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如何在 Java 中通过数组实现简单的并查集(Union-Find)以解决动态连通性判定问题

老强吖_4231

老强吖_4231

发布时间:2026-04-30 21:11:47

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来源于php中文网

原创

并查集用数组parent[]实现,初始时parent[i]=i;通过find找根节点、union合并集合来维护连通性,构造函数初始化各元素为独立集合。

在 java 中用数组实现并查集(union-find)是理解其原理和解决动态连通性问题最直接的方式。核心思想是用一个整型数组 parent[] 表示每个元素的父节点,初始时每个元素自成一个集合(即 parent[i] = i),再通过 find 查找根节点、union 合并集合来维护连通关系。

基础结构与初始化

定义一个类(如 UF),内部维护数组 parent 和元素总数 n。构造函数将每个索引初始化为自身,表示初始时所有元素互不连通:

// 示例:支持 0 到 n-1 的整数节点

private int[] parent;<br>
public UF(int n) {<br>
  this.parent = new int[n];<br>
  for (int i = 0; i < n; i++) {<br>
    parent[i] = i;<br>
  }<br>
}

查找根节点(带路径压缩)

find 方法用于判断两个节点是否连通——本质是比较它们的根是否相同。为提升效率,采用路径压缩:在递归或迭代回溯时,把沿途所有节点直接挂到根下。

public int find(int x) {<br>
  if (parent[x] != x) {<br>
    parent[x] = find(parent[x]); // 递归压缩<br>
  }<br>
  return parent[x];<br>
}

说明:
• 若不用递归,也可用循环先找根,再遍历路径统一赋值;
• 路径压缩不改变连通性,但显著降低后续 find 的平均时间复杂度(接近常数)。

合并两个集合(按秩/大小合并可选)

union 方法将两个元素所在集合合并。最简实现是让一个根指向另一个根:

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下载

public void union(int p, int q) {<br>
  int rootP = find(p);<br>
  int rootQ = find(q);<br>
  if (rootP == rootQ) return;<br>
  parent[rootP] = rootQ; // 或 parent[rootQ] = rootP<br>
}

进阶建议(提升性能):
• 引入 size[] 数组记录各树节点数,总是把小树挂到大树下(避免退化为链表);
• 或引入 rank[] 记录树高度,按秩合并(仅在秩相同时才增加目标秩);
• 即使只做简单合并,配合路径压缩,也能达到极佳的实际性能。

判定连通性与使用示例

连通性判定只需调用 find(p) == find(q)。例如处理图的边连接问题:

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UF uf = new UF(10);<br>
uf.union(0, 1);<br>
uf.union(1, 2);<br>
uf.union(3, 4);<br>
System.out.println(uf.connected(0, 2)); // true<br>
System.out.println(uf.connected(0, 3)); // false

注意:
• 并查集不支持删除操作或获取具体连通分量内容;
• 若需统计连通分量数量,可额外维护一个 count 变量,每次成功 union 后减一;
• 所有操作均基于整数索引,实际使用中需做好业务 ID 到数组下标的映射(如用哈希表预处理)。

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