C++實現(xiàn)稀疏矩陣的壓縮存儲實例
什么是稀疏矩陣呢,就是在M*N的矩陣中,有效值的個數(shù)遠小于無效值的個數(shù),并且這些數(shù)據(jù)的分布沒有規(guī)律。在壓縮存儲稀疏矩陣的時候我們只存儲極少數(shù)的有效數(shù)據(jù)。我們在這里使用三元組存儲每一個有效數(shù)據(jù),三元組按原矩陣中的位置,以行優(yōu)先級先后次序依次存放。下面我們來看一下代碼實現(xiàn)。
#include<iostream>
#include<vector>
#include<assert.h>
using namespace std;
template<class T>
class SparseMatrix
{
//三元組
template<class T>
struct Trituple
{
Trituple()//給一個默認構(gòu)造函數(shù)
{}
Trituple(size_t row, size_t col, const T& data)
:_row(row)
,_col(col)
,_data(data)
{}
size_t _row;
size_t _col;
T _data;
};
public:
//稀疏矩陣的壓縮存儲
SparseMatrix()
{}
SparseMatrix(int* arr, size_t row, size_t col, const T& invalid)
:_row(row)
,_col(col)
,_invalid(invalid)
{
for(int i = 0; i < row; i++)
{
for(int j = 0; j < col; ++j)
{
if(arr[i*col+j] != invalid)//將有效值存儲在一個一維數(shù)組中
_sm.push_back(Trituple<T>(i,j,arr[i*col+j]));//將三元組的無名對象push進去
}
}
}
//訪問稀疏矩陣中row行col中的元素
T& Acess(int row, int col)
{
//1、
/*for(int idx = 0; idx < _sm.size(); idx++)//遍歷一遍
{
if(_sm[idx]._row == row && _sm[idx]._col == col)//當前行列與我們要訪問那個元素行列相同時返回這個有效值
return _sm[idx]._data;
}
return _invalid;*/ //否則返回無效值
//2、
vector<Trituple<T>>::iterator it = _sm.begin();//定義一個迭代器,指向起始位置
while(it != _sm.end())//未到最后一個元素時
{
if(it->_row == row && it->_col == col)//行列相等輸出值
return it->_data;
++it;//迭代器向后移動
}
return _invalid;
}
//還原稀疏矩陣
template<typename T>
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, SparseMatrix<T>& s)//重載<<
{
size_t idex = 0;
for(size_t i = 0; i < s._row; i++)
{
for(size_t j = 0; j < s._col; j++)
{
if(idex < s._sm.size()/*防止數(shù)組越界*/ && s._sm[idex]._row == i && s._sm[idex]._col == j)
{
_cout<<s._sm[idex]._data<<" ";
++idex;
}
else
_cout<<s._invalid<<" ";
}
_cout<<endl;
}
return _cout;
}
//實現(xiàn)稀疏矩陣的逆置 時間復雜度O(M*N)(M為元素個數(shù)N為矩陣列數(shù))
SparseMatrix<T> Transport()
{
SparseMatrix<T> sm;
sm._row = _col;
sm._col = _row;
sm._invalid = _invalid;
for(size_t i = 0; i < _col; i++)
{
vector<Trituple<T>>::iterator it = _sm.begin();
while(it != _sm.end())
{
if(it->_col == i)//從原矩陣第0列開始,將每列中的有效值依次放入新的稀疏矩陣
sm._sm.push_back(Trituple<T> (i, it->_row, it->_data));
++it;
}
}
return sm;
}
//實現(xiàn)稀疏矩陣的快速轉(zhuǎn)置 時間復雜度O(N)+O(M)
SparseMatrix<T> FastTransport()
{
SparseMatrix<T> sm;
sm._col = _row;
sm._row = _col;
sm._invalid = _invalid;
sm._sm.resize(_sm.size());//開辟空間
//1、統(tǒng)計原矩陣中每一列有多少個有效元素
int* pCount = new int[_col];//開辟原矩陣中列個數(shù)的空間
memset(pCount, 0, _col*sizeof(pCount[0]));
for(int i = 0; i < _sm.size(); i++)
pCount[_sm[i]._col]++;
//2、原矩陣每一列在新矩陣中的起始位值
int* pAddr = new int[_col];
memset(pAddr, 0, _col*sizeof(pAddr[0]));
for(int i = 1/*從1開始,第一個位置起始為0已經(jīng)放入*/; i < _sm.size(); i++)
{
pAddr[i] = pAddr[i - 1] + pCount[i - 1];//前一個起始位值+前一列有效元素個數(shù)
}
//3、放置元素到新空間
for(int i = 0; i < _sm.size(); i++)
{
int& addr = pAddr[_sm[i]._col];
sm._sm[addr] = Trituple<T>(_sm[i]._col,_sm[i]._row,_sm[i]._data);
addr++;
}
return sm;
}
//實現(xiàn)稀疏矩陣的加法操作1
/*SparseMatrix<T> operator+(const SparseMatrix<T>& sp)
{
int i = 0, j = 0, k = 0;
T v;
SparseMatrix<T> s;
if(this->_col != sp._col || this->_row != sp._row)
exit(1);
s._row = sp._row;
s._col = sp._col;
s._invalid = sp._invalid;
while(i < this->_sm.size() && j < sp._sm.size())
{
if(this->_sm[i]._row == sp._sm[j]._row)
{
if(this->_sm[i]._col < sp._sm[j]._col)
{
s._sm.push_back(Trituple<T>(this->_sm[i]._row, this->_sm[i]._col, this->_sm[i]._data));
i++;
k++;
}
else if(this->_sm[i]._col > sp._sm[j]._col)
{
s._sm.push_back(Trituple<T>(sp._sm[j]._row, sp._sm[j]._col, sp._sm[j]._data));
j++;
k++;
}
else
{
v = this->_sm[i]._data + sp._sm[j]._data;
if(v)
{
s._sm.push_back(Trituple<T>(sp._sm[j]._row, sp._sm[j]._col, v));
k++;
}
i++;
j++;
}
}
else if(this->_sm[i]._row < sp._sm[j]._row)
{
s._sm.push_back(Trituple<T>(this->_sm[i]._row, this->_sm[i]._col, this->_sm[i]._data));
i++;
k++;
}
else
{
s._sm.push_back(Trituple<T>(sp._sm[j]._row, sp._sm[j]._col, sp._sm[j]._data));
j++;
k++;
}
}
return s;
}*/
//實現(xiàn)稀疏矩陣的加法操作2
SparseMatrix<T> operator+(const SparseMatrix<T>& sp)
{
assert(_row == sp._row && _col == sp._col);//檢測兩個相加的矩陣行列是否相等
SparseMatrix<T> ret;
ret._row = _row;
ret._col = _col;
ret._invalid = _invalid;
int iLidx = 0, iRidx = 0;//定義兩個索引
while(iLidx < _sm.size() && iRidx < sp._sm.size())
{
size_t AddrLeft = _sm[iLidx]._row*_col+_sm[iLidx]._col;//左邊矩陣的起始位值
size_t AddrRight = sp._sm[iRidx]._row*sp._col+sp._sm[iRidx]._col;//右邊矩陣起始位值
if(AddrLeft < AddrRight)//左<右,將左邊有效值放入和矩陣中,左邊的索引加加
{
ret._sm.push_back(Trituple<T>(_sm[iLidx]._row, _sm[iLidx]._col, _sm[iLidx]._data));
iLidx++;
}
else if(AddrLeft > AddrRight)
{
ret._sm.push_back(Trituple<T>(sp._sm[iRidx]._row, sp._sm[iRidx]._col, sp._sm[iRidx]._data));
iRidx++;
}
else//當左邊等于右邊判斷相加后和是否為0,不為0放入
{
Trituple<T> temp(_sm[iLidx]);
temp._data += sp._sm[iRidx]._data;
if(temp._data)
{
ret._sm.push_back(temp);
iLidx++;
iRidx++;
}
}
}
while(iLidx < _sm.size())//左邊還有剩余則放入剩余元素
{
ret._sm.push_back(Trituple<T>(_sm[iLidx]._row, _sm[iLidx]._col, _sm[iLidx]._data));
iLidx++;
}
while(iRidx < sp._sm.size())
{
ret._sm.push_back(Trituple<T>(sp._sm[iRidx]._row, sp._sm[iRidx]._col, sp._sm[iRidx]._data));
iRidx++;
}
return ret;
}
private:
size_t _row;
size_t _col;
vector<Trituple<T>> _sm;
T _invalid;//無效值
};
int main()
{
int arr[6][5] = {
{1,0,3,0,5},
{0,0,0,0,0},
{0,0,0,0,0},
{1,0,3,0,5},
{0,0,0,0,0},
{0,0,0,0,0}};
int arr1[6][5] = {
{1,0,3,0,5},
{0,0,0,0,0},
{0,0,2,4,0},
{1,0,3,0,5},
{0,0,0,1,0},
{0,0,0,0,1}};
SparseMatrix<int> s((int*)arr,6,5,0);
SparseMatrix<int> s1((int*)arr1,6,5,0);
cout<<"訪問三行四列元素"<<endl;
cout<<s.Acess(3,4)<<endl;
cout<<s<<endl;
cout<<"快速轉(zhuǎn)置"<<endl;
cout<<s.FastTransport();
cout<<endl;
cout<<"矩陣s:"<<endl;
cout<<s<<endl;
cout<<"矩陣s1:"<<endl;
cout<<s1<<endl;
cout<<"s+s1求和:"<<endl;
cout<<s1+s<<endl;
system("pause");
return 0;
}
運行結(jié)果截圖:
在上面的代碼中用到C++模板、標準庫中vector容器,以及迭代器實現(xiàn)了一些基本的操作,如訪問稀疏矩陣中某個元素,輸出稀疏矩陣、稀疏矩陣的轉(zhuǎn)置以及快速轉(zhuǎn)置還有兩個稀疏矩陣的加法。
快速轉(zhuǎn)置操作的基本思路是:
(1)統(tǒng)計原矩陣中每一列有多少個有效元素;
(2)原矩陣中每一列在新矩陣中的起始地址;
(3)放置元素到新空間中。
還需注意的是,在我們打印這個稀疏矩陣時雖然也可以直接調(diào)用訪問元素的Acess接口,但是每次進去之后都得遍歷一遍,時間復雜度較高,所以我們不采取這種辦法,而是比較當前行列的值,若相等輸出有效元素,不等則輸出無效元素0。
以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持我們。
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