Поиск в ширину (BFS): различия между версиями
| [непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
Elijah (обсуждение | вклад) |
Elijah (обсуждение | вклад) |
||
| Строка 29: | Строка 29: | ||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | === Вычислительное ядро алгоритма === | ||
Вычислительным ядром алгоритма является обход вершин, смежной к выбранной вершине <math>v</math> с последующем добавлением еще не посещенных вершин в множество <math>P</math>. Данная операция выполняться на каждом шаге для каждой вершины <math>v \in F</math>. | |||
=== Макроструктура алгоритма === | === Макроструктура алгоритма === | ||
Версия от 07:45, 8 августа 2017
| Алгоритм DCSC поиска компонент сильной связности | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | [math]\displaystyle{ O(n + m) }[/math] |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ O(m + n) }[/math] |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ O(n) }[/math] |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ N/A, max O(V) }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ N/A, max O(E) }[/math] |
Основные авторы описания: И.В.Афанасьев
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Поиск в ширину (англ. Breadth-First Search, BFS) позволяет вычислить кратчайшие расстояния (в терминах количества рёбер) от выделенной вершины ориентированного графа до всех остальных вершин, и/или построить корневое направленное дерево, расстояния в котором совпадают с расстояниями в исходном графе. Кроме того, поиск в ширину позволяет решать задачу проверки достижимости (существуют ли пути между вершиной источником и остальными вершинами графа). Впервые алгоритм поиска в ширину описан в работах Мура[1] и Ли[2].
Алгоритм основан на обходе вершин графа "по слоям". На каждом шаге есть множество "передовых" вершин, для смежных к которым производится проверка, относятся ли они к еще не посещенным. Все еще не посещенные вершины добавляются в новое множество "передовых" вершин, обрабатываемых на следующем шаге. Изначально в множество "передовых" вершин входит только вершина-источник, от которой и начинается обход.
В последовательном случае алгоритм имеет алгоритмическую сложность [math]\displaystyle{ O(n + m) }[/math], где [math]\displaystyle{ n }[/math] - число вершин в графе, [math]\displaystyle{ m }[/math] - число ребер в графе.
Математическое описание алгоритма
Пусть задан граф [math]\displaystyle{ G = (V, E) }[/math] без весов, и с выделенной вершиной-источником [math]\displaystyle{ u }[/math]. Путем [math]\displaystyle{ P(u,v) }[/math] между вершинами [math]\displaystyle{ u }[/math] и [math]\displaystyle{ v }[/math] называется множество ребер [math]\displaystyle{ (u, v_1), (v_1, v_2), ... (v_{n-1}, v) }[/math]. Длиной пути [math]\displaystyle{ d(u,v) }[/math] обозначим число ребер в данном пути между вершинами [math]\displaystyle{ u }[/math] и [math]\displaystyle{ v }[/math]. Поиск в ширину находит кратчайшие пути [math]\displaystyle{ d(u,v) }[/math] от вершины [math]\displaystyle{ u }[/math] до всех остальных вершин графа описанным далее образом.
В начале работы алгоритма расстояние до вершины-источника [math]\displaystyle{ d(u)=0 }[/math], до остальных вершин [math]\displaystyle{ d(v) = inf, \forall v \neq u }[/math]. Так же в начале работы алгоритм инициализируются множество [math]\displaystyle{ F = \{u\} }[/math].
Далее на каждом шаге алгоритм строится множество вершин [math]\displaystyle{ P = {w} }[/math], таких, что для [math]\displaystyle{ \forall v \in F \exists (v, w) \in E | d(w) = inf }[/math], при том обновляются расстояния [math]\displaystyle{ d(w)=d(v)+1 }[/math] для [math]\displaystyle{ \forall w \in P }[/math]. Затем производится переход на следующий шаг до тех пор, пока [math]\displaystyle{ P \neq \emptyset }[/math], при том в начале каждого шага множество F заменяется на P.
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительным ядром алгоритма является обход вершин, смежной к выбранной вершине [math]\displaystyle{ v }[/math] с последующем добавлением еще не посещенных вершин в множество [math]\displaystyle{ P }[/math]. Данная операция выполняться на каждом шаге для каждой вершины [math]\displaystyle{ v \in F }[/math].
Макроструктура алгоритма
Схема реализации последовательного алгоритма
Последовательная сложность алгоритма
Информационный граф
Информационный граф
Ресурс параллелизма алгоритма
Входные и выходные данные алгоритма
Свойства алгоритма
Программная реализация 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
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Масштабируемость алгоритма
Масштабируемость реализации алгоритма
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
- Распределённый алгоритм поиска вширь является вычислительным ядром бенчмарка Graph500.
- C++: Boost Graph Library (функции
breadth_first_search,breadth_first_visit). - C++, MPI: Parallel Boost Graph Library (функция
breadth_first_search). - Java: WebGraph (класс
ParallelBreadthFirstVisit), многопоточная реализация. - Python: NetworkX (функция
bfs_edges). - Python/C++: NetworKit (класс
networkit.graph.BFS).
