Уровень алгоритма

Алгоритм Флойда-Уоршелла: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][досмотренная версия]
Нет описания правки
 
(не показано 12 промежуточных версий 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{level-a}}
Автор: Екатерина Шевченко
== Свойства и структура алгоритма ==
== Свойства и структура алгоритма ==
=== Общее описание алгоритма ===
=== Общее описание алгоритма ===
Строка 22: Строка 25:


=== Макроструктура алгоритма ===
=== Макроструктура алгоритма ===
Ключевая часть алгоритма состоит из трех циклов:<br>
Для k от 1 до |V| выполнять <br>
Для i от 1 до |V| выполнять <br>
Для j от 1 до |V| выполнять <br>
Если <math>{D_{ik}+D_{kj} < D_{ij}}</math>, то <math>{D_{ij} := D_{ik}+D_{kj}}</math>. <br>
При этом вычисляются минимумы из двух чисел  <math>min({D_{ik}+D_{kj}}, D_{ij})</math> и их значения становятся новыми значениями элементов смежной матрицы. <br>
=== Схема реализации последовательного алгоритма ===
=== Схема реализации последовательного алгоритма ===
matrix - матрица смежности, numberOfVert - число вершин в графе
    //Пробегаемся по всем вершинам и ищем более короткий путь
    //через вершину k
    for(int k = 0; k < numberOfVert; k++) {
        for(int i = 0; i < numberOfVert; i++) {
          for(int j = 0; j < numberOfVert; j++) {
                //Новое значение ребра равно минимальному между старым
                //и суммой ребер i <-> k + k <-> j (если через k пройти быстрее)
                matrix[i][j] = min(matrix[i][j], matrix[i][k] + matrix[k][j]);
            }
        }
    }
=== Последовательная сложность алгоритма ===
=== Последовательная сложность алгоритма ===
Время выполнения этой программы, очевидно, имеет порядок <math>O(n^3)</math>, поскольку в ней практически нет ничего, кроме вложенных друг в друга трех циклов.
Время выполнения этой программы, очевидно, имеет порядок <math>O(n^3)</math>, поскольку в ней практически нет ничего, кроме вложенных друг в друга трех циклов.


=== Информационный граф ===
=== Информационный граф ===
[[file:Graphforfloyd.png|thumb|center|300px|Рис.1. Информационная структура предельной параллелизации алгоритма Флойда-Уоршелла]]
На приведенном далее информационном графе нижний уровень параллелизма обозначен в горизонтальных плоскостях. Множество всех плоскостей представляет собой верхний уровень параллелизма (операции в каждой плоскости могут выполняться параллельно). Верхний уровень параллелизма заключается в параллельном подсчете дистанций для различных элементов матрицы смежности, и на рисунке отмечен разными плоскостями.
=== Ресурс параллелизма алгоритма ===
=== Ресурс параллелизма алгоритма ===
В последовательном алгоритме единственная операция это нахождение минимума, ее нет смысла распараллеливать. Вся сложность алгоритма $(О^3)$ заключается в полном переборе «матрицы смежности». Идея параллельных схем алгоритма Флойда-Уоршелла состоит в том, чтобы модифицировать матрицу смежности одновременно несколькими процессорами. Можно выделить два основных подхода.
В последовательном алгоритме единственная операция - это нахождение минимума, ее нет смысла распараллеливать. Вся сложность алгоритма заключается в полном переборе «матрицы смежности». Идея параллельных схем алгоритма Флойда-Уоршелла состоит в том, чтобы модифицировать матрицу смежности одновременно несколькими процессорами. Можно выделить два основных подхода.


Первый подход. В распоряжении имеется такое количество процессоров, что можно отдать каждому ровно по одному элементу $D_ij$, чтобы он считал для этого элемента минимум.
Первый подход. В распоряжении имеется такое количество процессоров, что можно отдать каждому ровно по одному элементу <math>D_{ij}</math>, чтобы он считал для этого элемента минимум.


Второй подход. В распоряжении ограниченное количество процессов. В этом случае грамотным решением будет отдать каждому процессору(или процессу) по одной строке матрицы смежности. Пусть каждый процесс посчитает минимумы в своей строке матрицы и отдаст результаты корневому процессу, это прилично ускорит работу алгоритма.
Второй подход. В распоряжении ограниченное количество процессов. В этом случае грамотным решением будет отдать каждому процессору(или процессу) по одной строке матрицы смежности. Пусть каждый процесс посчитает минимумы в своей строке матрицы и отдаст результаты корневому процессу, это прилично ускорит работу алгоритма.


Для параллельного алгоритма на отдельной итерации каждый процессор выполняет обновление элементов матрицы $D$. Всего в подзадачах $n^2/p$ таких элементов, число итераций алгоритма равно $n$, таким образом, показатели ускорения и эффективности параллельного алгоритма Флойда имеют вид ($p$ – число процессоров): &Sp = n^3/(n^3/p) = p$, $Ep = n^3/(p(n^3⁄p)) = 1$.
Для параллельного алгоритма на отдельной итерации каждый процессор выполняет обновление элементов матрицы <math>D</math>. Всего в подзадачах <math>{n^2/p}</math> таких элементов, число итераций алгоритма равно <math>n</math>, таким образом, показатели ускорения и эффективности параллельного алгоритма Флойда имеют вид (<math>p</math> – число процессоров): <math>{Sp = n^3/(n^3/p) = p}</math>, <math>{Ep = n^3/(p(n^3⁄p)) = 1}</math>.


=== Входные и выходные данные алгоритма ===
=== Входные и выходные данные алгоритма ===
Строка 46: Строка 74:
== Программная реализация алгоритма ==
== Программная реализация алгоритма ==
=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Особенности реализации последовательного алгоритма ===
=== Локальность данных и вычислений ===
==== Локальность реализации алгоритма ====
===== Структура обращений в память и качественная оценка локальности =====
===== Количественная оценка локальности =====
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ===
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации ===
=== Результаты прогонов ===
==== Масштабируемость алгоритма ====
==== Масштабируемость реализации алгоритма ====
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ===
=== Выводы для классов архитектур ===
=== Выводы для классов архитектур ===
=== Существующие реализации алгоритма ===
* C++: [http://www.boost.org/libs/graph/doc/ Boost Graph Library] (функция <code>[http://www.boost.org/libs/graph/doc/floyd_warshall_shortest.html floyd_warshall_shortest]</code>).
* Python: [https://networkx.github.io NetworkX] (функция <code>[http://networkx.github.io/documentation/networkx-1.9.1/reference/generated/networkx.algorithms.shortest_paths.dense.floyd_warshall.html floyd_warshall]</code>).
* Java: [http://jgrapht.org JGraphT] (класс <code>[http://jgrapht.org/javadoc/org/jgrapht/alg/FloydWarshallShortestPaths.html FloydWarshallShortestPaths]</code>).


== Литература ==
== Литература ==
Строка 67: Строка 83:


[[Категория:Начатые статьи]]
[[Категория:Начатые статьи]]
[[en:Floyd-Warshall algorithm]]

Текущая версия от 07:54, 5 июля 2022


Автор: Екатерина Шевченко

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Алгоритм Флойда-Уоршелла[1][2][3] предназначен для решения задачи поиска всех кратчайших путей на графе. Для заданного ориентированного взвешенного графа алгоритм находит кратчайшие расстояния между всеми парами вершин за время [math]\displaystyle{ O(n^3) }[/math]. Алгоритм применим к графам с произвольными, в том числе с отрицательными, весами. Таким образом, он является более общим в сравнении с алгоритмом Дейкстры, который не работает с отрицательными весами ребер. Также алгоритм распознаёт наличие отрицательных циклов.

Математическое описание алгоритма

Имеем граф [math]\displaystyle{ G=(V,E) }[/math], в котором каждая вершина пронумерована от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ |V| }[/math]. Сформируем матрицу смежности [math]\displaystyle{ D }[/math]. Эта матрица имеет размер [math]\displaystyle{ |V|*|V| }[/math] и каждому ее элементу [math]\displaystyle{ D_{ij} }[/math] присвоен вес ребра, соединяющего вершину [math]\displaystyle{ i }[/math] с вершиной [math]\displaystyle{ j }[/math]. Заметим, что в силу ориентированности графа [math]\displaystyle{ G }[/math] матрица [math]\displaystyle{ D }[/math] может быть несимметрична.

По мере выполнения алгоритма данная матрица будет перезаписываться: в каждую из ее ячеек внесется значение, определяющее оптимальную длину пути из вершины [math]\displaystyle{ i }[/math] в вершину [math]\displaystyle{ j }[/math].

Полагаем диагональные элементы [math]\displaystyle{ D_{ii} }[/math] равными нулю, а недиагональные элементы, соответствующие не инцидентным вершинам (не имеющим общего ребра), положим равными бесконечности или числу, заведомо большему возможного расстояния между ребрами.

Ключевая часть алгоритма состоит из трех циклов:
Для k от 1 до |V| выполнять
Для i от 1 до |V| выполнять
Для j от 1 до |V| выполнять
Если [math]\displaystyle{ {D_{ik}+D_{kj} \lt D_{ij}} }[/math], то [math]\displaystyle{ {D_{ij} := D_{ik}+D_{kj}} }[/math].

Вычислительное ядро алгоритма

Основной операцией алгоритма является релаксация элементов матрицы смежности: если [math]\displaystyle{ {D_{ik}+D_{kj} \lt D_{ij}} }[/math], то производится присваивание [math]\displaystyle{ {D_{ij} := D_{ik}+D_{kj}} }[/math].

Макроструктура алгоритма

Ключевая часть алгоритма состоит из трех циклов:
Для k от 1 до |V| выполнять
Для i от 1 до |V| выполнять
Для j от 1 до |V| выполнять
Если [math]\displaystyle{ {D_{ik}+D_{kj} \lt D_{ij}} }[/math], то [math]\displaystyle{ {D_{ij} := D_{ik}+D_{kj}} }[/math].

При этом вычисляются минимумы из двух чисел [math]\displaystyle{ min({D_{ik}+D_{kj}}, D_{ij}) }[/math] и их значения становятся новыми значениями элементов смежной матрицы.

Схема реализации последовательного алгоритма

matrix - матрица смежности, numberOfVert - число вершин в графе

   //Пробегаемся по всем вершинам и ищем более короткий путь
   //через вершину k
   for(int k = 0; k < numberOfVert; k++) {
       for(int i = 0; i < numberOfVert; i++) {
          for(int j = 0; j < numberOfVert; j++) {
               //Новое значение ребра равно минимальному между старым
               //и суммой ребер i <-> k + k <-> j (если через k пройти быстрее)
               matrix[i][j] = min(matrix[i][j], matrix[i][k] + matrix[k][j]);
           }
       }
   }

Последовательная сложность алгоритма

Время выполнения этой программы, очевидно, имеет порядок [math]\displaystyle{ O(n^3) }[/math], поскольку в ней практически нет ничего, кроме вложенных друг в друга трех циклов.

Информационный граф

Рис.1. Информационная структура предельной параллелизации алгоритма Флойда-Уоршелла

На приведенном далее информационном графе нижний уровень параллелизма обозначен в горизонтальных плоскостях. Множество всех плоскостей представляет собой верхний уровень параллелизма (операции в каждой плоскости могут выполняться параллельно). Верхний уровень параллелизма заключается в параллельном подсчете дистанций для различных элементов матрицы смежности, и на рисунке отмечен разными плоскостями.

Ресурс параллелизма алгоритма

В последовательном алгоритме единственная операция - это нахождение минимума, ее нет смысла распараллеливать. Вся сложность алгоритма заключается в полном переборе «матрицы смежности». Идея параллельных схем алгоритма Флойда-Уоршелла состоит в том, чтобы модифицировать матрицу смежности одновременно несколькими процессорами. Можно выделить два основных подхода.

Первый подход. В распоряжении имеется такое количество процессоров, что можно отдать каждому ровно по одному элементу [math]\displaystyle{ D_{ij} }[/math], чтобы он считал для этого элемента минимум.

Второй подход. В распоряжении ограниченное количество процессов. В этом случае грамотным решением будет отдать каждому процессору(или процессу) по одной строке матрицы смежности. Пусть каждый процесс посчитает минимумы в своей строке матрицы и отдаст результаты корневому процессу, это прилично ускорит работу алгоритма.

Для параллельного алгоритма на отдельной итерации каждый процессор выполняет обновление элементов матрицы [math]\displaystyle{ D }[/math]. Всего в подзадачах [math]\displaystyle{ {n^2/p} }[/math] таких элементов, число итераций алгоритма равно [math]\displaystyle{ n }[/math], таким образом, показатели ускорения и эффективности параллельного алгоритма Флойда имеют вид ([math]\displaystyle{ p }[/math] – число процессоров): [math]\displaystyle{ {Sp = n^3/(n^3/p) = p} }[/math], [math]\displaystyle{ {Ep = n^3/(p(n^3⁄p)) = 1} }[/math].

Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: Матрица смежности D. Перед работой алгоритма матрица D заполняется длинами рёбер графа (или запредельно большим числом M, если ребра нет).
Выходные данные: Матрица кратчайших расстояний D.

Свойства алгоритма

Алгоритм может распознавать наличие отрицательных циклов: такой цикл существует, если один из диагональных элементов матрицы расстояний становится меньше нуля.

Программная реализация алгоритма

Особенности реализации последовательного алгоритма

Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Результаты прогонов

Выводы для классов архитектур

Литература

  1. ↑ Roy, Bernard. “Transitivité Et Connexité.” Comptes Rendus De l'Académie Des Sciences 249 (1959): 216–218.
  2. ↑ Warshall, Stephen. “A Theorem on Boolean Matrices.” Journal of the ACM 9, no. 1 (January 1, 1962): 11–12. doi:10.1145/321105.321107.
  3. ↑ Floyd, Robert W. “Algorithm 97: Shortest Path.” Communications of the ACM 5, no. 6 (June 1, 1962): 345. doi:10.1145/367766.368168.