111 |     void push (Item const it, PrioType const value) { | 
|---|
 | 112 |       int i=iimap[it];       | 
|---|
 | 113 |       if ( i < 0 ) { | 
|---|
 | 114 |         int s=container.size(); | 
|---|
 | 115 |         iimap.set( it, s );      | 
|---|
 | 116 |         store st; | 
|---|
 | 117 |         st.name=it; | 
|---|
 | 118 |         container.push_back(st); | 
|---|
 | 119 |         i=s; | 
|---|
 | 120 |       } else { | 
|---|
 | 121 |         container[i].parent=container[i].child=-1; | 
|---|
 | 122 |         container[i].degree=0; | 
|---|
 | 123 |         container[i].in=true; | 
|---|
 | 124 |         container[i].marked=false; | 
|---|
 | 125 |       } | 
|---|
 | 126 |  | 
|---|
 | 127 |       if ( num_items ) { | 
|---|
 | 128 |         container[container[minimum].right_neighbor].left_neighbor=i; | 
|---|
 | 129 |         container[i].right_neighbor=container[minimum].right_neighbor; | 
|---|
 | 130 |         container[minimum].right_neighbor=i; | 
|---|
 | 131 |         container[i].left_neighbor=minimum; | 
|---|
 | 132 |         if ( comp( value, container[minimum].prio) ) minimum=i;  | 
|---|
 | 133 |       } else { | 
|---|
 | 134 |         container[i].right_neighbor=container[i].left_neighbor=i; | 
|---|
 | 135 |         minimum=i;       | 
|---|
 | 136 |       } | 
|---|
 | 137 |       container[i].prio=value; | 
|---|
 | 138 |       ++num_items; | 
|---|
 | 139 |     } | 
|---|
 | 140 |      | 
|---|
 | 141 |  | 
|---|
 | 142 |     Item top() const { | 
|---|
 | 143 |       return container[minimum].name; | 
|---|
 | 144 |     } | 
|---|
 | 145 |      | 
|---|
 | 146 |      | 
|---|
 | 147 |     PrioType prio() const { | 
|---|
 | 148 |       return container[minimum].prio; | 
|---|
 | 149 |     } | 
|---|
 | 150 |      | 
|---|
 | 151 |  | 
|---|
 | 152 |  | 
|---|
 | 153 |  | 
|---|
 | 154 |     PrioType& operator[](const Item& it) { | 
|---|
 | 155 |       return container[iimap[it]].prio; | 
|---|
 | 156 |     } | 
|---|
 | 157 |      | 
|---|
 | 158 |     const PrioType& operator[](const Item& it) const { | 
|---|
 | 159 |       return container[iimap[it]].prio; | 
|---|
 | 160 |     } | 
|---|
 | 161 |  | 
|---|
 | 162 | //     const PrioType get(const Item& it) const { | 
|---|
 | 163 | //       return container[iimap[it]].prio; | 
|---|
 | 164 | //     } | 
|---|
 | 165 |  | 
|---|
 | 166 |     void pop() { | 
|---|
 | 167 |       /*The first case is that there are only one root.*/ | 
|---|
 | 168 |       if ( container[minimum].left_neighbor==minimum ) { | 
|---|
 | 169 |         container[minimum].in=false; | 
|---|
 | 170 |         if ( container[minimum].degree!=0 ) {  | 
|---|
 | 171 |           makeroot(container[minimum].child); | 
|---|
 | 172 |           minimum=container[minimum].child; | 
|---|
 | 173 |           balance(); | 
|---|
 | 174 |         } | 
|---|
 | 175 |       } else { | 
|---|
 | 176 |         int right=container[minimum].right_neighbor; | 
|---|
 | 177 |         unlace(minimum); | 
|---|
 | 178 |         container[minimum].in=false; | 
|---|
 | 179 |         if ( container[minimum].degree > 0 ) { | 
|---|
 | 180 |           int left=container[minimum].left_neighbor; | 
|---|
 | 181 |           int child=container[minimum].child; | 
|---|
 | 182 |           int last_child=container[child].left_neighbor; | 
|---|
 | 183 |          | 
|---|
 | 184 |           makeroot(child); | 
|---|
 | 185 |            | 
|---|
 | 186 |           container[left].right_neighbor=child; | 
|---|
 | 187 |           container[child].left_neighbor=left; | 
|---|
 | 188 |           container[right].left_neighbor=last_child; | 
|---|
 | 189 |           container[last_child].right_neighbor=right; | 
|---|
 | 190 |         } | 
|---|
 | 191 |         minimum=right; | 
|---|
 | 192 |         balance(); | 
|---|
 | 193 |       } // the case where there are more roots | 
|---|
 | 194 |       --num_items;    | 
|---|
 | 195 |     } | 
|---|
 | 196 |  | 
|---|
 | 197 |      | 
|---|
 | 198 |     void erase (const Item& it) { | 
|---|
 | 199 |       int i=iimap[it]; | 
|---|
 | 200 |        | 
|---|
 | 201 |       if ( i >= 0 && container[i].in ) {         | 
|---|
 | 202 |         if ( container[i].parent!=-1 ) { | 
|---|
 | 203 |           int p=container[i].parent; | 
|---|
 | 204 |           cut(i,p);          | 
|---|
 | 205 |           cascade(p); | 
|---|
 | 206 |         } | 
|---|
 | 207 |         minimum=i;     //As if its prio would be -infinity | 
|---|
 | 208 |         pop(); | 
|---|
 | 209 |       } | 
|---|
 | 210 |     } | 
|---|
 | 211 |      | 
|---|
 | 212 |  | 
|---|
 | 213 |     void decrease (Item it, PrioType const value) { | 
|---|
 | 214 |       int i=iimap[it]; | 
|---|
 | 215 |       container[i].prio=value; | 
|---|
 | 216 |       int p=container[i].parent; | 
|---|
 | 217 |        | 
|---|
 | 218 |       if ( p!=-1 && comp(value, container[p].prio) ) { | 
|---|
 | 219 |         cut(i,p);            | 
|---|
 | 220 |         cascade(p); | 
|---|
 | 221 |       }       | 
|---|
 | 222 |       if ( comp(value, container[minimum].prio) ) minimum=i;  | 
|---|
 | 223 |     } | 
|---|
 | 224 |     | 
|---|
 | 225 |  | 
|---|
 | 226 |     void increase (Item it, PrioType const value) { | 
|---|
 | 227 |       erase(it); | 
|---|
 | 228 |       push(it, value); | 
|---|
 | 229 |     } | 
|---|
 | 230 |  | 
|---|
 | 231 |  | 
|---|
 | 232 |     state_enum state(const Item &it) const { | 
|---|
 | 233 |       int i=iimap[it]; | 
|---|
 | 234 |       if( i>=0 ) { | 
|---|
 | 235 |         if ( container[i].in ) i=0; | 
|---|
 | 236 |         else i=-2;  | 
|---|
 | 237 |       } | 
|---|
 | 238 |       return state_enum(i); | 
|---|
 | 239 |     } | 
|---|
 | 240 |  | 
|---|
 | 241 |  | 
|---|
 | 242 |   private: | 
|---|
 | 243 |      | 
|---|
 | 244 |     void balance() {       | 
|---|
 | 245 |  | 
|---|
 | 246 |     int maxdeg=int( floor( 2.08*log(double(container.size()))))+1; | 
|---|
 | 247 |    | 
|---|
 | 248 |     std::vector<int> A(maxdeg,-1);  | 
|---|
 | 249 |      | 
|---|
 | 250 |     /* | 
|---|
 | 251 |      *Recall that now minimum does not point to the minimum prio element. | 
|---|
 | 252 |      *We set minimum to this during balance(). | 
|---|
 | 253 |      */ | 
|---|
 | 254 |     int anchor=container[minimum].left_neighbor;  | 
|---|
 | 255 |     int next=minimum;  | 
|---|
 | 256 |     bool end=false;  | 
|---|
 | 257 |          | 
|---|
 | 258 |        do { | 
|---|
 | 259 |         int active=next; | 
|---|
 | 260 |         if ( anchor==active ) end=true; | 
|---|
 | 261 |         int d=container[active].degree; | 
|---|
 | 262 |         next=container[active].right_neighbor; | 
|---|
 | 263 |  | 
|---|
 | 264 |         while (A[d]!=-1) {         | 
|---|
 | 265 |           if( comp(container[active].prio, container[A[d]].prio) ) { | 
|---|
 | 266 |             fuse(active,A[d]);  | 
|---|
 | 267 |           } else {  | 
|---|
 | 268 |             fuse(A[d],active); | 
|---|
 | 269 |             active=A[d]; | 
|---|
 | 270 |           }  | 
|---|
 | 271 |           A[d]=-1; | 
|---|
 | 272 |           ++d; | 
|---|
 | 273 |         }        | 
|---|
 | 274 |         A[d]=active; | 
|---|
 | 275 |        } while ( !end ); | 
|---|
 | 276 |  | 
|---|
 | 277 |  | 
|---|
 | 278 |        while ( container[minimum].parent >=0 ) minimum=container[minimum].parent; | 
|---|
 | 279 |        int s=minimum; | 
|---|
 | 280 |        int m=minimum; | 
|---|
 | 281 |        do {   | 
|---|
 | 282 |          if ( comp(container[s].prio, container[minimum].prio) ) minimum=s; | 
|---|
 | 283 |          s=container[s].right_neighbor; | 
|---|
 | 284 |        } while ( s != m ); | 
|---|
 | 285 |     } | 
|---|
 | 286 |  | 
|---|
 | 287 |  | 
|---|
 | 288 |     void makeroot (int c) { | 
|---|
 | 289 |       int s=c; | 
|---|
 | 290 |       do {   | 
|---|
 | 291 |         container[s].parent=-1; | 
|---|
 | 292 |         s=container[s].right_neighbor; | 
|---|
 | 293 |       } while ( s != c ); | 
|---|
 | 294 |     } | 
|---|
 | 295 |      | 
|---|
 | 296 |  | 
|---|
 | 297 |     void cut (int a, int b) {     | 
|---|
 | 298 |       /* | 
|---|
 | 299 |        *Replacing a from the children of b. | 
|---|
 | 300 |        */ | 
|---|
 | 301 |       --container[b].degree; | 
|---|
 | 302 |        | 
|---|
 | 303 |       if ( container[b].degree !=0 ) { | 
|---|
 | 304 |         int child=container[b].child; | 
|---|
 | 305 |         if ( child==a )  | 
|---|
 | 306 |           container[b].child=container[child].right_neighbor; | 
|---|
 | 307 |         unlace(a); | 
|---|
 | 308 |       } | 
|---|
 | 309 |        | 
|---|
 | 310 |        | 
|---|
 | 311 |       /*Lacing a to the roots.*/ | 
|---|
 | 312 |       int right=container[minimum].right_neighbor; | 
|---|
 | 313 |       container[minimum].right_neighbor=a; | 
|---|
 | 314 |       container[a].left_neighbor=minimum; | 
|---|
 | 315 |       container[a].right_neighbor=right; | 
|---|
 | 316 |       container[right].left_neighbor=a; | 
|---|
 | 317 |  | 
|---|
 | 318 |       container[a].parent=-1; | 
|---|
 | 319 |       container[a].marked=false; | 
|---|
 | 320 |     } | 
|---|
 | 321 |  | 
|---|
 | 322 |  | 
|---|
 | 323 |     void cascade (int a)  | 
|---|
 | 324 |     { | 
|---|
 | 325 |       if ( container[a].parent!=-1 ) { | 
|---|
 | 326 |         int p=container[a].parent; | 
|---|
 | 327 |          | 
|---|
 | 328 |         if ( container[a].marked==false ) container[a].marked=true; | 
|---|
 | 329 |         else { | 
|---|
 | 330 |           cut(a,p); | 
|---|
 | 331 |           cascade(p); | 
|---|
 | 332 |         } | 
|---|
 | 333 |       } | 
|---|
 | 334 |     } | 
|---|
 | 335 |  | 
|---|
 | 336 |  | 
|---|
 | 337 |     void fuse (int a, int b) { | 
|---|
 | 338 |       unlace(b); | 
|---|
 | 339 |        | 
|---|
 | 340 |       /*Lacing b under a.*/ | 
|---|
 | 341 |       container[b].parent=a; | 
|---|
 | 342 |  | 
|---|
 | 343 |       if (container[a].degree==0) { | 
|---|
 | 344 |         container[b].left_neighbor=b; | 
|---|
 | 345 |         container[b].right_neighbor=b; | 
|---|
 | 346 |         container[a].child=b;    | 
|---|
 | 347 |       } else { | 
|---|
 | 348 |         int child=container[a].child; | 
|---|
 | 349 |         int last_child=container[child].left_neighbor; | 
|---|
 | 350 |         container[child].left_neighbor=b; | 
|---|
 | 351 |         container[b].right_neighbor=child; | 
|---|
 | 352 |         container[last_child].right_neighbor=b; | 
|---|
 | 353 |         container[b].left_neighbor=last_child; | 
|---|
 | 354 |       } | 
|---|
 | 355 |  | 
|---|
 | 356 |       ++container[a].degree; | 
|---|
 | 357 |        | 
|---|
 | 358 |       container[b].marked=false; | 
|---|
 | 359 |     } | 
|---|
 | 360 |  | 
|---|
 | 361 |  | 
|---|
 | 362 |     /* | 
|---|
 | 363 |      *It is invoked only if a has siblings. | 
|---|
 | 364 |      */ | 
|---|
 | 365 |     void unlace (int a) {       | 
|---|
 | 366 |       int leftn=container[a].left_neighbor; | 
|---|
 | 367 |       int rightn=container[a].right_neighbor; | 
|---|
 | 368 |       container[leftn].right_neighbor=rightn; | 
|---|
 | 369 |       container[rightn].left_neighbor=leftn; | 
|---|
 | 370 |     } | 
|---|
 | 371 |  | 
|---|
 | 372 |  | 
|---|
 | 373 |     class store { | 
|---|
 | 374 |       friend class FibHeap; | 
|---|
 | 375 |        | 
|---|
 | 376 |       Item name; | 
|---|
 | 377 |       int parent; | 
|---|
 | 378 |       int left_neighbor; | 
|---|
 | 379 |       int right_neighbor; | 
|---|
 | 380 |       int child; | 
|---|
 | 381 |       int degree;   | 
|---|
 | 382 |       bool marked; | 
|---|
 | 383 |       bool in; | 
|---|
 | 384 |       PrioType prio; | 
|---|
 | 385 |  | 
|---|
 | 386 |       store() : parent(-1), child(-1), degree(), marked(false), in(true) {}  | 
|---|
 | 387 |     }; | 
|---|
 | 388 |      | 
|---|
 | 389 |   }; | 
|---|
 | 390 |    | 
|---|
 | 391 | } //namespace hugo | 
|---|
 | 392 | #endif  | 
|---|