Algorithm Gossip: 稀疏矩阵

说明

如果在矩阵中，多数的元素并没有资料，称此矩阵为稀疏矩阵（sparse matrix），由于矩阵在程式中常使用二维阵列表示，二维阵列的大小与使用的记忆体空间成正比，如果多数的元素没有资料，则会造成记忆体空间的浪费，为此，必须设计稀疏矩阵的阵列储存方式，利用较少的记忆体空间储存完整的矩阵资讯。

解法

在这边所介绍的方法较为简单，阵列只储存矩阵的行数、列数与有资料的索引位置及其值，在需要使用矩阵资料时，再透过程式运算加以还原，例如若矩阵资料如下，其中0表示矩阵中该位置没有资料：

0 0 0 0 0 0
0 3 0 0 0 0
0 0 0 6 0 0
0 0 9 0 0 0
0 0 0 0 12 0

这个矩阵是5X6矩阵，非零元素有4个，您要使用的阵列第一列记录其列数、行数与非零元素个数：

5 6 4

阵列的第二列起，记录其位置的列索引、行索引与储存值：

1 1 3
2 3 6
3 2 9
4 4 12

所以原本要用30个元素储存的矩阵资讯，现在只使用了15个元素来储存，节省了不少记忆体的使用。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 

int main(void) { 
    int num[5][3] = {{5, 6, 4}, 
                     {1, 1, 3}, 
                     {2, 3, 6}, 
                     {3, 2, 9}, 
                     {4, 4, 12}}; 
    int i, j, k = 1; 

    printf("sparse matrix：\n"); 
    for(i = 0; i < 5; i++) { 
        for(j = 0; j < 3; j++) { 
            printf("%4d", num[i][j]); 
        } 
        putchar('\n'); 
    } 

    printf("\nmatrix还原：\n"); 
    for(i = 0; i < num[0][0]; i++) { 
        for(j = 0; j < num[0][1]; j++) { 
            if(k < num[0][2] && 
               i == num[k][0] && j == num[k][1]) { 
                printf("%4d ", num[k][2]); 
                k++; 
            } 
            else 
                printf("%4d ", 0); 
        } 
        putchar('\n'); 
    } 

    return 0; 
}

Java

public class SparseMatrix {
    public static int[][] restore(int[][] sparse) {
        int row = sparse[0][0];
        int column = sparse[0][1];
        
        int[][] array = new int[row][column];
        
        int k = 1;
        for(int i = 0; i < row; i++) { 
            for(int j = 0; j < column; j++) { 
                if(k < sparse[0][2] && 
                    i == sparse[k][0] && j == sparse[k][1]) { 
                    array[i][j] = sparse[k][2]; 
                    k++; 
                } 
                else 
                    array[i][j] = 0; 
            }  
        } 
        
        return array;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][] sparse = {{5, 6, 4}, 
                          {1, 1, 3}, 
                          {2, 3, 6}, 
                          {3, 2, 9}, 
                          {4, 4, 12}};
        
        int[][] array = SparseMatrix.restore(sparse);
        
        for(int i = 0; i < array.length; i++) { 
            for(int j = 0; j < array[i].length; j++) { 
                System.out.print(array[i][j] + " ");
            }  
            System.out.println();
        } 
    }
}