Алгоритм Борувки

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Алгоритм Борувки предназначен для решения задачи о построении минимального остовного дерева во взвешенном неориентированном графе. Алгоритм хорошо параллелизуется и является основой для распределённого алгоритма GHS.

Математическое описание алгоритма

Пусть задан связный неориентированный граф [math]\displaystyle{ G = (V, E) }[/math] с весами рёбер [math]\displaystyle{ f(e) }[/math]. Предполагается, что веса всех рёбер различны (если это не так, то можно упорядочить рёбра сначала по весу, а потом по номеру).

Алгоритм Борувки основан на следующих двух свойствах задачи:

• Минимальное ребро фрагмента. Пусть [math]\displaystyle{ F }[/math] – фрагмент минимального остовного дерева и [math]\displaystyle{ e_F }[/math] – ребро наименьшего веса, исходящее из [math]\displaystyle{ F }[/math] (т.е. ровно один его конец является вершиной из [math]\displaystyle{ F }[/math]). Если ребро [math]\displaystyle{ e_F }[/math] единственно, то оно принадлежит минимальному остовному дереву.
• Схлопывание фрагментов. Пусть [math]\displaystyle{ F }[/math] – фрагмент минимального остовного дерева графа [math]\displaystyle{ G }[/math], а граф [math]\displaystyle{ G' }[/math] получен из [math]\displaystyle{ G }[/math] склеиванием вершин, принадлежащих [math]\displaystyle{ F }[/math]. Тогда объединение [math]\displaystyle{ F }[/math] и минимального остовного дерева графа [math]\displaystyle{ G' }[/math] даёт минимальное остовное дерево исходного графа [math]\displaystyle{ G }[/math].

В начале работы алгоритма каждая вершина графа [math]\displaystyle{ G }[/math] является отдельным фрагментом. На очередном шаге у каждого фрагмента выбирается исходящее ребро минимального веса (если такое ребро существует). Выбранные рёбра добавляются в минимальное остовное дерево, а соответствующие фрагменты склеиваются.

Макроструктура алгоритма

В задаче требуется указать в данном связном взвешенном графе дерево, соединяющее все его вершины и имеющее наименьший возможный суммарный вес рёбер.

Классический пример (из статьи Борувки) – спроектировать наиболее дешёвую электрическую сеть, зная стоимость устройства каждого участка электрической линии.

Пусть задан связный граф [math]\displaystyle{ G=(V,E) }[/math] с вершинами [math]\displaystyle{ V=(v_{1},v_{2},…,v_{n}) }[/math] и рёбрами [math]\displaystyle{ E=(e_{1},e_{2},…,e_{m}) }[/math]. Каждому ребру [math]\displaystyle{ e∈E }[/math] приписан вес [math]\displaystyle{ w(e) }[/math].

Требуется построить дерево [math]\displaystyle{ T^*⊆E }[/math], связывающее все вершины, и имеющее наименьший возможный вес среди всех таких деревьев:

[math]\displaystyle{ w(T^* )=min┬T⁡〖w(T)〗 }[/math]

где вес множества рёбер есть сумма их весов:

[math]\displaystyle{ w(T)=∑_(e∈T)▒〖w(T)〗 }[/math]

Если граф [math]\displaystyle{ G }[/math] не является связным, то дерева, связывающего все вершины, не существует.

В этом случае необходимо найти минимальной остовное дерево для каждой компоненты связности [math]\displaystyle{ G }[/math]. Набор таких деревьев называется минимальным остовным лесом (сокращённо MSF – Minimum Spanning Forest).

Схема реализации последовательного алгоритма

В алгоритме Борувки фрагменты минимального остовного дерева наращиваются постепенно присоединением минимального ребра, выходящего из каждого фрагмента.

1. В самом начале каждая вершина является отдельным фрагментом.

2. На каждом шаге:

• Для каждого фрагмента определяется минимальное по весу исходящее ребро.

• Минимальные рёбра добавляются в минимальное остовное дерево, а соответствующие фрагменты объединяются.

3. Алгоритм останавливается, когда остаётся только один фрагмент, либо когда ни у одного из фрагментов нет исходящих рёбер.

Поиск минимальных исходящих рёбер может выполняться независимо для каждого фрагмента. Таким образом, данную стадию вычислений можно эффективно параллелизовать (в том числе с использованием массового параллелизма графических ускорителей).

Объединение фрагментов также может быть реализовано параллельно, с использованием описанной выше параллельной версии структуры Union-Find.

Аккуратный подсчёт количества активных фрагментов позволяет остановить алгоритм Борувки на один шаг раньше обычного:

1. В начале итерации счётчик активных фрагментов обнуляется.

2. На этапе поиска минимальных рёбер счётчик увеличивается на единицу для каждого фрагмента, у которого были исходящие рёбра.

3. На этапе объединения фрагментов счётчик уменьшается на единицу каждый раз, когда операция UNION(u, v) вернула значение истина.

Если в конце итерации счётчик равен 0 или 1, то вычисления останавливаются. Параллелизм возможен на этапе сортировки рёбер по весу, однако основной ход алгоритма является последовательным.

Последовательная сложность алгоритма

Последовательная сложность алгоритма Борувки для графа с [math]\displaystyle{ n }[/math] вершинами и [math]\displaystyle{ m }[/math] рёбрами составляет [math]\displaystyle{ O(m*ln(n)) }[/math] операций.

Ресурс параллелизма алгоритма

Алгоритму Борувки обладает большим потенциалом параллелизма, так как его основная операция (выбор минимального исходящего ребра во фрагменте) может исполнятся независимо для каждого фрагмента.

Программная реализация алгоритма

Существующие реализации алгоритма

• C++, MPI: Parallel Boost Graph Library; функции dense_boruvka_minimum_spanning_tree, boruvka_then_merge, boruvka_mixed_merge сочетают алгоритм Борувки и алгоритм Крускала.