Алгоритм Пурдома

Алгоритм Пурдома
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность	[math]O(m + \mu^2)[/math]
Объём входных данных	[math]O(m + n)[/math]
Объём выходных данных	[math]O(n^2)[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы	[math]N/A [/math]
Ширина ярусно-параллельной формы	[math]N/A[/math]

Основные авторы описания: И.В.Афанасьев

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Алгоритм Пурдома^[1] находит транзитивное замыкание ориентированного графа за время [math]O(m + \mu n)[/math], где [math]\mu \le m[/math] – число компонент сильной связности этого графа.

1.2 Математическое описание алгоритма

Алгоритм основан на следующих свойствах:

Если вершины [math]v[/math] и [math]w[/math] принадлежат одной компоненте сильной связности графа [math]G[/math], то его транзитивное замыкание [math]G^+[/math] содержит рёбра [math](v, w)[/math] и [math](w, v)[/math].
Если вершины [math]x[/math] и [math]y[/math] принадлежат одной компоненте сильной связности графа [math]G[/math], а вершины [math]z[/math] и [math]t[/math] – другой, то рёбра [math](x, z)[/math], [math](x, t)[/math], [math](y, z)[/math], [math](y, t)[/math] принадлежат или не принадлежат транзитивному замыканию [math]G^+[/math] одновременно.

Таким образом, поиск транзитивного замыкания графа [math]G[/math] сводится к поиску транзитивного замыкания ациклического графа [math]\tilde G[/math], полученного из [math]G[/math] схлопыванием каждой компоненты сильной связности в одну вершину. Транзитивное замыкание ациклического графа вычисляется с использованием топологической сортировки вершин графа.

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

1.4 Макроструктура алгоритма

Вычисления производятся в четыре этапа:

Найти компоненты сильной связности исходного графа, заменить каждую компоненту на одну вершину и удалить образовавшиеся рёбра-петли.
Выполнить топологическую сортировку полученного ациклического графа [math]\tilde G[/math].
Вычислить транзитивное замыкание графа [math]\tilde G[/math], двигаясь от вершин с бо́льшими номерами к меньшим.
По найденному транзитивному замыканию [math]\tilde G[/math] восстановить транзитивное замыкание исходного графа.

Последний этап не является обязательным, если рассматривать транзитивное замыкание [math]\tilde G[/math] как «упакованное» транзитивное замыкание [math]G[/math].

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

1 этап (вычисление компонент сильной связности) может быть реализован алгоритмом Тарьяна^[2], находящим компоненты сильной связности в ходе поиска в глубину.

2 этап (топологическая сортировка) может быть реализован алгоритмом Кана^[3] либо последовательным применением поиска в глубину^[2] для нумерации вершин в предпорядке.

3 этап (транзитивное замыкание [math]\tilde G[/math]) выполняется следующим алгоритмом:

Входные данные:
    ациклический граф 'G с вершинами 'V, пронумерованными в топологическом порядке, и рёбрами E.
Выходные данные:
    для каждой вершины v ∈ V – набор вершин T(v),
        так что транзитивное замыкание G состоит из рёбер (v, w), v ∈ V, w ∈ T(v).
    
for each v ∈ V do T(v) := { v }
for v ∈ V in reverse order:
    for each (v, w) ∈ E do T(v) := T(v) ∪ T(w)

4 этап (транзитивное замыкание [math]G[/math]) либо выполняется следующим алгоритмом:

Входные данные
    граф G с вершинами V;
    компоненты сильной связности SCC(v) графа G;
    граф [math]\tilde G[/math] с вершинами [math]\tilde V[/math];
    транзитивное замыкание [math]\tilde T[/math] графа [math]\tilde G[/math].
Выходные данные:
    для каждой вершины v ∈ V – набор вершин T(v),
        так что транзитивное замыкание G состоит из рёбер (v, w), v ∈ V, w ∈ T(v).
        
for each v ∈ V do T(v) := { v }
for each v ∈ [math]\tilde V[/math]:
    for each w ∈ [math]\tilde T(v)[/math]:
        T(v) := T(v) ∪ SCC(w)
    for each x ∈ SCC(v):
        T(x) := T(v)    /* присваивание по ссылке */

либо транзитивное замыкание может строиться по упакованным данным [math]\tilde T(v)[/math] одной из следующих функций:

Входные данные
    граф G с вершинами V;
    компоненты сильной связности SCC(v) графа G;
    отображение R(v) вершин графа G на вершины графа [math]\tilde G[/math];
    граф [math]\tilde G[/math] с вершинами [math]\tilde V[/math];
    транзитивное замыкание [math]\tilde T[/math] графа [math]\tilde G[/math].
    
function transitive_closure(v):
    T := { v }
    for each w ∈ [math]\tilde T(R(v))[/math]:
        T := T ∪ SCC(w)
    return T
    
function is_in_transitive_closure(v, w):
    return R(w) ∈ [math]\tilde T(R(v))[/math]

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Первый и второй этап выполняются с помощью поиска в глубину со сложностью [math]O(m)[/math].

На третьем этапе основой операцией является объединение списков вершин. В случае хранения списков в отсортированном виде объединение выполняется за линейное время. Количество списков не превосходит [math]n[/math], а в каждом списке не более [math]\mu[/math] вершин, где [math]\mu[/math] – количество компонент сильной связности. Общая сложность тогда составляет [math]O(\mu^2)[/math]. Альтернативным форматов хранения списка вершин является битовая маска с такой же общей сложностью.

Сложность четвёртого этапа составляет [math]O(\mu n)[/math], так как для каждой из [math]\mu[/math] компонент сильной связности за линейное время вычисляется список вершин из не более чем [math]n[/math] вершин. Поскольку компоненты сильной связности не пересекаются, на данном этапе уже не требуется хранить списки в отсортированном виде.

Таким образом, общая сложность составляет [math]O(m + \mu^2)[/math], если не требуется явное построение транзитивного замыкания, или [math]O(m + \mu n)[/math] в противном случае.

1.7 Информационный граф

На рисунке 1 представлен информационный граф алгоритма Пурдома, демонстрирующий связь между его основным частями. Алгоритм представлен для вариации постановки задачи, когда производится проверка принадлежности к транзитивному замыканию множества заранее заданных пар вершин.

Рисунок 1. Информационный граф алгоритма Пурдома.

[1] - инициализация массива номеров сильно связанных компонент

[Поиск сильно связанных компонент (Tarjan, DCSC, etc)] - независимый блок алгоритма, может быть реализован любым алгоритмом сильно связанных компонент: DCSC, Тарьяна и др. Информационный графы данных алгоритмов могут быть найдены в соответствующих разделах.

1.8 Ресурс параллелизма алгоритма

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

1.10 Свойства алгоритма

2 Программная реализация алгоритма

2.1 Особенности реализации последовательного алгоритма

2.2 Локальность данных и вычислений

2.2.1 Локальность реализации алгоритма

2.2.1.1 Структура обращений в память и качественная оценка локальности

2.2.1.2 Количественная оценка локальности

2.3 Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Программа, реализующая поиск транзитного замыкания, состоит CPU части, отвечающей за общую координацию вычислений, использующей вспомогательные классы.

2.4 Масштабируемость алгоритма и его реализации

2.4.1 Масштабируемость алгоритма

2.4.2 Масштабируемость реализации алгоритма

Для демонстрации эффективности представлены графики времени выполнения различных режимов вычислений в зависимости от размера входного графа.

Основной характеристикой для сравнения было выбрано время выполнения, так как производительность (определения как TEPS то есть число ребер графа, которое алгоритм обрабатывает в секунду) для данной операции не отражает реальной ситуации.

Дело в том, что сложность выбранного алгоритма Пурдома зависит от количества ребер в графе не линейно, и, кроме того, зависит еще и от структуры графа количества сильно связанных компонент).

Рисунок 2. Параллельная реализация алгоритма Пурдома масштабируемость различных версий: производительность в зависимости от размера графа.

Анализируя время выполнения можно оценить, насколько понижается эффективность обработки графа при увеличении его размера (данные перестают помещаться в кэш, в память GPU, узла и т.д.). На представленных графиках по оси X граф с каждым делением увеличивается в два раза, и по представленному графику можно оценивать, на сколько увеличилось время выполнения. Так же время выполнения можно сравнивать для различных версий, например, последовательной CPU, параллельной CPU или же GPU. На приведенной диаграмме (рисунок 1) для различных размеров графа (от 2^20 до 2^26) представлено время выполнения трех различных версий: последовательной, параллельной CPU и GPU. Шкала на данной диаграмме логарифмическая.

2.5 Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

2.6 Выводы для классов архитектур

2.7 Существующие реализации алгоритма

Boost Graph Library (функция transitive_closure).

3 Литература

↑ Purdom, Paul, Jr. “A Transitive Closure Algorithm.” Bit 10, no. 1 (March 1970): 76–94. doi:10.1007/BF01940892.
↑ ^2,0 ^2,1 Tarjan, Robert. “Depth-First Search and Linear Graph Algorithms.” SIAM Journal on Computing 1, no. 2 (1972): 146–60.
↑ Kahn, A B. “Topological Sorting of Large Networks.” Communications of the ACM 5, no. 11 (November 1962): 558–62. doi:10.1145/368996.369025.

[Purdom-1] Purdom, Paul, Jr. “A Transitive Closure Algorithm.” Bit 10, no. 1 (March 1970): 76–94. doi:10.1007/BF01940892.

[DFS-2] 2,0 ^2,1 Tarjan, Robert. “Depth-First Search and Linear Graph Algorithms.” SIAM Journal on Computing 1, no. 2 (1972): 146–60.

[3] Kahn, A B. “Topological Sorting of Large Networks.” Communications of the ACM 5, no. 11 (November 1962): 558–62. doi:10.1145/368996.369025.

[1]

[2]

[3]