其工作方式是创建一个图表,其中每个单元格都是一个节点。由于图具有立方体的形状,因此每个节点必须有到其 X、Y 和 Z 邻居的链接。第一个要做的事情是通过向程序提供邻居节点之间的关系来创建图。例如,我们应该给程序一个输入,说明节点 0 连接到节点 1,等等……在告诉程序节点如何连接以形成立方体之后,很容易开始考虑遍历该图。一种流行的图遍历算法称为广度优先遍历(BFT),该算法允许以分布式方式遍历节点。例如,如果你有一棵树,它是一种图,使用 BFT 遍历它会首先打印根,然后一次打印每个级别,所以它是一种从起点遍历树的方式,在所有节点中公平传播分支机构。在您从中间开始到角落遍历立方体的示例中,这正是 BFT 可以为您做的事情。在这种情况下,BFT将从中间开始并开始逐面遍历节点,并且由于我们是从中间点开始,因此传播将呈球形。
什么是拜占庭容错
BFT 需要使用一种称为队列的数据结构,它是先进先出列表。首先,我们向队列提供起点,并将其标记为已访问,这意味着它已进入队列,并且不允许在遍历中的任何时间进入。然后我们将应用一个进程来轮询头节点,将其标记为已访问,并提供其未访问的邻居。一遍又一遍地执行相同的过程,直到所有节点都被访问,因此队列为空。我们这里使用队列的原因是为了允许节点以平衡的方式遍历。在此立方体遍历程序中,提供中间节点后,将从队列中轮询它并提供其 6 个邻居(在 >= 3x3x3 立方体的情况下)。然后,每个邻居节点将按进入顺序进行轮询,并且它们的邻居将在队列末尾提供。进程继续运行,直到没有未访问过的邻居为止。
代码解释:
首先我们需要知道立方体的大小。 3x3x3 的立方体意味着我们应该创建 27 个节点。我创建了一个名为generateCubeGraph()
它将生成输入字符串来告知程序邻居节点之间的关系。此方法的返回输出示例:
27 54
0 1
0 3
0 9
1 2
1 4
1 10
etc..
前两个值分别是节点数和邻居节点之间的链接/边的数量。其余的线是节点之间的连接。例如,第一行告诉节点 0 连接到节点 1,等等...请注意,这是一个无向图,因此当程序存储节点之间的链接时,它存储从节点 x 到节点 y 以及从节点 y 到节点 x。
生成输入后,build()
方法将把节点之间的链接存储在邻接列表中。创建另一个数组来计算为每个节点创建了多少条边。
存储链接后,我们需要做的就是使用 BFT 算法遍历立方图。检查上面关于它如何工作的描述,并阅读实现以更好地了解它如何工作。
打印方法是可选的,它们有助于实现和描述代码如何工作。
下图显示了我如何对 3x3x3 节点立方体中的节点进行编号。此外,我还添加了一个示例来展示节点如何链接到其 X、Y 和 Z 邻居(在图片底部)。
下面是 JAVA 中 3 x 3 x 3 节点的立方体的代码:(您可以通过修改 sideNode 变量来更改每边的节点数)
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Scanner;
/**
* Driver class: Build, traverse, print linkage
*/
public class CubeDriver {
public static void main(String[] args) {
// How many nodes per side
int sideNodes = 3;
Cube cube = new Cube();
cube.build(cube.generateCubeGraph(sideNodes));
System.out.println("Node execution order: ");
cube.BFT();
System.out.println("Nodes links:");
dcube.printAL();
System.out.println("Nodes on Layers:");
cube.printLayers(sideNodes);
}
}
/**
* Cube creator
*/
class Cube{
// Adjacency list (Hold node's neighbors)
int al[][];
// Degree array (Count how many neighbor per node)
int dl[];
int NODES;
int EDGES;
int MAX_LINKS = 6; // No node can have more than 6 links in all case
/**
* Create the links between nodes based on the input generated by generateCubeGraph() mehtod
*/
public void build(String input){
Scanner scan = new Scanner(input);
// Get #Nodes and #Edges
NODES = scan.nextInt();
EDGES = scan.nextInt();
// Initialize 2D Array and Degree array
al = new int[NODES][MAX_LINKS];
dl = new int[NODES];
// Store the link between nodes
for(int i=0; i<EDGES; i++){
int node1, node2;
node1 = scan.nextInt();
node2 = scan.nextInt();
int node1Neighbors = dl[node1]++;
int node2Neighbors = dl[node2]++;
al[node1][node1Neighbors] = node2;
al[node2][node2Neighbors] = node1;
}
}
/**
* Traverse using Breadth first traversal method
* Plug the middle node in a queue, then poll it and put it's neighbor, then poll each neighbor and put their neighbors if not visited already
*/
public void BFT(){
int visited[] = new int[NODES];
Queue<Integer> q = new LinkedList<Integer>();
int VISITED = 1;
// Plug the center node
int middle = NODES/2;
q.offer(middle);
visited[middle] = VISITED;
while(!q.isEmpty()){
int polledNode = q.poll();
System.out.print(polledNode + " ");
for(int i=0; i < dl[polledNode]; i++){
int neighbor = al[polledNode][i];
if(visited[neighbor] != VISITED){
q.offer(neighbor);
visited[neighbor] = VISITED;
}
}
}
System.out.println("\n");
}
/**
* Input generator for a cube
*/
public String generateCubeGraph(int n){
int SIDE = n; // Number of nodes in one side of the cube
String links = ""; // Holds the final output
int link = 0; // Counts the number of links
for(int row=0; row<SIDE; row++){
for(int col=0; col<SIDE; col++){
for(int depth=0; depth<SIDE; depth++){
int current = depth + (col * SIDE) + (row * SIDE * SIDE);
// If not last depth
if(depth != SIDE-1){
links += String.format("%d %d\n", current, current+1);
link++;
}
// If not last col
if(col != SIDE-1){
links += String.format("%d %d\n", current, current+SIDE);
link++;
}
// If not last row
if(row != SIDE-1){
links += String.format("%d %d\n", current, current+(SIDE*SIDE));
link++;
}
}
}
}
// return #Nodes, #Edges, links ...
return String.format("%d %d\n%s", SIDE*SIDE*SIDE, link, links);
}
/**
* Prints the links between each nodes. Used for debugging only
*/
public void printAL(){
for(int node = 0; node < NODES; node++){
System.out.print(String.format("Node %3d linked to nodes: ", node));
for(int neighbor = 0; neighbor < dl[node]; neighbor++){
System.out.print(String.format("%3d ", al[node][neighbor]));
}
System.out.println();
}
System.out.println();
}
/**
* Print 3D layers nodes number
* */
public void printLayers(int sideNode){
for(int layer=0; layer<sideNode; layer++){
System.out.println("Layer: " + layer);
for(int row = 0; row < sideNode; row++){
for(int col = 0; col < sideNode; col++){
int current = layer + (col * sideNode) + (row * sideNode * sideNode);
System.out.print(String.format("%3d ", current));
}
System.out.println();
}
System.out.println();
}
}
}
Output
Node execution order:
13 4 10 12 14 16 22 1 3 5 7 9 11 19 15 21 17 23 25 0 2 6 8 18 20 24 26
Nodes links:
Node 0 linked to nodes: 1 3 9
Node 1 linked to nodes: 0 2 4 10
Node 2 linked to nodes: 1 5 11
Node 3 linked to nodes: 0 4 6 12
Node 4 linked to nodes: 1 3 5 7 13
Node 5 linked to nodes: 2 4 8 14
Node 6 linked to nodes: 3 7 15
Node 7 linked to nodes: 4 6 8 16
Node 8 linked to nodes: 5 7 17
Node 9 linked to nodes: 0 10 12 18
Node 10 linked to nodes: 1 9 11 13 19
Node 11 linked to nodes: 2 10 14 20
Node 12 linked to nodes: 3 9 13 15 21
Node 13 linked to nodes: 4 10 12 14 16 22
Node 14 linked to nodes: 5 11 13 17 23
Node 15 linked to nodes: 6 12 16 24
Node 16 linked to nodes: 7 13 15 17 25
Node 17 linked to nodes: 8 14 16 26
Node 18 linked to nodes: 9 19 21
Node 19 linked to nodes: 10 18 20 22
Node 20 linked to nodes: 11 19 23
Node 21 linked to nodes: 12 18 22 24
Node 22 linked to nodes: 13 19 21 23 25
Node 23 linked to nodes: 14 20 22 26
Node 24 linked to nodes: 15 21 25
Node 25 linked to nodes: 16 22 24 26
Node 26 linked to nodes: 17 23 25
Nodes on Layers: // Check the picture above to know what the below layers are.
Layer: 0
0 3 6
9 12 15
18 21 24
Layer: 1
1 4 7
10 13 16
19 22 25
Layer: 2
2 5 8
11 14 17
20 23 26
验证其在 3D 中如何工作的链接(您必须按照节点处理顺序对节点进行着色,并且可以通过查看每个节点编号位置的层输出来获取节点编号):
5 x 5 x 5 立方体的 3D 模型 https://tinkercad.com/things/5hMvum5NFgI