[project @ 2003-04-03 16:46:59 by ross]
authorross <unknown>
Thu, 3 Apr 2003 16:47:00 +0000 (16:47 +0000)
committerross <unknown>
Thu, 3 Apr 2003 16:47:00 +0000 (16:47 +0000)
Graph and Tree modules, from GHC's Digraph (actually the Haddock version,
which looks more recent).

Data/Graph.hs [new file with mode: 0644]
Data/Tree.hs [new file with mode: 0644]

diff --git a/Data/Graph.hs b/Data/Graph.hs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..130c7dd
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,375 @@
+-----------------------------------------------------------------------------
+-- |
+-- Module      :  Data.Graph
+-- Copyright   :  (c) The University of Glasgow 2002
+-- License     :  BSD-style (see the file libraries/base/LICENSE)
+-- 
+-- Maintainer  :  libraries@haskell.org
+-- Stability   :  experimental
+-- Portability :  non-portable (requires non-portable module ST)
+--
+-- A version of the graph algorithms described in:
+--
+--   /Lazy Depth-First Search and Linear Graph Algorithms in Haskell/,
+--   by David King and John Launchbury.
+--
+-----------------------------------------------------------------------------
+
+module Data.Graph(
+
+       -- * External interface
+
+       -- At present the only one with a "nice" external interface
+       stronglyConnComp, stronglyConnCompR, SCC(..), flattenSCC, flattenSCCs,
+
+       -- * Graphs
+
+       Graph, Table, Bounds, Edge, Vertex,
+
+       -- ** Building graphs
+
+       graphFromEdges, buildG, transposeG,
+       -- reverseE,
+
+       -- ** Graph properties
+
+       vertices, edges,
+       outdegree, indegree,
+
+       -- * Algorithms
+
+       dfs, dff,
+       topSort,
+       components,
+       scc,
+       bcc,
+       -- back, cross, forward,
+       reachable, path,
+
+       module Data.Tree
+
+    ) where
+
+-- Extensions
+import Control.Monad.ST
+import Data.Array.ST (STArray, newArray, readArray, writeArray)
+import Data.Tree (Tree(Node), Forest)
+
+-- std interfaces
+import Data.Maybe
+import Data.Array
+import Data.List
+
+-------------------------------------------------------------------------
+--                                                                     -
+--     External interface
+--                                                                     -
+-------------------------------------------------------------------------
+
+-- | Strongly connected component.
+data SCC vertex = AcyclicSCC vertex    -- ^ A single vertex that is not
+                                       -- in any cycle.
+               | CyclicSCC  [vertex]   -- ^ A maximal set of mutually
+                                       -- reachable vertices.
+
+-- | The vertices of a list of strongly connected components.
+flattenSCCs :: [SCC a] -> [a]
+flattenSCCs = concatMap flattenSCC
+
+-- | The vertices of a strongly connected component.
+flattenSCC :: SCC vertex -> [vertex]
+flattenSCC (AcyclicSCC v) = [v]
+flattenSCC (CyclicSCC vs) = vs
+
+-- | The strongly connected components of a directed graph, topologically
+-- sorted.
+stronglyConnComp
+       :: Ord key
+       => [(node, key, [key])]
+               -- ^ The graph: a list of nodes uniquely identified by keys,
+               -- with a list of keys of nodes this node has edges to.
+               -- The out-list may contain keys that don't correspond to
+               -- nodes of the graph; such edges are ignored.
+       -> [SCC node]
+
+stronglyConnComp edges0
+  = map get_node (stronglyConnCompR edges0)
+  where
+    get_node (AcyclicSCC (n, _, _)) = AcyclicSCC n
+    get_node (CyclicSCC triples)     = CyclicSCC [n | (n,_,_) <- triples]
+
+-- | The strongly connected components of a directed graph, topologically
+-- sorted.  The function is the same as 'stronglyConnComp', except that
+-- all the information about each node retained.
+-- The "R" interface is used when you expect to apply 'SCC' to
+-- (some of) the result of 'SCC', so you don't want to lose the
+-- dependency information.
+stronglyConnCompR
+       :: Ord key
+       => [(node, key, [key])]
+               -- ^ The graph: a list of nodes uniquely identified by keys,
+               -- with a list of keys of nodes this node has edges to.
+               -- The out-list may contain keys that don't correspond to
+               -- nodes of the graph; such edges are ignored.
+       -> [SCC (node, key, [key])]     -- ^ Topologically sorted
+
+stronglyConnCompR [] = []  -- added to avoid creating empty array in graphFromEdges -- SOF
+stronglyConnCompR edges0
+  = map decode forest
+  where
+    (graph, vertex_fn) = graphFromEdges edges0
+    forest            = scc graph
+    decode (Node v []) | mentions_itself v = CyclicSCC [vertex_fn v]
+                      | otherwise         = AcyclicSCC (vertex_fn v)
+    decode other = CyclicSCC (dec other [])
+                where
+                  dec (Node v ts) vs = vertex_fn v : foldr dec vs ts
+    mentions_itself v = v `elem` (graph ! v)
+
+-------------------------------------------------------------------------
+--                                                                     -
+--     Graphs
+--                                                                     -
+-------------------------------------------------------------------------
+
+-- | Abstract representation of vertices.
+type Vertex  = Int
+-- | Table indexed by a contiguous set of vertices.
+type Table a = Array Vertex a
+-- | Adjacency list representation of a graph, mapping each vertex to its
+-- list of successors.
+type Graph   = Table [Vertex]
+-- | The bounds of a 'Table'.
+type Bounds  = (Vertex, Vertex)
+-- | An edge from the first vertex to the second.
+type Edge    = (Vertex, Vertex)
+
+-- | All vertices of a graph.
+vertices :: Graph -> [Vertex]
+vertices  = indices
+
+-- | All edges of a graph.
+edges    :: Graph -> [Edge]
+edges g   = [ (v, w) | v <- vertices g, w <- g!v ]
+
+mapT    :: (Vertex -> a -> b) -> Table a -> Table b
+mapT f t = array (bounds t) [ (,) v (f v (t!v)) | v <- indices t ]
+
+-- | Build a graph from a list of edges.
+buildG :: Bounds -> [Edge] -> Graph
+buildG bounds0 edges0 = accumArray (flip (:)) [] bounds0 edges0
+
+-- | The graph obtained by reversing all edges.
+transposeG  :: Graph -> Graph
+transposeG g = buildG (bounds g) (reverseE g)
+
+reverseE    :: Graph -> [Edge]
+reverseE g   = [ (w, v) | (v, w) <- edges g ]
+
+-- | A table of the count of edges from each node.
+outdegree :: Graph -> Table Int
+outdegree  = mapT numEdges
+             where numEdges _ ws = length ws
+
+-- | A table of the count of edges into each node.
+indegree :: Graph -> Table Int
+indegree  = outdegree . transposeG
+
+-- | Build a graph from a list of nodes uniquely identified by keys,
+-- with a list of keys of nodes this node should have edges to.
+-- The out-list may contain keys that don't correspond to
+-- nodes of the graph; they are ignored.
+graphFromEdges
+       :: Ord key
+       => [(node, key, [key])]
+       -> (Graph, Vertex -> (node, key, [key]))
+graphFromEdges edges0
+  = (graph, \v -> vertex_map ! v)
+  where
+    max_v                  = length edges0 - 1
+    bounds0         = (0,max_v) :: (Vertex, Vertex)
+    sorted_edges    = sortBy lt edges0
+    edges1         = zipWith (,) [0..] sorted_edges
+
+    graph          = array bounds0 [(,) v (mapMaybe key_vertex ks) | (,) v (_,    _, ks) <- edges1]
+    key_map        = array bounds0 [(,) v k                       | (,) v (_,    k, _ ) <- edges1]
+    vertex_map     = array bounds0 edges1
+
+    (_,k1,_) `lt` (_,k2,_) = k1 `compare` k2
+
+    -- key_vertex :: key -> Maybe Vertex
+    --         returns Nothing for non-interesting vertices
+    key_vertex k   = findVertex 0 max_v
+                  where
+                    findVertex a b | a > b
+                             = Nothing
+                    findVertex a b = case compare k (key_map ! mid) of
+                                  LT -> findVertex a (mid-1)
+                                  EQ -> Just mid
+                                  GT -> findVertex (mid+1) b
+                             where
+                               mid = (a + b) `div` 2
+
+-------------------------------------------------------------------------
+--                                                                     -
+--     Depth first search
+--                                                                     -
+-------------------------------------------------------------------------
+
+type Set s    = STArray s Vertex Bool
+
+mkEmpty      :: Bounds -> ST s (Set s)
+mkEmpty bnds  = newArray bnds False
+
+contains     :: Set s -> Vertex -> ST s Bool
+contains m v  = readArray m v
+
+include      :: Set s -> Vertex -> ST s ()
+include m v   = writeArray m v True
+
+-- | A spanning forest of the graph, obtained from a depth-first search of
+-- the graph starting from each vertex in an unspecified order.
+dff          :: Graph -> Forest Vertex
+dff g         = dfs g (vertices g)
+
+-- | A spanning forest of the part of the graph reachable from the listed
+-- vertices, obtained from a depth-first search of the graph starting at
+-- each of the listed vertices in order.
+dfs          :: Graph -> [Vertex] -> Forest Vertex
+dfs g vs      = prune (bounds g) (map (generate g) vs)
+
+generate     :: Graph -> Vertex -> Tree Vertex
+generate g v  = Node v (map (generate g) (g!v))
+
+prune        :: Bounds -> Forest Vertex -> Forest Vertex
+prune bnds ts = runST (mkEmpty bnds  >>= \m ->
+                       chop m ts)
+
+chop         :: Set s -> Forest Vertex -> ST s (Forest Vertex)
+chop _ []     = return []
+chop m (Node v ts : us)
+              = contains m v >>= \visited ->
+                if visited then
+                  chop m us
+                else
+                  include m v >>= \_  ->
+                  chop m ts   >>= \as ->
+                  chop m us   >>= \bs ->
+                  return (Node v as : bs)
+
+-------------------------------------------------------------------------
+--                                                                     -
+--     Algorithms
+--                                                                     -
+-------------------------------------------------------------------------
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 1: depth first search numbering
+------------------------------------------------------------
+
+preorder            :: Tree a -> [a]
+preorder (Node a ts) = a : preorderF ts
+
+preorderF           :: Forest a -> [a]
+preorderF ts         = concat (map preorder ts)
+
+tabulate        :: Bounds -> [Vertex] -> Table Int
+tabulate bnds vs = array bnds (zipWith (,) vs [1..])
+
+preArr          :: Bounds -> Forest Vertex -> Table Int
+preArr bnds      = tabulate bnds . preorderF
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 2: topological sorting
+------------------------------------------------------------
+
+postorder :: Tree a -> [a]
+postorder (Node a ts) = postorderF ts ++ [a]
+
+postorderF   :: Forest a -> [a]
+postorderF ts = concat (map postorder ts)
+
+postOrd      :: Graph -> [Vertex]
+postOrd       = postorderF . dff
+
+-- | A topological sort of the graph.
+-- The order is partially specified by the condition that a vertex /i/
+-- precedes /j/ whenever /j/ is reachable from /i/ but not vice versa.
+topSort      :: Graph -> [Vertex]
+topSort       = reverse . postOrd
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 3: connected components
+------------------------------------------------------------
+
+-- | The connected components of a graph.
+-- Two vertices are connected if there is a path between them, traversing
+-- edges in either direction.
+components   :: Graph -> Forest Vertex
+components    = dff . undirected
+
+undirected   :: Graph -> Graph
+undirected g  = buildG (bounds g) (edges g ++ reverseE g)
+
+-- Algorithm 4: strongly connected components
+
+-- | The strongly connected components of a graph.
+scc  :: Graph -> Forest Vertex
+scc g = dfs g (reverse (postOrd (transposeG g)))
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 5: Classifying edges
+------------------------------------------------------------
+
+back              :: Graph -> Table Int -> Graph
+back g post        = mapT select g
+ where select v ws = [ w | w <- ws, post!v < post!w ]
+
+cross             :: Graph -> Table Int -> Table Int -> Graph
+cross g pre post   = mapT select g
+ where select v ws = [ w | w <- ws, post!v > post!w, pre!v > pre!w ]
+
+forward           :: Graph -> Graph -> Table Int -> Graph
+forward g tree pre = mapT select g
+ where select v ws = [ w | w <- ws, pre!v < pre!w ] \\ tree!v
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 6: Finding reachable vertices
+------------------------------------------------------------
+
+-- | A list of vertices reachable from a given vertex.
+reachable    :: Graph -> Vertex -> [Vertex]
+reachable g v = preorderF (dfs g [v])
+
+-- | Is the second vertex reachable from the first?
+path         :: Graph -> Vertex -> Vertex -> Bool
+path g v w    = w `elem` (reachable g v)
+
+------------------------------------------------------------
+-- Algorithm 7: Biconnected components
+------------------------------------------------------------
+
+-- | The biconnected components of a graph.
+-- An undirected graph is biconnected if the deletion of any vertex
+-- leaves it connected.
+bcc :: Graph -> Forest [Vertex]
+bcc g = (concat . map bicomps . map (do_label g dnum)) forest
+ where forest = dff g
+       dnum   = preArr (bounds g) forest
+
+do_label :: Graph -> Table Int -> Tree Vertex -> Tree (Vertex,Int,Int)
+do_label g dnum (Node v ts) = Node (v,dnum!v,lv) us
+ where us = map (do_label g dnum) ts
+       lv = minimum ([dnum!v] ++ [dnum!w | w <- g!v]
+                     ++ [lu | Node (u,du,lu) xs <- us])
+
+bicomps :: Tree (Vertex,Int,Int) -> Forest [Vertex]
+bicomps (Node (v,_,_) ts)
+      = [ Node (v:vs) us | (l,Node vs us) <- map collect ts]
+
+collect :: Tree (Vertex,Int,Int) -> (Int, Tree [Vertex])
+collect (Node (v,dv,lv) ts) = (lv, Node (v:vs) cs)
+ where collected = map collect ts
+       vs = concat [ ws | (lw, Node ws us) <- collected, lw<dv]
+       cs = concat [ if lw<dv then us else [Node (v:ws) us]
+                        | (lw, Node ws us) <- collected ]
diff --git a/Data/Tree.hs b/Data/Tree.hs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..763afa7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,72 @@
+-----------------------------------------------------------------------------
+-- |
+-- Module      :  Data.Tree
+-- Copyright   :  (c) The University of Glasgow 2002
+-- License     :  BSD-style (see the file libraries/base/LICENSE)
+-- 
+-- Maintainer  :  libraries@haskell.org
+-- Stability   :  experimental
+-- Portability :  portable
+--
+-- Multi-way trees (/aka/ rose trees) and forests.
+--
+-- Also included are neat presentations for trees and forests.
+--
+-----------------------------------------------------------------------------
+
+module Data.Tree(
+       Tree(..), Forest,
+       flatten, levels,
+    ) where
+
+-- | Multi-way trees, also known as /rose trees/.
+data Tree a   = Node a (Forest a) -- ^ a value and zero or more child trees.
+type Forest a = [Tree a]
+
+instance Functor Tree where
+  fmap = mapTree
+
+mapTree              :: (a -> b) -> (Tree a -> Tree b)
+mapTree f (Node x ts) = Node (f x) (map (mapTree f) ts)
+
+instance Show a => Show (Tree a) where
+  show = showTree
+  showList ts s = showForest ts ++ s
+
+showTree :: Show a => Tree a -> String
+showTree  = drawTree . mapTree show
+
+showForest :: Show a => Forest a -> String
+showForest  = unlines . map showTree
+
+drawTree :: Tree String -> String
+drawTree  = unlines . draw
+
+draw :: Tree String -> [String]
+draw (Node x ts0) = grp this (space (length this)) (stLoop ts0)
+ where this          = s1 ++ x ++ " "
+
+       space n       = replicate n ' '
+
+       stLoop []     = [""]
+       stLoop [t]    = grp s2 "  " (draw t)
+       stLoop (t:ts) = grp s3 s4 (draw t) ++ [s4] ++ rsLoop ts
+
+       rsLoop []     = error "rsLoop:Unexpected empty list."
+       rsLoop [t]    = grp s5 "  " (draw t)
+       rsLoop (t:ts) = grp s6 s4 (draw t) ++ [s4] ++ rsLoop ts
+
+       grp fst0 rst  = zipWith (++) (fst0:repeat rst)
+
+       [s1,s2,s3,s4,s5,s6] = ["- ", "--", "-+", " |", " `", " +"]
+
+-- | The elements of a tree in pre-order.
+flatten :: Tree a -> [a]
+flatten t = squish t []
+ where squish (Node x ts) xs = x:foldr squish xs ts
+
+-- | Lists of nodes at each level of the tree.
+levels :: Tree a -> [[a]]
+levels t = map (map root) $ takeWhile (not . null) $ iterate subforest [t]
+ where root (Node x _) = x
+       subforest f     = [t | Node _ ts <- f, t <- ts]