Sipariş bakım sorunu - Order-maintenance problem

İçinde bilgisayar Bilimi, sipariş sürdürme sorunu sürdürmeyi içerir tamamen sıralı set aşağıdaki işlemleri desteklemek:

  • ekle (X, Y), toplam sırada Y'den hemen sonra X'i ekleyen;
  • sipariş (X, Y), X'in toplam sıralamada Y'den önce gelip gelmediğini belirler; ve
  • sil (X), X'i setten çıkarır.

Paul Dietz ilk olarak 1982'de bu sorunu çözmek için bir veri yapısı geliştirdi.[1] Bu veri yapısı şunları destekler: ekle (X, Y) içinde (içinde Büyük O gösterimi )itfa edilmiş zaman ve sipariş (X, Y) sabit zamanda ancak silmeyi desteklemez. Athanasios Tsakalidis içinde silinmeyi destekleyen aynı performans sınırlarına sahip BB [α] ağaçları kullandı ve iyileştirilmiş ekleme ve silme performansı dolaylı amortisman süresi.[2] Dietz ve Daniel Sleator 1987'de en kötü durumdaki sabit zaman için bir iyileştirme yayınladı.[3] Michael Bender, Richard Cole ve Jack Zito, 2004 yılında önemli ölçüde basitleştirilmiş alternatifler yayınladılar.[4] Bender, Fineman, Gilbert, Kopelowitz ve Montes de 2017'de amortismana tabi bir çözüm yayınladı.[5]

Sipariş bakımı için verimli veri yapılarının birçok alanda uygulamaları vardır. veri yapısı kalıcılığı,[6] grafik algoritmaları[7][8] ve hataya dayanıklı veri yapıları.[9]

Liste etiketleme

Sipariş bakım problemiyle ilgili bir problem,liste etiketleme sorunu yerine sipariş (X, Y) çözüm, tamsayılar evreninden bir etiket ataması sağlamalıdır. kümenin öğelerine, yalnızca X'e Y'den daha küçük bir etiket atanmışsa, toplam sırada X Y'den önce gelecek şekilde. etiket (X) herhangi bir X düğümünün etiketini döndürmek. sipariş (X, Y) basitçe karşılaştırılarak uygulanabilir etiket (X) ve etiket (Y) böylece liste etiketleme probleminin herhangi bir çözümü, sırayı koruma problemine hemen bir çözüm getirir. Aslında, sipariş sürdürme sorununa yönelik çoğu çözüm, performansı iyileştirmeye yönelik bir düzeyde veri yapısı indirgemesi ile önerilen liste etiketleme sorununa çözümlerdir. Aşağıda bunun bir örneğini göreceğiz.

Verimlilik için boyut için arzu edilir evrenin öğelerinin sayısı ile sınırlı veri yapısında saklanır. Nerede olduğu durumda inmek için gereklidir sorun şu şekilde bilinir paketli dizi bakımı veya yoğun sıralı dosya bakımı Sorun: Öğeleri bir dosyadaki girişler olarak ve etiketleri, her öğenin depolandığı adresleri veriyor olarak düşünün. Daha sonra, paketlenmiş dizi bakım sorununa etkili bir çözüm, sembolik alan ek yükü olmadan bir dosyanın ortasına girişlerin verimli bir şekilde eklenmesine ve silinmesine izin verecektir.[10][11][12][13][14] Bu kullanım, önbellekten habersiz veri yapıları içeren son uygulamalara sahiptir[15]ve optimum en kötü durum yerinde sıralama.[16]

Ancak bazı kısıtlamalar altında, Doğrusal evrenler ile liste etiketleme probleminin çözümlerine ekleme performansında alt sınırlar bulunmuştur.[17] oysa aşağıda, polinom evrenli bir çözümün, zaman.

Liste etiketleme ve ikili arama ağaçları

Sipariş bakım sayfasında açıklanan yol etiketi örneği.
Bu ikili ağaçtaki X'in yol etiketi 0221'dir ve bu, 25 tamsayısının 3 tabanındaki temsilidir.

Sayıdaki boyut polinomu evreninde liste etiketleme Toplam sıradaki eleman sayısı, dengeyi sağlama sorunuyla bağlantılıdır. ikili arama ağacı. Bir ikili arama ağacının her X düğümünün, ağacın kökünden kendi yoluna karşılık gelen bir tamsayı ile örtük olarak etiketlendiğine dikkat edin. Bu tamsayı olarak adlandıralım yol etiketi X olarak tanımlayın ve aşağıdaki gibi tanımlayın. bu yoldaki sol ve sağ alçalma dizisi olabilir. Örneğin, eğer X, ağacın sol çocuğunun sağ çocuğunun doğru çocuğu ise. Sonra X tamsayı ile etiketlenir temel 3 temsil, her olay değiştirilerek verilir. içinde 0 ile, her geçtiği yeri değiştirerek içinde 2 ile ve sonuçtaki dizenin sonuna 1 eklenir. Daha sonra önceki örnekte, X'in yol etiketi 0221'dir3 10 tabanında 25'e eşittir. Yol etiketlerinin ağaç sırasını koruduğuna ve bu nedenle sabit zamanda sipariş sorgularını yanıtlamak için kullanılabileceğine dikkat edin.

Ağacın yüksekliği varsa sonra bu tam sayılar evrenden gelir . O zaman ağaç ise kendini dengeleyen böylece daha büyük olmayan bir yüksekliği korur o zaman evrenin boyutu polinomdur .

Bu nedenle, liste etiketleme sorunu, listedeki öğeler üzerinde, her bir düğüm için yol etiketleriyle artırılmış eşleştirilmiş ikili arama ağacını koruyarak çözülebilir. Bununla birlikte, ağacın her yeniden dengeleme işleminin bu yol etiketlerini de güncellemesi gerekeceğinden, her kendini dengeleyen ağaç veri yapısı bu uygulama için uygun değildir.Örneğin, bir alt ağaca sahip bir düğümü döndürmeye dikkat edin.olağan şartlar altında sabit zamanda yapılabilen, yol etiketi güncellemeleri. Özellikle, döndürülen düğüm kök ise, dönüş tüm ağacın boyutunda doğrusal olarak zaman alacaktır. Bu kadar zamanla tüm ağaç yeniden inşa edilebilirdi. Aşağıda, yeniden dengeleme sırasında uygun sayıda etiket güncellemesine neden olan kendi kendini dengeleyen ikili arama ağacı veri yapılarının olduğunu göreceğiz.

Veri yapısı

Liste etiketleme problemi, eleman sayısında bir boyut polinom evreniyle çözülebilir. artırarakgünah keçisi ağacı yukarıda açıklanan yol etiketleri ile. Günah keçileri, yeniden dengelemelerinin tamamını alt ağaçları yeniden inşa ederek yaparlar. Aldığından beri boyuttaki bir alt ağacı yeniden inşa etme zamanı, bu alt ağacı yeniden etiketleyerek Yeniden inşa edildikten sonraki zaman, yeniden dengeleme işleminin asimptotik performansını değiştirmez.

Sipariş

X ve Y olmak üzere iki düğüm verildiğinde, sipariş (X, Y) yol etiketlerini karşılaştırarak sıralarını belirler.

Ekle

X için yeni bir düğüm ve Y düğümüne bir işaretçi verildiğinde, ekle (X, Y) her zamanki gibi X'i Y'nin hemen sonrasına ekler. Dengeleme işlemi gerekiyorsa, bir günah keçisi ağacı için her zamanki gibi uygun alt ağaç yeniden oluşturulur. Daha sonra bu alt ağaç önce derinlemesine geçilir ve düğümlerinin her birinin yol etiketleri güncellenir. Yukarıda açıklandığı gibi, bu asimptotik olarak normal yeniden inşa işleminden daha uzun sürmez.

Sil

Silme, yerleştirmeye benzer şekilde gerçekleştirilir. X düğümünün silinmesi verildiğinde, sil (X) X'i her zamanki gibi kaldırır. Daha sonraki herhangi bir yeniden inşa işleminin ardından, yeniden inşa alt ağacının yeniden etiketlenmesi gelir.

Analiz

Yol etiketleri ile artırılmış bir günah keçisi ağacının yeniden dengeleme performansı hakkındaki yukarıdaki argümandan, bu veri yapısının ekleme ve silme performansının normal bir günah keçisi ağacındakine göre asimptotik olarak şu anda ata olduğu sonucu çıkar. Ardından, eklemeler ve silmeler aldığı için günah keçilerinde amortize edilmiş zaman, bu veri yapısı için de geçerlidir.

Ayrıca, α parametresine sahip bir günah keçisi ağacı en fazla , yol etiketi en fazla boyuta sahiptir . Tipik değeri için o zaman etiketler en fazla.

Tabii ki, iki düğümün sırası, etiketleri karşılaştırılarak sabit bir zamanda belirlenebilir. Daha yakından bir inceleme, bunun büyük çapta bile geçerli olduğunu gösterir. . Özellikle, makinenin kelime boyutu bit, daha sonra tipik olarak en fazla düğümler . Bu, evrenin en fazla boyuta sahip olduğunu izler ve böylece etiketler sabit bir sayıda (en fazla ) bitler.

Liste etiketlemede alt sınır

Eleman sayısında bir evren polinomu ile liste etiketleme problemine herhangi bir çözümün, ekleme ve silme performansına sahip olacağı gösterilmiştir. .[18] Daha sonra, liste etiketleme için, yukarıdaki çözüm asimptotik olarak optimaldir. Bu arada, bu aynı zamanda bir kanıtlıyor günah keçisi ağacına bir ekleme veya silme işleminin amortize edilmiş yeniden dengeleme süresinin alt sınırı.

Bununla birlikte, bu alt sınır, sipariş-bakım problemi için geçerli değildir ve yukarıda belirtildiği gibi, tüm sipariş-bakım işlemlerinde en iyi durumda sabit zamanlı performans veren veri yapıları vardır.

O (1) dolaylı yoldan amorti edilmiş ekleme

Dolaylılık, bir problemin verimliliği artırmak için bir veri yapısının birden çok düzeyine bölündüğü veri yapılarında kullanılan bir tekniktir. Tipik olarak bir boyut sorunu bölünmüş boyut sorunları . Örneğin, bu teknik, y-hızlı denemeler. Bu strateji aynı zamanda, yukarıda açıklanan veri yapısının sabit amortize edilmiş süreye yerleştirme ve silme performansını iyileştirmek için de çalışır. Aslında, bu strateji liste etiketleme sorununun herhangi bir çözümü için işe yarar. amorti edilmiş ekleme ve silme süresi.

Sipariş-bakım problemine ağaç tabanlı bir çözümde dolaylılığın tasviri.
Dolaylı sipariş-bakım veri yapısı. Toplam sipariş öğeleri şurada saklanır: bitişik boyut alt listeleri günah keçisi ağacında her birinin bir temsilcisi vardır.

Yeni veri yapısı çok büyük veya çok küçük büyüdüğünde tamamen yeniden oluşturulur. İzin Vermek en son yeniden inşa edildiğinde toplam siparişin elemanlarının sayısı. Veri yapısı değişmez olduğunda yeniden oluşturulur. bir ekleme veya silme ile ihlal edilir. Yeniden inşa doğrusal zamanda yapılabildiğinden, bu, yerleştirme ve silmelerin amorti edilmiş performansını etkilemez.

Yeniden inşa işlemi sırasında, toplam düzenin öğeleri ayrılmıştır bitişik alt listeler, her boyutta . Yol etiketli bir araç ağacı ağacı, her bir alt listeyi orijinal liste sırasına göre temsil eden bir düğüm kümesi üzerinde oluşturulur. Her bir alt liste için, öğelerinin kuşkusuz bağlantılı listesi, her bir öğenin ağaçtaki temsilcisine ve yerel bir tamsayı etiketiyle birlikte depolanarak oluşturulur. Bu yerel etiketler, ağaçta kullanılan etiketlerden bağımsızdır ve aynı alt listenin herhangi iki öğesini karşılaştırmak için kullanılır. Bir alt listenin öğelerine yerel etiketler verilmiştir. , orijinal liste sırasına göre.

Sipariş

Alt liste düğümleri X ve Y verildiğinde, sipariş (X, Y) ilk önce iki düğümün aynı alt listede olup olmadığını kontrol ederek yeniden kullanılabilir. Eğer öyleyse, sıraları yerel etiketlerini karşılaştırarak belirlenebilir. Aksi takdirde, ağaçtaki temsilcilerinin yol etiketleri karşılaştırılır. Bu sabit zaman alır.

Ekle

X için yeni bir alt liste düğümü ve Y alt liste düğümüne bir işaretçi verildiğinde,ekle (X, Y) Y alt listesinde Y'den hemen sonra X'i ekler. Alt listenin sonuna X eklenirse yerel etiket verilir , nerede Y'nin yerel etiketidir; aksi takdirde, mümkünse, iki komşusunun yerel etiketlerinin ortalamasının tabanı ile etiketlenir. Bu kolay durum sabit bir zaman alır.

Zor durumda, X'in komşularının bitişik yerel etiketleri vardır ve alt listenin yeniden oluşturulması gerekir. Ancak bu durumda en azından öğeleri, ilk oluşturulduğundan beri alt listeye eklenmiştir. Daha sonra, alt listeyi yeniden oluşturmak ve muhtemelen amortize edilmiş yerleştirme maliyetini bir sabitten daha fazla etkilemeden daha küçük alt listelere ayırmak için doğrusal bir süre harcayabiliriz.

Alt listenin boyutu varsa sonra onu böldük bitişik boyut alt listeleri her yeni alt listenin yukarıda açıklandığı gibi yerel olarak etiketlenmesi ve bir alt listenin her bir elemanının ağaca eklenecek yeni bir temsili düğüme işaret edilmesi. Alır alt listeleri oluşturma zamanı. Boş alt listelere izin vermediğimizden, en fazla ve böylece ağaca bir temsilci eklenebilir zaman. Bu nedenle, alır tüm yeni temsilcileri ağaca ekleme zamanı.

Sil

Silinecek bir alt liste düğümü X verildiğinde, sil (X) X'i alt listesinden sabit bir zamanda kaldırır. Bu, alt listeyi boş bırakırsa, alt listenin temsilcisini ağaçtan kaldırmamız gerekir. En azından ilk oluşturulduğundan beri alt listeden öğeler silindi. amortize edilmiş silme maliyetini sabitten daha fazla etkilemeden temsilciyi çıkarmak için gereken süre.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Dietz, Paul F. (1982), "Bağlantılı bir listede sıranın korunması", Bilgisayar Kuramı Üzerine 14. Yıllık ACM Sempozyumu Bildirileri (STOC '82), New York, NY, ABD: ACM, s. 122–127, doi:10.1145/800070.802184, ISBN  978-0897910705.
  2. ^ Tsakalidis, Athanasios K. (1984), "Genelleştirilmiş bir bağlantılı listede sıranın korunması", Acta Informatica, 21 (1): 101–112, doi:10.1007 / BF00289142, BAY  0747173.
  3. ^ Dietz, P .; Sleator, D. (1987), "Bir listede düzeni sağlamak için iki algoritma", Bilgisayar Kuramı Üzerine 19. Yıllık ACM Sempozyumu Bildirileri (STOC '87), New York, NY, ABD: ACM, s. 365–372, doi:10.1145/28395.28434, ISBN  978-0897912211. Tam versiyon,Tech. Temsilci CMU-CS-88-113, Carnegie Mellon Üniversitesi, 1988.
  4. ^ A. Bender, Michael ve Cole, Richard ve Zito, Jack. (2004). Bir Listedeki Sırayı Korumak İçin İki Basitleştirilmiş Algoritma. https://www.researchgate.net/publication/2865732_Two_Simplified_Algorithms_for_Maintaining_Order_in_a_List Erişim tarihi: 2019-06-14
  5. ^ "Dosya Bakımı: Şüphe Durumunda Düzeni Değiştirin!", M. Bender, J. Fineman, S. Gilbert, T. Kopelowitz, P. Montes. Yirmi Sekizinci Yıllık ACM-SIAM Sempozyumunun Ayrık Algoritmalar Bildirileri. eISBN  978-1-61197-478-2. https://doi.org/10.1137/1.9781611974782.98 Erişim tarihi: 2019-06-15
  6. ^ Driscoll, James R .; Sarnak, Neil; Sleator, Daniel D.; Tarjan, Robert E. (1989), "Veri yapılarını kalıcı hale getirmek", Bilgisayar ve Sistem Bilimleri Dergisi, 38 (1): 86–124, doi:10.1016/0022-0000(89)90034-2, BAY  0990051.
  7. ^ Eppstein, David; Galil, Zvi; Italiano, Giuseppe F.; Nissenzweig, Amnon (1997), "Seyreltme - dinamik grafik algoritmalarını hızlandırmak için bir teknik", ACM Dergisi, 44 (5): 669–696, doi:10.1145/265910.265914, BAY  1492341.
  8. ^ Katriel, Irit; Bodlaender, Hans L. (2006), "Çevrimiçi topolojik sıralama", Algoritmalar Üzerine ACM İşlemleri, 2 (3): 364–379, CiteSeerX  10.1.1.78.7933, doi:10.1145/1159892.1159896, BAY  2253786.
  9. ^ Aumann, Yonatan; Bender, Michael A. (1996), "Hataya dayanıklı veri yapıları", Bilgisayar Biliminin Temelleri Üzerine 37. Yıllık Sempozyum Bildirileri (FOCS 1996), s. 580–589, doi:10.1109 / SFCS.1996.548517, ISBN  978-0-8186-7594-2.
  10. ^ Itai, Alon; Konheim, Alan; Rodeh, Michael (1981), "Öncelik sıralarının seyrek bir tablo uygulaması", Otomata, Diller ve Programlama: Sekizinci Colloquium Acre (Akko), İsrail 13–17 Temmuz 1981, Bilgisayar Bilimleri Ders Notları, 115, sayfa 417–431, doi:10.1007/3-540-10843-2_34, ISBN  978-3-540-10843-6.
  11. ^ Willard, Dan E. (1981), Engellenen sıralı dosyalara kayıt ekleme ve silme, Teknik Rapor TM81-45193-5, Bell Laboratories.
  12. ^ Willard, Dan E. (1982), "Yoğun sıralı dosyaların dinamik bir ortamda korunması (Genişletilmiş Özet)", Bilgisayar Kuramı Üzerine 14. ACM Sempozyumu Bildirileri (STOC '82), New York, NY, ABD: ACM, s. 114–121, doi:10.1145/800070.802183, ISBN  978-0897910705.
  13. ^ Willard, Dan E. (1986), "Yoğun sıralı dosyalara kayıt eklemek ve silmek için en kötü durum algoritmaları", 1986 ACM SIGMOD Uluslararası Veri Yönetimi Konferansı Bildirileri (SIGMOD '86), SIGMOD Record 15 (2), New York, NY, ABD: ACM, s. 251–260, doi:10.1145/16894.16879, ISBN  978-0897911917.
  14. ^ Willard, Dan E. (1992), "İyi bir en kötü durum zamanında sıralı olarak sıralanmış bir dosyada ekleme ve silme işlemleri yapmak için bir yoğunluk kontrol algoritması", Bilgi ve Hesaplama, 97 (2): 150–204, doi:10.1016 / 0890-5401 (92) 90034-D.
  15. ^ Bender, Michael A .; Demaine, Erik D.; Farach-Colton, Martin (2005), "Önbellekten habersiz B-ağaçları" (PDF), Bilgi İşlem Üzerine SIAM Dergisi, 35 (2): 341–358, doi:10.1137 / S0097539701389956, BAY  2191447.
  16. ^ Franceschini, Gianni; Geffert, Viliam (2005), "O ile yerinde sıralama (n günlükn) karşılaştırmalar ve O (n) hareket eder ", ACM Dergisi, 52 (4): 515–537, arXiv:cs / 0305005, doi:10.1145/1082036.1082037, BAY  2164627.
  17. ^ Dietz, Paul F .; Zhang, Ju (1990), "Monoton liste etiketlemesi için alt sınırlar", SWAT 90 (Bergen, 1990), Bilgisayar Bilimleri Ders Notları, 447, Berlin: Springer, s. 173–180, doi:10.1007/3-540-52846-6_87, ISBN  978-3-540-52846-3, BAY  1076025.
  18. ^ Dietz, Paul F .; Seiferas, Joel I .; Zhang, Ju (1994), "Çevrimiçi monoton liste etiketlemesi için sıkı bir alt sınır", Algoritma teorisi - SWAT '94 (Aarhus, 1994), Bilgisayar Bilimleri Ders Notları, 824, Berlin: Springer, s. 131–142, doi:10.1007/3-540-58218-5_12, ISBN  978-3-540-58218-2, BAY  1315312.

Dış bağlantılar