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C++怎么实现最小生成树_C++Prim与Kruskal算法【图论】

冰火之心

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发布时间:2026-02-25 12:08:03

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来源于php中文网

原创

prim算法应使用std::set替代priority_queue以支持权值更新,配合inmst[]数组判重;kruskal需路径压缩与按秩合并,并注意输入索引偏移、重边处理及数据类型溢出。

c++怎么实现最小生成树_c++prim与kruskal算法【图论】

Prim 算法怎么写才不爆内存又不出错

Prim 的核心是用优先队列维护「当前已连通集合到未访问点的最短边」,但 C++ 里直接套 std::priority_queue 容易翻车——它不支持修改已有元素的权值,导致重复入队、判重逻辑混乱。

常见错误现象:std::priority_queue 里塞了多个相同顶点的不同权重,却只靠顶点编号判重,结果跳过更优路径;或者手动清空队列时漏掉中间状态,生成树边数不对。

  • std::set<:pair int>></:pair> 替代堆:第一个 int 是权值(升序),第二个是顶点编号;插入前先 erase 掉旧记录,再 insert 新记录,天然去重+可更新
  • 必须维护一个 inMST[] 布尔数组,每次从 set 取出最小边时,先检查对应顶点是否已在 MST 中,否则直接 continue
  • 邻接表存图时,边权类型别用 int 硬扛大数值,推荐 long long,尤其题目没说权值范围时

Kruskal 算法为什么排序后 union-find 还连不上

Kruskal 正确性的前提是:边按权值升序处理,且每次合并两个不同连通分量。但实际写的时候,find 函数没路径压缩、union 没按秩合并,小图看不出问题,一到稀疏图或大数据就超时或误判连通性。

使用场景:适合边少、点多的图(比如地理坐标建模),比 Prim 更容易并行化,但对边排序开销敏感。

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  • find 必须带路径压缩:parent[x] = find(parent[x]),否则多次查询退化成链表遍历
  • union 时比较的是根节点的秩(rank[root_a]),不是原节点;合并后记得更新秩:if (rank[a] == rank[b]) rank[a]++
  • 输入边数组别用 vector<tuple>></tuple> 然后 sort,改用 vector<array>></array> 或自定义结构体 + 重载 operator,避免 tuple 构造开销

Prim 和 Kruskal 在稠密图上性能差在哪

Prim 用邻接矩阵实现时时间复杂度是 O(V²),看着稳,但实际 V=1e4 就要跑 1e8 次循环,C++ 都可能 TLE;Kruskal 对于完全图(E ≈ V²)要排序 V² 条边,std::sort 均摊 O(E log E) ≈ 1e8 × log₂(1e8) ≈ 2.7e9 次操作,远超 1 秒限制。

性能影响关键点不在算法本身,而在数据结构选择和常数控制:

  • 稠密图(E > V log V)优先用 Prim + 邻接表 + set(实际常数比堆小),而不是死守邻接矩阵
  • Kruskal 处理超大边集前,先用 reserve() 预分配 vector 容量,避免多次 realloc
  • 读入边时别用 cin >> u >> v >> w,关同步:ios::sync_with_stdio(false); cin.tie(nullptr);

两种算法输出结果不一致?先查这三处

不是算法错了,大概率是图建得不对,或者权值/顶点编号处理有偏差。特别是无向图边只存一次、还是双向都存,会直接影响 Prim 的邻接表遍历范围。

容易踩的坑集中在输入解析和索引偏移:

  • 题目给的是 1-indexed 顶点,但代码用 0-indexed 数组存,忘了把输入的 uv 减 1 —— Kruskal 的边排序没问题,但 union-find 合并了错误下标
  • Prim 初始化时,把起点的权值设为 0 没问题,但没把起点的 inMST[0] = true,导致它又被重新加入候选集
  • 图含重边时,Kruskal 要么提前去重(保留最小权值那条),要么确保排序稳定(相同权值边按端点大小再排),否则不同编译器下 std::sort 行为可能微异

最小生成树不唯一时,两种算法给出不同边集完全正常;但总权值必须相等。如果总权值不等,一定是某处越界访问、整数溢出,或 union-find 的根没找对。

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