并查集练习——岛屿数量

简介: 并查集练习——岛屿数量

力扣原题链接:岛屿数量

给你一个由 '1'(陆地)和 '0'(水)组成的的二维网格,请你计算网格中岛屿的数量。

岛屿总是被水包围,并且每座岛屿只能由水平方向和/或竖直方向上相邻的陆地连接形成。

此外,你可以假设该网格的四条边均被水包围。

示例 1:

输入:grid = [
["1","1","1","1","0"],
["1","1","0","1","0"],
["1","1","0","0","0"],
["0","0","0","0","0"]
]
输出:1
示例 2:

输入:grid = [
["1","1","0","0","0"],
["1","1","0","0","0"],
["0","0","1","0","0"],
["0","0","0","1","1"]
]
输出:3

提示:

m == grid.length
n == grid[i].length
1 <= m, n <= 300
gridi 的值为 '0' 或 '1'

package com.harrison.class10;

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

/**
 * @author Harrison
 * @create 2022-03-19-16:46
 * @motto 众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处。
 */
public class Code03_NumberOfIslands {
    // https://leetcode.com/problems/number-of-islands/
    public static int numIslands3(char[][] board){
        int islands=0;
        for(int i=0; i<board.length; i++){
            for(int j=0; j<board[0].length; j++){
                if(board[i][j]=='1'){
                    islands++;
                    infect(board,i,j);
                }
            }
        }
        return islands;
    }

    public static void infect(char[][] board,int i,int j){
        if(i<0 || i==board.length || j<0 || j==board[0].length || board[i][j]!='1'){
            return ;
        }
        board[i][j]=2;
        infect(board,i-1,j);
        infect(board,i+1,j);
        infect(board,i,j-1);
        infect(board,i,j+1);
    }

    public static int numIslands1(char[][] board){
        int row=board.length;
        int col=board[0].length;
        Dot[][] dots=new Dot[row][col];
        List<Dot> dotList=new ArrayList<>();
        for(int i=0; i<row; i++){
            for(int j=0; j<col; j++){
                if(board[i][j]=='1'){
                    dots[i][j]=new Dot();
                    dotList.add(dots[i][j]);
                }
            }
        }
        UnionFind1<Dot> uf=new UnionFind1<>(dotList);
        for(int j=1; j<col; j++){
            if(board[0][j-1]=='1' && board[0][j]=='1'){
                uf.union(dots[0][j-1],dots[0][j]);
            }
        }
        for(int i=1; i<row; i++){
            if(board[i-1][0]=='1' && board[i][0]=='1'){
                uf.union(dots[i-1][0],dots[i][0]);
            }
        }
        for(int i=1; i<row; i++){
            for(int j=1; j<col; j++){
                if(board[i][j]=='1'){
                    if(board[i][j-1]=='1'){
                        uf.union(dots[i][j-1],dots[i][j]);
                    }
                    if(board[i-1][j]=='1'){
                        uf.union(dots[i-1][j],dots[i][j]);
                    }
                }

            }
        }
        return uf.sets();
    }

    public static class Dot{

    }

    public static class Node<V>{
        public V value;

        public Node(V v){
            value=v;
        }
    }

    public static class UnionFind1<V>{
        public HashMap<V,Node<V>> nodes;
        public HashMap<Node<V>,Node<V>> parent;
        public HashMap<Node<V>,Integer> sizeMap;

        public UnionFind1(List<V> values){
            nodes=new HashMap<>();
            parent=new HashMap<>();
            sizeMap=new HashMap<>();
            for(V cur:values){
                Node<V> node=new Node<>(cur);
                nodes.put(cur,node);
                parent.put(node,node);
                sizeMap.put(node,1);
            }
        }

        public Node<V> findAncestor(Node<V> cur){
            Stack<Node<V>> path=new Stack<>();
            while (cur!=parent.get(cur)){
                path.push(cur);
                cur=parent.get(cur);
            }
            while (!path.isEmpty()){
                parent.put(path.pop(),cur);
            }
            return cur;
        }

        public void union(V a,V b){
            Node<V> aHead=findAncestor(nodes.get(a));
            Node<V> bHead=findAncestor(nodes.get(b));
            if(aHead!=bHead){
                int aSetSize=sizeMap.get(aHead);
                int bSetSize=sizeMap.get(bHead);
                Node<V> big=aSetSize>=bSetSize?aHead:bHead;
                Node<V> small=aHead==big?bHead:aHead;
                parent.put(small,big);
                sizeMap.put(big,aSetSize+bSetSize);
                sizeMap.remove(small);
            }
        }

        public int sets(){
            return sizeMap.size();
        }
    }

    public static int numIslands2(char[][] board){
        int row=board.length;
        int col=board[0].length;
        UnionFind2 uf=new UnionFind2(board);
        for(int j=1; j<col; j++){
            if(board[0][j-1]=='1' && board[0][j]=='1'){
                uf.union(0,j-1,0,j);
            }
        }
        for(int i=1; i<row; i++){
            if(board[i-1][0]=='1' && board[i][0]=='1'){
                uf.union(i-1,0,i,0);
            }
        }
        for(int i=1; i<row; i++){
            for(int j=1; j<col; j++){
                if(board[i][j]=='1'){
                    if(board[i][j-1]=='1'){
                        uf.union(i,j-1,i,j);
                    }
                    if(board[i-1][j]=='1'){
                        uf.union(i-1,j,i,j);
                    }
                }
            }
        }
        return uf.sets;
    }

    public static class UnionFind2{
        public int[] parent;
        public int[] size;
        public int[] help;
        public int col;
        public int sets;

        public UnionFind2(char[][] board){
            int row=board.length;
            col=board[0].length;
            sets=0;
            int len=row*col;
            parent=new int[len];
            size=new int[len];
            help=new int[len];
            for(int r=0; r<row; r++){
                for(int c=0; c<col; c++){
                    if(board[r][c]=='1'){
                        int i=index(r,c);
                        parent[i]=i;
                        size[i]=1;
                        sets++;
                    }
                }
            }
        }

        // (i,j) -> i*列数+j
        public int index(int r,int c) {
            return r*col+c;
        }

        // 原始位置 -> 下标
        public int find(int i){
            int hi=0;
            while (i!=parent[i]){
                help[hi++]=i;
                i=parent[i];
            }
            for(hi--; hi>=0; hi--){
                parent[help[hi]]=i;
            }
            return i;
        }

        public void union(int r1,int c1,int r2,int c2){
            int i1=index(r1,c1);
            int i2=index(r2,c2);
            int f1=find(i1);
            int f2=find(i2);
            if(f1!=f2){
                if(size[f1]>=size[f2]){
                    size[f1]+=size[f2];
                    parent[f2]=f1;
                }else{
                    size[f2]=size[f1];
                    parent[f1]=f2;
                }
                sets--;
            }
        }

        public int sets(){
            return sets;
        }
    }

    // 为了测试
    public static char[][] generateRandomMatrix(int row, int col) {
        char[][] board = new char[row][col];
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                board[i][j] = Math.random() < 0.5 ? '1' : '0';
            }
        }
        return board;
    }

    // 为了测试
    public static char[][] copy(char[][] board) {
        int row = board.length;
        int col = board[0].length;
        char[][] ans = new char[row][col];
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                ans[i][j] = board[i][j];
            }
        }
        return ans;
    }

    // 为了测试
    public static void main(String[] args) {
        int row = 0;
        int col = 0;
        char[][] board1 = null;
        char[][] board2 = null;
        char[][] board3 = null;
        long start = 0;
        long end = 0;

        row = 1000;
        col = 1000;
        board1 = generateRandomMatrix(row, col);
        board2 = copy(board1);
        board3 = copy(board1);

        System.out.println("感染方法、并查集(map实现)、并查集(数组实现)的运行结果和运行时间");
        System.out.println("随机生成的二维矩阵规模 : " + row + " * " + col);

        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("感染方法的运行结果: " + numIslands3(board1));
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("感染方法的运行时间: " + (end - start) + " ms");

        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(map实现)的运行结果: " + numIslands1(board2));
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(map实现)的运行时间: " + (end - start) + " ms");

        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(数组实现)的运行结果: " + numIslands2(board3));
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(数组实现)的运行时间: " + (end - start) + " ms");

        System.out.println();

        row = 10000;
        col = 10000;
        board1 = generateRandomMatrix(row, col);
        board3 = copy(board1);
        System.out.println("感染方法、并查集(数组实现)的运行结果和运行时间");
        System.out.println("随机生成的二维矩阵规模 : " + row + " * " + col);

        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("感染方法的运行结果: " + numIslands3(board1));
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("感染方法的运行时间: " + (end - start) + " ms");

        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(数组实现)的运行结果: " + numIslands2(board3));
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并查集(数组实现)的运行时间: " + (end - start) + " ms");

    }
}

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