COIN-OR::LEMON - Graph Library

source: lemon-0.x/src/work/edmonds_karp.h @ 191:efea403c9595

Last change on this file since 191:efea403c9595 was 191:efea403c9595, checked in by marci, 16 years ago

.

File size: 18.4 KB
Line 
1// -*- c++ -*-
2#ifndef EDMONDS_KARP_H
3#define EDMONDS_KARP_H
4
5#include <algorithm>
6#include <list>
7#include <iterator>
8
9#include <bfs_iterator.h>
10#include <invalid.h>
11
12namespace hugo {
13
14  template<typename Graph, typename Number, typename FlowMap, typename CapacityMap>
15  class ResGraph {
16  public:
17    typedef typename Graph::Node Node;
18    typedef typename Graph::NodeIt NodeIt;
19  private:
20    typedef typename Graph::SymEdgeIt OldSymEdgeIt;
21    const Graph& G;
22    FlowMap& flow;
23    const CapacityMap& capacity;
24  public:
25    ResGraph(const Graph& _G, FlowMap& _flow,
26             const CapacityMap& _capacity) :
27      G(_G), flow(_flow), capacity(_capacity) { }
28
29    class Edge;
30    class OutEdgeIt;
31    friend class Edge;
32    friend class OutEdgeIt;
33
34    class Edge {
35      friend class ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>;
36    protected:
37      const ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>* resG;
38      OldSymEdgeIt sym;
39    public:
40      Edge() { }
41      //Edge(const Edge& e) : resG(e.resG), sym(e.sym) { }
42      Number free() const {
43        if (resG->G.aNode(sym)==resG->G.tail(sym)) {
44          return (resG->capacity.get(sym)-resG->flow.get(sym));
45        } else {
46          return (resG->flow.get(sym));
47        }
48      }
49      bool valid() const { return sym.valid(); }
50      void augment(Number a) const {
51        if (resG->G.aNode(sym)==resG->G.tail(sym)) {
52          resG->flow.set(sym, resG->flow.get(sym)+a);
53          //resG->flow[sym]+=a;
54        } else {
55          resG->flow.set(sym, resG->flow.get(sym)-a);
56          //resG->flow[sym]-=a;
57        }
58      }
59    };
60
61    class OutEdgeIt : public Edge {
62      friend class ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>;
63    public:
64      OutEdgeIt() { }
65      //OutEdgeIt(const OutEdgeIt& e) { resG=e.resG; sym=e.sym; }
66    private:
67      OutEdgeIt(const ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _resG, Node v) {
68        resG=&_resG;
69        sym=resG->G.template first<OldSymEdgeIt>(v);
70        while( sym.valid() && !(free()>0) ) { ++sym; }
71      }
72    public:
73      OutEdgeIt& operator++() {
74        ++sym;
75        while( sym.valid() && !(free()>0) ) { ++sym; }
76        return *this;
77      }
78    };
79
80    void /*getF*/first(OutEdgeIt& e, Node v) const {
81      e=OutEdgeIt(*this, v);
82    }
83    void /*getF*/first(NodeIt& v) const { G./*getF*/first(v); }
84   
85    template< typename It >
86    It first() const {
87      It e;     
88      /*getF*/first(e);
89      return e;
90    }
91
92    template< typename It >
93    It first(Node v) const {
94      It e;
95      /*getF*/first(e, v);
96      return e;
97    }
98
99    Node tail(Edge e) const { return G.aNode(e.sym); }
100    Node head(Edge e) const { return G.bNode(e.sym); }
101
102    Node aNode(OutEdgeIt e) const { return G.aNode(e.sym); }
103    Node bNode(OutEdgeIt e) const { return G.bNode(e.sym); }
104
105    int id(Node v) const { return G.id(v); }
106
107    template <typename S>
108    class NodeMap {
109      typename Graph::NodeMap<S> node_map;
110    public:
111      NodeMap(const ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _G) : node_map(_G.G) { }
112      NodeMap(const ResGraph<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _G, S a) : node_map(_G.G, a) { }
113      void set(Node nit, S a) { node_map.set(nit, a); }
114      S get(Node nit) const { return node_map.get(nit); }
115      S& operator[](Node nit) { return node_map[nit]; }
116      const S& operator[](Node nit) const { return node_map[nit]; }
117    };
118
119  };
120
121
122  template<typename Graph, typename Number, typename FlowMap, typename CapacityMap>
123  class ResGraph2 {
124  public:
125    typedef typename Graph::Node Node;
126    typedef typename Graph::NodeIt NodeIt;
127  private:
128    //typedef typename Graph::SymEdgeIt OldSymEdgeIt;
129    typedef typename Graph::OutEdgeIt OldOutEdgeIt;
130    typedef typename Graph::InEdgeIt OldInEdgeIt;
131   
132    const Graph& G;
133    FlowMap& flow;
134    const CapacityMap& capacity;
135  public:
136    ResGraph2(const Graph& _G, FlowMap& _flow,
137             const CapacityMap& _capacity) :
138      G(_G), flow(_flow), capacity(_capacity) { }
139
140    class Edge;
141    class OutEdgeIt;
142    friend class Edge;
143    friend class OutEdgeIt;
144
145    class Edge {
146      friend class ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>;
147    protected:
148      const ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>* resG;
149      //OldSymEdgeIt sym;
150      OldOutEdgeIt out;
151      OldInEdgeIt in;
152      bool out_or_in; //true, iff out
153    public:
154      Edge() : out_or_in(true) { }
155      Number free() const {
156        if (out_or_in) {
157          return (resG->capacity.get(out)-resG->flow.get(out));
158        } else {
159          return (resG->flow.get(in));
160        }
161      }
162      bool valid() const {
163        return out_or_in && out.valid() || in.valid(); }
164      void augment(Number a) const {
165        if (out_or_in) {
166          resG->flow.set(out, resG->flow.get(out)+a);
167        } else {
168          resG->flow.set(in, resG->flow.get(in)-a);
169        }
170      }
171    };
172
173    class OutEdgeIt : public Edge {
174      friend class ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>;
175    public:
176      OutEdgeIt() { }
177    private:
178      OutEdgeIt(const ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _resG, Node v) {
179        resG=&_resG;
180        out=resG->G.template first<OldOutEdgeIt>(v);
181        while( out.valid() && !(free()>0) ) { ++out; }
182        if (!out.valid()) {
183          out_or_in=0;
184          in=resG->G.template first<OldInEdgeIt>(v);
185          while( in.valid() && !(free()>0) ) { ++in; }
186        }
187      }
188    public:
189      OutEdgeIt& operator++() {
190        if (out_or_in) {
191          Node v=resG->G.aNode(out);
192          ++out;
193          while( out.valid() && !(free()>0) ) { ++out; }
194          if (!out.valid()) {
195            out_or_in=0;
196            in=resG->G.template first<OldInEdgeIt>(v);
197            while( in.valid() && !(free()>0) ) { ++in; }
198          }
199        } else {
200          ++in;
201          while( in.valid() && !(free()>0) ) { ++in; }
202        }
203        return *this;
204      }
205    };
206
207    void /*getF*/first(OutEdgeIt& e, Node v) const {
208      e=OutEdgeIt(*this, v);
209    }
210    void /*getF*/first(NodeIt& v) const { G./*getF*/first(v); }
211   
212    template< typename It >
213    It first() const {
214      It e;
215      /*getF*/first(e);
216      return e;
217    }
218
219    template< typename It >
220    It first(Node v) const {
221      It e;
222      /*getF*/first(e, v);
223      return e;
224    }
225
226    Node tail(Edge e) const {
227      return ((e.out_or_in) ? G.aNode(e.out) : G.aNode(e.in)); }
228    Node head(Edge e) const {
229      return ((e.out_or_in) ? G.bNode(e.out) : G.bNode(e.in)); }
230
231    Node aNode(OutEdgeIt e) const {
232      return ((e.out_or_in) ? G.aNode(e.out) : G.aNode(e.in)); }
233    Node bNode(OutEdgeIt e) const {
234      return ((e.out_or_in) ? G.bNode(e.out) : G.bNode(e.in)); }
235
236    int id(Node v) const { return G.id(v); }
237
238    template <typename S>
239    class NodeMap {
240      typename Graph::NodeMap<S> node_map;
241    public:
242      NodeMap(const ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _G) : node_map(_G.G) { }
243      NodeMap(const ResGraph2<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>& _G, S a) : node_map(_G.G, a) { }
244      void set(Node nit, S a) { node_map.set(nit, a); }
245      S get(Node nit) const { return node_map.get(nit); }
246    };
247  };
248
249
250  template <typename Graph, typename Number, typename FlowMap, typename CapacityMap>
251  class MaxFlow {
252  public:
253    typedef typename Graph::Node Node;
254    typedef typename Graph::Edge Edge;
255    typedef typename Graph::EdgeIt EdgeIt;
256    typedef typename Graph::OutEdgeIt OutEdgeIt;
257    typedef typename Graph::InEdgeIt InEdgeIt;
258
259  private:
260    const Graph* G;
261    Node s;
262    Node t;
263    FlowMap* flow;
264    const CapacityMap* capacity;
265    typedef ResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap > AugGraph;
266    typedef typename AugGraph::OutEdgeIt AugOutEdgeIt;
267    typedef typename AugGraph::Edge AugEdge;
268
269  public:
270    MaxFlow(const Graph& _G, Node _s, Node _t, FlowMap& _flow, const CapacityMap& _capacity) :
271      G(&_G), s(_s), t(_t), flow(&_flow), capacity(&_capacity) { }
272    bool augmentOnShortestPath() {
273      AugGraph res_graph(*G, *flow, *capacity);
274      bool _augment=false;
275     
276      typedef typename AugGraph::NodeMap<bool> ReachedMap;
277      BfsIterator5< AugGraph, /*AugOutEdgeIt,*/ ReachedMap > res_bfs(res_graph);
278      res_bfs.pushAndSetReached(s);
279       
280      typename AugGraph::NodeMap<AugEdge> pred(res_graph);
281      pred.set(s, AugEdge(INVALID));
282     
283      typename AugGraph::NodeMap<Number> free(res_graph);
284       
285      //searching for augmenting path
286      while ( !res_bfs.finished() ) {
287        AugOutEdgeIt e=res_bfs;
288        if (res_graph.valid(e) && res_bfs.isBNodeNewlyReached()) {
289          Node v=res_graph.tail(e);
290          Node w=res_graph.head(e);
291          pred.set(w, e);
292          if (res_graph.valid(pred.get(v))) {
293            free.set(w, std::min(free.get(v), res_graph.free(e)));
294          } else {
295            free.set(w, res_graph.free(e));
296          }
297          if (res_graph.head(e)==t) { _augment=true; break; }
298        }
299       
300        ++res_bfs;
301      } //end of searching augmenting path
302
303      if (_augment) {
304        Node n=t;
305        Number augment_value=free.get(t);
306        while (res_graph.valid(pred.get(n))) {
307          AugEdge e=pred.get(n);
308          res_graph.augment(e, augment_value);
309          n=res_graph.tail(e);
310        }
311      }
312
313      return _augment;
314    }
315
316    template<typename MutableGraph> bool augmentOnBlockingFlow() {     
317      bool _augment=false;
318
319      AugGraph res_graph(*G, *flow, *capacity);
320
321      typedef typename AugGraph::NodeMap<bool> ReachedMap;
322      BfsIterator4< AugGraph, AugOutEdgeIt, ReachedMap > bfs(res_graph);
323
324      bfs.pushAndSetReached(s);
325      typename AugGraph::NodeMap<int> dist(res_graph); //filled up with 0's
326      while ( !bfs.finished() ) {
327        AugOutEdgeIt e=bfs;
328        if (res_graph.valid(e) && bfs.isBNodeNewlyReached()) {
329          dist.set(res_graph.head(e), dist.get(res_graph.tail(e))+1);
330        }
331       
332        ++bfs;
333      } //computing distances from s in the residual graph
334
335      MutableGraph F;
336      typename AugGraph::NodeMap<typename MutableGraph::Node>
337        res_graph_to_F(res_graph);
338      for(typename AugGraph::NodeIt n=res_graph.template first<typename AugGraph::NodeIt>(); res_graph.valid(n); res_graph.next(n)) {
339        res_graph_to_F.set(n, F.addNode());
340      }
341     
342      typename MutableGraph::Node sF=res_graph_to_F.get(s);
343      typename MutableGraph::Node tF=res_graph_to_F.get(t);
344
345      typename MutableGraph::EdgeMap<AugEdge> original_edge(F);
346      typename MutableGraph::EdgeMap<Number> residual_capacity(F);
347
348      //Making F to the graph containing the edges of the residual graph
349      //which are in some shortest paths
350      for(typename AugGraph::EdgeIt e=res_graph.template first<typename AugGraph::EdgeIt>(); res_graph.valid(e); res_graph.next(e)) {
351        if (dist.get(res_graph.head(e))==dist.get(res_graph.tail(e))+1) {
352          typename MutableGraph::Edge f=F.addEdge(res_graph_to_F.get(res_graph.tail(e)), res_graph_to_F.get(res_graph.head(e)));
353          original_edge.update();
354          original_edge.set(f, e);
355          residual_capacity.update();
356          residual_capacity.set(f, res_graph.free(e));
357        }
358      }
359
360      bool __augment=true;
361
362      while (__augment) {
363        __augment=false;
364        //computing blocking flow with dfs
365        typedef typename MutableGraph::NodeMap<bool> BlockingReachedMap;
366        DfsIterator4< MutableGraph, typename MutableGraph::OutEdgeIt, BlockingReachedMap > dfs(F);
367        typename MutableGraph::NodeMap<typename MutableGraph::Edge> pred(F);
368        pred.set(sF, typename MutableGraph::Edge(INVALID));
369        //invalid iterators for sources
370
371        typename MutableGraph::NodeMap<Number> free(F);
372
373        dfs.pushAndSetReached(sF);     
374        while (!dfs.finished()) {
375          ++dfs;
376          if (F.valid(typename MutableGraph::OutEdgeIt(dfs))) {
377            if (dfs.isBNodeNewlyReached()) {
378              typename MutableGraph::Node v=F.aNode(dfs);
379              typename MutableGraph::Node w=F.bNode(dfs);
380              pred.set(w, dfs);
381              if (F.valid(pred.get(v))) {
382                free.set(w, std::min(free.get(v), residual_capacity.get(dfs)));
383              } else {
384                free.set(w, residual_capacity.get(dfs));
385              }
386              if (w==tF) {
387                __augment=true;
388                _augment=true;
389                break;
390              }
391             
392            } else {
393              F.erase(typename MutableGraph::OutEdgeIt(dfs));
394            }
395          }
396        }
397
398        if (__augment) {
399          typename MutableGraph::Node n=tF;
400          Number augment_value=free.get(tF);
401          while (F.valid(pred.get(n))) {
402            typename MutableGraph::Edge e=pred.get(n);
403            res_graph.augment(original_edge.get(e), augment_value);
404            n=F.tail(e);
405            if (residual_capacity.get(e)==augment_value)
406              F.erase(e);
407            else
408              residual_capacity.set(e, residual_capacity.get(e)-augment_value);
409          }
410        }
411       
412      }
413           
414      return _augment;
415    }
416    bool augmentOnBlockingFlow2() {
417      bool _augment=false;
418
419      //typedef ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap> EAugGraph;
420      typedef FilterGraphWrapper< ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap> > EAugGraph;
421      typedef typename EAugGraph::OutEdgeIt EAugOutEdgeIt;
422      typedef typename EAugGraph::Edge EAugEdge;
423
424      EAugGraph res_graph(*G, *flow, *capacity);
425
426      //typedef typename EAugGraph::NodeMap<bool> ReachedMap;
427      BfsIterator4<
428        ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>,
429        typename ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>::OutEdgeIt,
430        ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>::NodeMap<bool> > bfs(res_graph);
431     
432      bfs.pushAndSetReached(s);
433
434      typename ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>::
435        NodeMap<int>& dist=res_graph.dist;
436
437      while ( !bfs.finished() ) {
438        typename ErasingResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap>::OutEdgeIt e=bfs;
439        if (res_graph.valid(e) && bfs.isBNodeNewlyReached()) {
440          dist.set(res_graph.head(e), dist.get(res_graph.tail(e))+1);
441        }
442        ++bfs; 
443      } //computing distances from s in the residual graph
444
445      bool __augment=true;
446
447      while (__augment) {
448
449        __augment=false;
450        //computing blocking flow with dfs
451        typedef typename EAugGraph::NodeMap<bool> BlockingReachedMap;
452        DfsIterator4< EAugGraph, EAugOutEdgeIt, BlockingReachedMap >
453          dfs(res_graph);
454        typename EAugGraph::NodeMap<EAugEdge> pred(res_graph);
455        pred.set(s, EAugEdge(INVALID));
456        //invalid iterators for sources
457
458        typename EAugGraph::NodeMap<Number> free(res_graph);
459
460        dfs.pushAndSetReached(s);
461        while (!dfs.finished()) {
462          ++dfs;
463          if (res_graph.valid(EAugOutEdgeIt(dfs))) {
464            if (dfs.isBNodeNewlyReached()) {
465         
466              typename EAugGraph::Node v=res_graph.aNode(dfs);
467              typename EAugGraph::Node w=res_graph.bNode(dfs);
468
469              pred.set(w, EAugOutEdgeIt(dfs));
470              if (res_graph.valid(pred.get(v))) {
471                free.set(w, std::min(free.get(v), res_graph.free(dfs)));
472              } else {
473                free.set(w, res_graph.free(dfs));
474              }
475             
476              if (w==t) {
477                __augment=true;
478                _augment=true;
479                break;
480              }
481            } else {
482              res_graph.erase(dfs);
483            }
484          }
485
486        }
487
488        if (__augment) {
489          typename EAugGraph::Node n=t;
490          Number augment_value=free.get(t);
491          while (res_graph.valid(pred.get(n))) {
492            EAugEdge e=pred.get(n);
493            res_graph.augment(e, augment_value);
494            n=res_graph.tail(e);
495            if (res_graph.free(e)==0)
496              res_graph.erase(e);
497          }
498        }
499     
500      }
501           
502      return _augment;
503    }
504    void run() {
505      //int num_of_augmentations=0;
506      while (augmentOnShortestPath()) {
507        //while (augmentOnBlockingFlow<MutableGraph>()) {
508        //std::cout << ++num_of_augmentations << " ";
509        //std::cout<<std::endl;
510      }
511    }
512    template<typename MutableGraph> void run() {
513      //int num_of_augmentations=0;
514      //while (augmentOnShortestPath()) {
515        while (augmentOnBlockingFlow<MutableGraph>()) {
516        //std::cout << ++num_of_augmentations << " ";
517        //std::cout<<std::endl;
518      }
519    }
520    Number flowValue() {
521      Number a=0;
522      OutEdgeIt e;
523      for(G->/*getF*/first(e, s); G->valid(e); G->next(e)) {
524        a+=flow->get(e);
525      }
526      return a;
527    }
528  };
529
530 
531//   template <typename Graph, typename Number, typename FlowMap, typename CapacityMap>
532//   class MaxFlow2 {
533//   public:
534//     typedef typename Graph::Node Node;
535//     typedef typename Graph::Edge Edge;
536//     typedef typename Graph::EdgeIt EdgeIt;
537//     typedef typename Graph::OutEdgeIt OutEdgeIt;
538//     typedef typename Graph::InEdgeIt InEdgeIt;
539//   private:
540//     const Graph& G;
541//     std::list<Node>& S;
542//     std::list<Node>& T;
543//     FlowMap& flow;
544//     const CapacityMap& capacity;
545//     typedef ResGraphWrapper<Graph, Number, FlowMap, CapacityMap > AugGraph;
546//     typedef typename AugGraph::OutEdgeIt AugOutEdgeIt;
547//     typedef typename AugGraph::Edge AugEdge;
548//     typename Graph::NodeMap<bool> SMap;
549//     typename Graph::NodeMap<bool> TMap;
550//   public:
551//     MaxFlow2(const Graph& _G, std::list<Node>& _S, std::list<Node>& _T, FlowMap& _flow, const CapacityMap& _capacity) : G(_G), S(_S), T(_T), flow(_flow), capacity(_capacity), SMap(_G), TMap(_G) {
552//       for(typename std::list<Node>::const_iterator i=S.begin();
553//        i!=S.end(); ++i) {
554//      SMap.set(*i, true);
555//       }
556//       for (typename std::list<Node>::const_iterator i=T.begin();
557//         i!=T.end(); ++i) {
558//      TMap.set(*i, true);
559//       }
560//     }
561//     bool augment() {
562//       AugGraph res_graph(G, flow, capacity);
563//       bool _augment=false;
564//       Node reached_t_node;
565     
566//       typedef typename AugGraph::NodeMap<bool> ReachedMap;
567//       BfsIterator4< AugGraph, AugOutEdgeIt, ReachedMap > res_bfs(res_graph);
568//       for(typename std::list<Node>::const_iterator i=S.begin();
569//        i!=S.end(); ++i) {
570//      res_bfs.pushAndSetReached(*i);
571//       }
572//       //res_bfs.pushAndSetReached(s);
573       
574//       typename AugGraph::NodeMap<AugEdge> pred(res_graph);
575//       //filled up with invalid iterators
576     
577//       typename AugGraph::NodeMap<Number> free(res_graph);
578       
579//       //searching for augmenting path
580//       while ( !res_bfs.finished() ) {
581//      AugOutEdgeIt e=/*AugOutEdgeIt*/(res_bfs);
582//      if (e.valid() && res_bfs.isBNodeNewlyReached()) {
583//        Node v=res_graph.tail(e);
584//        Node w=res_graph.head(e);
585//        pred.set(w, e);
586//        if (pred.get(v).valid()) {
587//          free.set(w, std::min(free.get(v), e.free()));
588//        } else {
589//          free.set(w, e.free());
590//        }
591//        if (TMap.get(res_graph.head(e))) {
592//          _augment=true;
593//          reached_t_node=res_graph.head(e);
594//          break;
595//        }
596//      }
597       
598//      ++res_bfs;
599//       } //end of searching augmenting path
600
601//       if (_augment) {
602//      Node n=reached_t_node;
603//      Number augment_value=free.get(reached_t_node);
604//      while (pred.get(n).valid()) {
605//        AugEdge e=pred.get(n);
606//        e.augment(augment_value);
607//        n=res_graph.tail(e);
608//      }
609//       }
610
611//       return _augment;
612//     }
613//     void run() {
614//       while (augment()) { }
615//     }
616//     Number flowValue() {
617//       Number a=0;
618//       for(typename std::list<Node>::const_iterator i=S.begin();
619//        i!=S.end(); ++i) {
620//      for(OutEdgeIt e=G.template first<OutEdgeIt>(*i); e.valid(); ++e) {
621//        a+=flow.get(e);
622//      }
623//      for(InEdgeIt e=G.template first<InEdgeIt>(*i); e.valid(); ++e) {
624//        a-=flow.get(e);
625//      }
626//       }
627//       return a;
628//     }
629//   };
630
631
632
633} // namespace hugo
634
635#endif //EDMONDS_KARP_H
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.