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獲取父母所有后代的快速方法

2022-02-18 19:05:01 企業開發

parent-child關系資料框如下

  parent_id child_id
1         1        2
2         2        3
3         3        4

目標是實作以下目標,即先前資料框的擴展版本,其中所有后代(子代、孫代等)都分配給每個父代(包括父代/子代本身):

   parent_id child_id
1          1        1
2          1        2
3          1        3
4          1        4
5          2        2
6          2        3
7          2        4
8          3        3
9          3        4
10         4        4

我的問題是:在 R 中實作這一目標的最快方法(或其中一種方法)是什么?

我已經嘗試過各種方法——從 for 回圈、SQL 遞回到使用igraph(如此所述)。它們都相當慢,其中一些在處理大量組合時也容易崩潰。

下面是帶有sqldf和的示例igraph,在比上面稍大的資料幀上進行了基準測驗。

library(sqldf)
library(purrr)
library(dplyr)
library(igraph)

df <- data.frame(parent_id = 1:1000L)
df$child_id <- df$parent_id   1L

# SQL recursion

sqlQuery <- 'with recursive
             dfDescendants (parent_id, child_id)
             as
             (select parent_id, child_id from df
             union all
             select d.parent_id, s.child_id from dfDescendants d
             join df s
             on d.child_id = s.parent_id)
             select distinct parent_id, parent_id as child_id from dfDescendants
             union
             select distinct child_id as parent_id, child_id from dfDescendants
             union
             select * from dfDescendants;'

sqldf(sqlQuery)

# igraph with purrr

df_g = graph_from_data_frame(df, directed = TRUE)

map(V(df_g), ~ names(subcomponent(df_g, .x, mode = "out"))) %>% 
  map_df(~ data.frame(child_id = .x), .id = "parent_id")

Benchmark (excl. query creation in sqldf and conversion to graph in igraph):

set.seed(23423)

microbenchmark::microbenchmark(
  sqldf = sqldf(sqlQuery),
  tidyigraph = map(V(df_g), ~ names(subcomponent(df_g, .x, mode = "out"))) %>% 
    map_df(~ data.frame(child_id = .x), .id = "parent_id"),
  times = 5
)

#    Unit: seconds
#           expr      min       lq     mean   median       uq      max neval
#          sqldf 7.815179 8.002836 8.113392 8.084038 8.315207 8.349701     5
#     tidyigraph 5.784239 5.806539 5.883241 5.889171 5.964906 5.971350     5

uj5u.com熱心網友回復:

我們可以ego像下面這樣使用

g <- graph_from_data_frame(df)

setNames(
  rev(
    stack(
      Map(
        names,
        setNames(
          ego(g,
            order = vcount(g),
            mode = "out"
          ),
          names(V(g))
        )
      )
    )
  ),
  names(df)
)

這使

   parent_id child_id
1          1        1
2          1        2
3          1        3
4          1        4
5          2        2
6          2        3
7          2        4
8          3        3
9          3        4
10         4        4

基準測驗

set.seed(23423)

microbenchmark::microbenchmark(
  sqldf = sqldf(sqlQuery),
  tidyigraph = map(V(df_g), ~ names(subcomponent(df_g, .x, mode = "out"))) %>%
    map_df(~ data.frame(child_id = .x), .id = "parent_id"),
  ego = setNames(
    rev(
      stack(
        Map(
          names,
          setNames(
            ego(df_g,
              order = vcount(df_g),
              mode = "out"
            ),
            names(V(df_g))
          )
        )
      )
    ),
    names(df)
  ),
  times = 5
)

節目

Unit: milliseconds
       expr       min       lq      mean    median         uq        max neval
      sqldf 7156.2753 9072.155 9402.6904 9518.2796 10206.3683 11060.3738     5
 tidyigraph 2483.9943 2623.558 3136.7490 2689.8388  2879.5688  5006.7853     5
        ego  182.5941  219.151  307.2481  253.2171   325.8721   555.4064     5

uj5u.com熱心網友回復:

igraph 當然是回答圖形問題的好方法(另請參閱 Bioconductor 的圖形 RBGL包),但我認為這在 R 中有一個迭代解決方案。

似乎一種合理方法是執行深度優先的圖遍歷(我期待一個更好的解決方案)。這實際上很容易在 R 中有效實作。假設向量pidcid描述圖中父節點和子節點之間的鏈接(如問題中的 data.frame 中所示)。將每個節點表示為一個正整數。

all_nodes <- unique(c(parent_id, child_id)  # all nodes
uid <- match(all_nodes, all_nodes)
pid <- match(parent_id, all_nodes)
cid <- match(child_id, all_nodes)

并形成從每個節點到其所有子節點的邊串列。

edge_list <- unname(split(cid, factor(pid, levels = uid)))
edge_lengths <- lengths(edge_list)

當前子節點的子節點為edge_list[cid],每個原始父節點關聯的二級子節點數量為rep(pid, edge_lengths[cid])所以從任何節點到任何其他可達節點的路徑都被簡單迭代遍歷

while (length(pid)) {
    pid <- rep(pid, edge_lengths[cid])
    cid <- unlist(edge_list[cid])
}

@jblood94 指出遍歷必須跟蹤已經訪問過的邊。我們可以通過創建訪問邊的邏輯向量來有效地實作這一點(在時間上,而不是空間上!)。我們使用“工廠”模式,我們創建一個保留狀態的函式(訪問的節點的邏輯向量)。key該向量由邊緣的唯一 id() 索引pid * n cid我們對不重復且尚未訪問過的鍵感興趣。

visitor <- function(uid, n_max = 3000) {
    n <- length(uid)
    if (n <= n_max) {
        ## over-allocate, to support `key = pid * n   cid`
        visited <- logical((n   1L) * n) # FALSE on construction
    } else {
        stop("length(uid) greater than n_max = ", n_max)
    }
    function(pid, cid) {
        key <- pid * n   cid
        to_visit <- !(duplicated(key) | visited[key])
        visited[key[to_visit]] <<- TRUE  # update nodes that we will now visit
        to_visit
    }
}

因此

> visit = visitor(1:10)
> visit(1:3, 2:4)
[1] TRUE TRUE TRUE
> visit(2:4, 3:5)
[1] FALSE FALSE  TRUE

這是整個解決方案的更完整實作,帶有額外的簿記

visitor <- function(uid, n_max = 3000) {
    n <- length(uid)
    if (n <= n_max) {
        ## over-allocate, to support `key = pid * n   cid`
        visited <- logical((n   1L) * n) # FALSE on construction
    } else {
        stop("length(uid) greater than n_max = ", n_max)
    }
    function(pid, cid) {
        key <- pid * n   cid
        to_visit <- !(duplicated(key) | visited[key])
        visited[key[to_visit]] <<- TRUE
        to_visit
    }
}

ancestor_descendant <- function(df) {
    ## encode parent and child to unique integer values
    ids <- unique(c(df$parent_id, df$child_id))
    uid <- match(ids, ids)
    pid <- match(df$parent_id, ids)
    cid <- match(df$child_id, ids)
    n <- length(uid)

    ## edge list of parent-offspring relationships, based on unique
    ## integer values; list is ordered by id, all ids are present, ids
    ## without children have zero-length elements. Use `unname()` so
    ## that edge_list is always indexed by integer
    edge_list <- unname(split(cid, factor(pid, levels = uid), drop = FALSE))
    edge_lengths <- lengths(edge_list)

    visit <- visitor(uid)
    keep <- visit(uid, uid) # all TRUE
    aid = did = list(uid) # results -- all uid's are there own ancestor / descendant
    i = 1L
   
    while (length(pid)) {
        ## only add new edges
        keep <- visit(pid, cid)
        ## record current generation ancestors and descendants
        pid <- pid[keep]
        cid <- cid[keep]
        i <- i   1L
        aid[[i]] <- pid
        did[[i]] <- cid

        ## calculate next generation pid and cid.
        pid <- rep(pid, edge_lengths[cid])
        cid <- unlist(edge_list[cid])
    }
    ## decode results to original ids and clean up return value
    df <- data.frame(
        ancestor_id = ids[unlist(aid)],
        descendant_id = ids[unlist(did)]
    )
    df <- df[order(df$ancestor_id, df$descendant_id),]
    rownames(df) <- NULL
    df
}

This seems to be correct and performant, at least superficially

## Original example
df <- data.frame(parent_id = 1:1000L)
df$child_id <- df$parent_id   1L
df = df[sample(nrow(df)),]
system.time(result <- ancestor_descendant(df))
##  user  system elapsed 
## 0.243   0.001   0.245 
dim(result)
## [1] 501501      2

## updated example from comments
df <- data.frame(parent_id = 1:1000L)
df$child_id <- df$parent_id   1L
df <- rbind(df, data.frame(parent_id = 1000L, child_id = 1002L))
system.time(result <- ancestor_descendant(df))
##  user  system elapsed 
## 0.195   0.001   0.195 
dim(result)
## [1] 502502      2

## problematic case from @jblood94
df <- data.frame(
    parent_id=c(1, 1, 2),
    child_id = c(2, 3, 3)
)
ancestor_descendant(df)
##   ancestor_id descendant_id
## 1           1             1
## 2           1             2
## 3           1             3
## 4           2             2
## 5           2             3
## 6           3             3

## previously failed without filtering re-visited nodes
df <- data.frame(
    parent_id = rep(1:100, each = 2),
    child_id = c(2, rep(3:101, each = 2), 102)
)
system.time(result <- ancestor_descendant(df))
##  user  system elapsed 
## 0.005   0.000   0.006 
dim(result)
## [1] 5252    2

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qiye/426863.html

標籤:r performance recursion graph-theory igraph

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