LCA In Javascript 演示

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algorithm

JavaScript 算法 prototype J#C#

理论：

LCA 即 Least Common Ancestor 问题，用于在树结构中查找任意两个结点的最小公共祖先，很容易的算法是O(logn),但是对于查询很大的情况，可能并不完美，完美的当然就是O(1)。

那么就采用空间换时间的方法，及可转化为 RMQ (Range Minimum/Maximum Query) 问题。

效果示例 ( 下载 )：

演示地址@google code

可以方便的查看任意两个节点的最小公共祖先

LCA In HTML

HTML DOM 树是天生的树结构，可以很方便的做演示，那么就写段 html 用 javascript 演示下 LCA 算法。

html 代码：

<div id="a" style="width:600px;height:550px;border:1px solid green;padding:50px;">
			a
			<div id="b" style="width:300px;height:450px;border:1px solid green;padding:20px;margin:20px 0;">
				b
				<div id="d" style="width:100px;height:100px;border:1px solid green;padding:20px;margin-bottom:20px;">
					d
					<div id="f" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;margin-bottom:10px;">
						f
					</div>
					<div id="i" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;">
						i
					</div>
				</div>
				<div id="e" style="width:100px;height:100px;border:1px solid green;padding:20px;">
					e
					<div id="g" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;margin-bottom:10px;">
						g
					</div>
					<div id="h" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;">
						h
					</div>
				</div>
			</div>
			
			<div id="c" style="width:10px;height:10px;border:1px solid green;padding:10px;margin-top:10px;">
				c
			</div>
		</div>

则对应树结构为：

1.按先序遍历整棵树，记下两个信息:结点访问顺序和结点深度

则上述为

a,b,d,f,d,i,d,b,e,g,e,h,e,b,a,c,a

结点深度：

0,1,2,3,2,3,2,1,2,3,2,3,2,1,0,1,0

2. 则可首先找到两节点在访问序列中的位置，并在深度序列中找到之间最小的值的位置，再找到该位置对应的结点即为最小公共祖先了。

3. 而找到序列中任意子序列最小值，即是 RMQ 问题，采用 ST(Sparse Table)算法，在预处理( O(NlogN) )完成的前提下，可以保证在 O(1) 的时间内找到任意子序列间的最小值。

这样既可保证在预先处理后，则在查询频繁时，保证最快( O(1) )的反映速度。

代码示例 ( 下载 )：

LCA javascript :

/***
	对于频繁计算树中任意两个节点最小公共祖先问题的最优解法.
	***/


function Lca(root) {
    //记录节点访问顺序与深度
    this.sequence = [];
    //RMQ sparse table
    this.matrix = [];
    this.preprocessForLca(root, 0);
    this.processForRmq();

}


/*
	将树转化为对应的先序访问顺序的层次队列，利用 rmq 算法快速求解
	*/
Lca.prototype.preprocessForLca = function(node, l) {
    //第一次访问记录节点与节点深度
    this.sequence.push({
        node: node,
        level: l
    });
    var childs = node.childNodes;
    if (childs) {
        for (var i = 0, len = childs.length; i < len; ++i) {
            var c = childs[i];
            if (c.nodeType == 3) continue;
            this.preprocessForLca(c, l + 1);
            //子节点子树处理完毕，子树父节点即当前节点顺序记录。
            this.sequence.push({
                node: node,
                level: l
            });

        }
    }
};


/*
	利用动态规划算法计算 sparse table matrix , M[0, N-1][0, logN] ,
	log 以 2 为底
	M[i][j] 是从原数组i开始的子数组中最小元素在原数组中的下标，
	这个子数组的长度为2^j
	可以再 O(1) 的时间复杂度中得到 数组中任意子数组的最小值
	*/
Lca.prototype.processForRmq = function() {
    var sl = this.sequence.length;
    var col = Math.ceil(Math.log(sl) / Math.log(2));
    for (var i = 0; i < sl; i++) {
        this.matrix[i] = [];
    }
    // initialize M for the intervals with length 1
    for (var i = 0; i < sl; i++)
    this.matrix[i][0] = i;
    // 从小间隔计算，直到最后的整个数组间隔 ，即 M[0][sl]
    for (var j = 1; (1 << j) <= sl; j++) {
        for (i = 0; i + (1 << j) - 1 < sl; i++) {
            if (this.sequence[this.matrix[i][j - 1]].level <
            this.sequence[this.matrix[i + (1 << (j - 1))][j - 1]].level)
            this.matrix[i][j] = this.matrix[i][j - 1];
            else
            this.matrix[i][j] = this.matrix[i + (1 << (j - 1))][j - 1];
        }
    }
};

Lca.prototype.equalNode = function(n1, n2) {
    if (n1 == n2) return true;
    //if(n1.id == n2.id) return true;
};
/*
	利用matrix得到 n1,n2 在树中的最小祖先
	每次时间复杂度为 O(1)
	*/
Lca.prototype.getCommonParent = function(n1, n2) {

    if (this.equalNode(n1, n2))
    return n1;
    if (n1.parentNode == n2)
    return n2;
    if (n2.parentNode == n1)
    return n1;

    var sl = this.sequence.length;
    var n1Index = -1;
    var n2Index = -1;
    //找到节点对应于访问顺序的下标
    for (var i = 0; i < sl; i++) {
        var t = this.sequence[i].node;
        if (n1 == t) {
            n1Index = i;
            break;
        }
    }

    for (var i = 0; i < sl; i++) {
        var t = this.sequence[i].node;
        if (n2 == t) {
            n2Index = i;
            break;
        }
    }

    if (n1Index == -1 || n2Index == -1) {
        alert("-1");
        return;
    }

    //确保n1Index小
    if (n1Index > n2Index) {
        var t = n1Index;
        n1Index = n2Index;
        n2Index = t;
    }



    // 2^k*2>= |n1Index-n2Index|.
    //这样就可以在
    //子数组 n1Index ~ n1Index+2^k
    //子数组 n2Index-2^k ~ n2Index
    //两个子数组中的深度最小值比较得到
    //n1Index ~ n2Index
    //的深度最小值，即 n1 n2最小公共祖先节点在访问顺序数组中的下标
    var k = Math.ceil(Math.log(Math.abs(n1Index - n2Index))
    / Math.log(2)) - 1;

    var n1Min = this.matrix[n1Index][k];
    //2^k == 1 << k
    var n2Min = this.matrix[n2Index - (1 << k)][k];

    if (this.sequence[n1Min].level > this.sequence[n2Min].level)
    return this.sequence[n2Min].node;
    return this.sequence[n1Min].node;

};

使用代码：

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Strict//EN"
	"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
	<head>
		<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8" />
		<script type="text/javascript">
//<![CDATA[

		/***
		对于频繁计算树中任意两个节点最小公共祖先问题的最优解法.
		***/


		function Lca(root){
		//记录节点访问顺序与深度
		this.sequence=[];
		//RMQ sparse table
		this.matrix=[];
		this.preprocessForLca(root,0);
		this.processForRmq();

		}


		/*
		将树转化为对应的先序访问顺序的层次队列，利用 rmq 算法快速求解
		*/
		Lca.prototype.preprocessForLca = function(node,l){
		//第一次访问记录节点与节点深度
		this.sequence.push({
		node:node,
		level:l
		});
		var childs=node.childNodes;
		if(childs) {
		for(var i=0 , len=childs.length;i<len;++i) {
				var c=childs[i];
				if(c.nodeType == 3) continue;
				this.preprocessForLca(c,l+1);
				//子节点子树处理完毕，子树父节点即当前节点顺序记录。
				this.sequence.push({
					node:node,
					level:l
				});
				
		}
		}
		};


		/*
		利用动态规划算法计算 sparse table matrix , M[0, N-1][0, logN] ,
		log 以 2 为底
		M[i][j] 是从原数组i开始的子数组中最小元素在原数组中的下标，
		这个子数组的长度为2^j
		可以再 O(1) 的时间复杂度中得到 数组中任意子数组的最小值
		*/
		Lca.prototype.processForRmq = function () {
		var sl=this.sequence.length;
		var col = Math.ceil(Math.log(sl) / Math.log(2));
		for(var i=0;i<sl;i++) {
		this.matrix[i] = [];
		}   
		// initialize M for the intervals with length 1
		for (var i = 0; i < sl; i++)
		this.matrix[i][0] = i;
		// 从小间隔计算，直到最后的整个数组间隔 ，即 M[0][sl]
		for (var j = 1; (1 << j) <= sl; j++) {
		for (i = 0; i + (1 << j) - 1 < sl; i++) {
			if (this.sequence[this.matrix[i][j - 1]].level < 
			this.sequence[this.matrix[i + (1 << (j - 1))][j - 1]].level)
				this.matrix[i][j] = this.matrix[i][j - 1];
			else
				this.matrix[i][j] = this.matrix[i + (1 << (j - 1))][j - 1];
		}
		}
		};

		Lca.prototype.equalNode =function(n1,n2) {
		if(n1 == n2 ) return true;
		//if(n1.id == n2.id) return true;
		};
		/*
		利用matrix得到 n1,n2 在树中的最小祖先
		每次时间复杂度为 O(1)
		*/
		Lca.prototype.getCommonParent = function(n1,n2) {

		if (this.equalNode(n1,n2))
		return n1;
		if (n1.parentNode == n2)
		return n2;
		if (n2.parentNode == n1)
		return n1;

		var sl=this.sequence.length;
		var n1Index=-1;
		var n2Index=-1;
		//找到节点对应于访问顺序的下标
		for(var i=0;i<sl;i++) {
		var t=this.sequence[i].node;
		if(n1==t){
			n1Index=i;
			break;
		}
		}

		for(var i=0;i<sl;i++) {
		var t=this.sequence[i].node;
		if(n2==t){
			n2Index=i;
			break;
		}
		}

		if(n1Index == -1 || n2Index == -1) {
		alert("-1");
		return;
		}

		//确保n1Index小
		if(n1Index > n2Index) {
		var t=n1Index;
		n1Index=n2Index;
		n2Index=t;
		}



		// 2^k*2>= |n1Index-n2Index|.
		//这样就可以在 
		//子数组 n1Index ~ n1Index+2^k
		//子数组 n2Index-2^k ~ n2Index
		//两个子数组中的深度最小值比较得到
		//n1Index ~ n2Index
		//的深度最小值，即 n1 n2最小公共祖先节点在访问顺序数组中的下标

		var k = Math.ceil(Math.log(Math.abs(n1Index - n2Index))
		  / Math.log(2)) - 1;

		var n1Min = this.matrix[n1Index][k];
		//2^k == 1 << k
		var n2Min = this.matrix[n2Index - (1<<k) ][k];

		if(this.sequence[n1Min].level > this.sequence[n2Min].level )
		return this.sequence[n2Min].node;
		return this.sequence[n1Min].node;

		};
		//]]>
		</script>
		<title>
			Test Lca In Javascript
		</title>
	</head>
	<body>
		<p>
			node1 的 id :<input id="node1" />
		</p>
		<p>
			node2 的 id :<input id="node2" />
		</p>
		<p>
			<input id="btn" type="button" value="点击得到公共祖先id" />
		</p>
		<div id="a" style="width:600px;height:550px;border:1px solid green;padding:50px;">
			a
			<div id="b" style="width:300px;height:450px;border:1px solid green;padding:20px;margin:20px 0;">
				b
				<div id="d" style="width:100px;height:100px;border:1px solid green;padding:20px;margin-bottom:20px;">
					d
					<div id="f" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;margin-bottom:10px;">
						f
					</div>
					<div id="i" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;">
						i
					</div>
				</div>
				<div id="e" style="width:100px;height:100px;border:1px solid green;padding:20px;">
					e
					<div id="g" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;margin-bottom:10px;">
						g
					</div>
					<div id="h" style="width:20px;height:20px;border:1px solid green;padding:10px;">
						h
					</div>
				</div>
			</div>
			<div id="c" style="width:10px;height:10px;border:1px solid green;padding:10px;margin-top:10px;">
				c
			</div>
		</div><script type="text/javascript">
//<![CDATA[
		window.onload=function(){

		//整个子树转化为访问顺序队列数组
		var lca=new Lca(document.getElementById("a"));
		/*
		var visit="";
		var levels="";      
		for(var i=0 , len=lca.sequence.length;i<len;++i) {
				var c=lca.sequence[i];
				visit+=","+c.node.id;
				levels+=","+c.level;                
		}
		console.log(visit);
		console.log(levels);
		*/

		//O(1) 时间内得到任意两个节点的最小公共祖先


		document.getElementById("btn").onclick=function(){
			var n1=document.getElementById("node1").value;
			var n2=document.getElementById("node2").value;
			if(document.getElementById(n1) && document.getElementById(n2)){
				var cp=lca.getCommonParent(document.getElementById(n1),document.getElementById(n2));
				alert("最小公共祖先 :"+cp.id);
			}
			else {
				alert("DOM 树中没有输入id节点");
			}
			
		}
		}

		//]]>
		</script>
	</body>
</html>

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2009-10-05 17:24
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