RTree源代码——C语言实现

Posted 车斗

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了RTree源代码——C语言实现相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

RTree源代码——C语言实现

cheungmine

一、什么是RTree

“R树是B树向多维空间发展的另一种形式,它将空间对象按范围划分,每个结点都对应一个区域和一个磁盘页,非叶结点的磁盘页中存储其所有子结点的区域范围,非叶结点的所有子结点的区域都落在它的区域范围之内;叶结点的磁盘页中存储其区域范围之内的所有空间对象的外接矩形。每个结点所能拥有的子结点数目有上、下限,下限保证对磁盘空间的有效利用,上限保证每个结点对应一个磁盘页,当插入新的结点导致某结点要求的空间大于一个磁盘页时,该结点一分为二。R树是一种动态索引结构,即:它的查询可与插入或删除同时进行,而且不需要定期地对树结构进行重新组织。当更新一个关系并且在这个关系上正在做扫描时,如果更新影响到了扫描操作的任何一个页,我们需要检查扫描并且修复它。”

其实上面的话,你也不用多做研究。理解RTree是范围树,适合做空间索引(快速查找)。更多的关于RTree的知识我也没时间写在这里,我只知道原理,然后提供了下面的代码(经过我修改,看起来更顺眼些)。一定要用它。感谢算法的原作者和发明算法的人。“帝国大厦的建立,人才更在资本之上”啊!

 二、RTree的实现代码

本文的代码来源于GRASS,我根据自己的习惯,作了适当的修改,把原来多个文件合成了2个文件(rtree.h和rtree.c)。本文提供了完整的rtree实现代码和一个简单的测试代码(test.c)。如果你发现什么问题,请及时提交评论,以利改正。

RTree.h文件:

 

/* ***************************************************************************
* RTree.H
*
* MODULE:       R-Tree library 
*              
* AUTHOR(S):    Antonin Guttman - original code
*               Daniel Green (green@superliminal.com) - major clean-up
*                               and implementation of bounding spheres
*               
* PURPOSE:      Multi Dimensional Index
*
* COPYRIGHT:    (C) 2001 by the GRASS Development Team
*
*               This program is free software under the GNU General Public
*               License (>=v2). Read the file COPYING that comes with GRASS
*               for details.
*
* LAST MODIFY:         ZhangLiang (cheungmine@gmail.com) - 2007-11
****************************************************************************
*/
#ifndef  RTREE_H_INCLUDED
#define   RTREE_H_INCLUDED

/*  PAGE_SIZE is normally the natural page size of the machine  */
#define   PAGE_SIZE    512
#define   DIMS_NUMB    3       /* number of dimensions */
#define   SIDES_NUMB   2*DIMS_NUMB

/*  typedef float REALTYPE;  */
typedef 
double  REALTYPE;


#ifndef  TRUE
#define   TRUE        1
#define   FALSE        0
#endif


typedef 
struct  _RTREEMBR

    REALTYPE bound[SIDES_NUMB]; 
/*  xmin,ymin,...,xmax,ymax,...  */
RTREEMBR;

typedef 
struct  _RTREEBRANCH
        
    RTREEMBR    mbr;
    
struct  _RTREENODE  * child;     /*  mbr id  */
RTREEBRANCH;

/*  max branching factor of a node  */
#define  MAXCARD (int)((PAGE_SIZE-(2*sizeof(int))) / sizeof(RTREEBRANCH))

typedef 
struct  _RTREENODE

    
int     count;
    
int     level;  /*  0 is leaf, others positive  */
    RTREEBRANCH  branch[MAXCARD];
RTREENODE;

typedef 
struct  _RTREELISTNODE

     
struct  _RTREELISTNODE     * next;
     RTREENODE        
* node;
RTREELISTNODE;

/*
* If passed to a tree search, this callback function will be called
* with the ID of each data mbr that overlaps the search mbr
* plus whatever user specific pointer was passed to the search.
* It can terminate the search early by returning 0 in which case
* the search will return the number of hits found up to that point.
*/
typedef 
int  ( * pfnSearchHitCallback)( int  id,  void *  pfnParam);


int  RTreeSetNodeMax( int  new_max);

int  RTreeSetLeafMax( int  new_max);

int  RTreeGetNodeMax( void );

int  RTreeGetLeafMax( void );

/* *
 * Initialize a rectangle to have all 0 coordinates.
 
*/
void  RTreeInitRect( RTREEMBR  * rc);

/* *
 * Return a mbr whose first low side is higher than its opposite side -
 * interpreted as an undefined mbr.
 
*/
RTREEMBR RTreeNullRect(
void );


/* *
 * Print out the data for a rectangle.
 
*/
void  RTreePrintRect( RTREEMBR  * rc,  int  depth );

/* *
 * Calculate the 2-dimensional area of a rectangle
 
*/
REALTYPE RTreeRectArea( RTREEMBR 
* rc );

/* *
 * Calculate the n-dimensional volume of a rectangle
 
*/
REALTYPE RTreeRectVolume( RTREEMBR 
* rc );


/* *
 * Calculate the n-dimensional volume of the bounding sphere of a rectangle
 * The exact volume of the bounding sphere for the given RTREEMBR.
 
*/
REALTYPE RTreeRectSphericalVolume( RTREEMBR 
* rc );


/* *
 * Calculate the n-dimensional surface area of a rectangle
 
*/
REALTYPE RTreeRectSurfaceArea( RTREEMBR 
* rc );


/* *
 * Combine two rectangles, make one that includes both.
 
*/
RTREEMBR RTreeCombineRect( RTREEMBR 
* rc1, RTREEMBR  * rc2 );


/* *
 * Decide whether two rectangles overlap.
 
*/
int  RTreeOverlap( RTREEMBR  * rc1, RTREEMBR  * rc2);


/* *
 * Decide whether rectangle r is contained in rectangle s.
 
*/
int  RTreeContained( RTREEMBR  * r, RTREEMBR  * s);

/* *
 * Split a node.
 * Divides the nodes branches and the extra one between two nodes.
 * Old node is one of the new ones, and one really new one is created.
 * Tries more than one method for choosing a partition, uses best result.
 
*/
void  RTreeSplitNode( RTREENODE  * node, RTREEBRANCH  * br, RTREENODE  ** new_node);

/* *
 * Initialize a RTREENODE structure. 
 
*/
void  RTreeInitNode( RTREENODE  * node );

/*
 * Make a new node and initialize to have all branch cells empty. 
 
*/
RTREENODE 
* RTreeNewNode( void );

void  RTreeFreeNode( RTREENODE  * node );


/* *
 * Print out the data in a node. 
 
*/
void  RTreePrintNode( RTREENODE  * node,  int  depth );


/* *
 * Find the smallest rectangle that includes all rectangles in branches of a node.
 
*/
RTREEMBR RTreeNodeCover( RTREENODE 
* node );


/* *
 * Pick a branch.  Pick the one that will need the smallest increase
 * in area to accomodate the new rectangle.  This will result in the
 * least total area for the covering rectangles in the current node.
 * In case of a tie, pick the one which was smaller before, to get
 * the best resolution when searching.
 
*/
int  RTreePickBranch( RTREEMBR  * rc, RTREENODE  * node);


/* *
 * Add a branch to a node.  Split the node if necessary.
 * Returns 0 if node not split.  Old node updated.
 * Returns 1 if node split, sets *new_node to address of new node.
 * Old node updated, becomes one of two.
 
*/
int  RTreeAddBranch( RTREEBRANCH  * br, RTREENODE  * node, RTREENODE  ** new_node);


/* *
 * Disconnect a dependent node. 
 
*/
void  RTreeDisconnectBranch( RTREENODE  * node,  int  i );


/* *
 * Destroy (free) node recursively. 
 
*/
void  RTreeDestroyNode ( RTREENODE  * node );


/* *
 * Create a new rtree index, empty. Consists of a single node. 
 
*/
RTREENODE 
*  RTreeCreate( void );


/* *
 * Destroy a rtree root must be a root of rtree. Free all memory.
 
*/
void  RTreeDestroy(RTREENODE  * root);


/* *
 * Search in an index tree or subtree for all data rectangles that overlap the argument rectangle.
 * Return the number of qualifying data rects.
 
*/
int  RTreeSearch( RTREENODE  * node, RTREEMBR  * rc, pfnSearchHitCallback pfnSHCB,  void *  pfnParam);

/*
 * Insert a data rectangle into an index structure.
 * RTreeInsertRect provides for splitting the root;
 * returns 1 if root was split, 0 if it was not.
 * The level argument specifies the number of steps up from the leaf
 * level to insert; e.g. a data rectangle goes in at level = 0.
 * _RTreeInsertRect does the recursion.
 
*/
int  RTreeInsertRect( RTREEMBR  * rc,  int  tid, RTREENODE  ** root,  int  level);

/* *
 * Delete a data rectangle from an index structure.
 * Pass in a pointer to a RTREEMBR, the tid of the record, ptr to ptr to root node.
 * Returns 1 if record not found, 0 if success.
 * RTreeDeleteRect provides for eliminating the root.
 
*/
int  RTreeDeleteRect( RTREEMBR  * rc,  int  tid, RTREENODE  ** root);

#endif  /* RTREE_H_INCLUDED */

 

RTree.C文件:

 

/* ***************************************************************************
* RTree.C
*
* MODULE:       R-Tree library 
*              
* AUTHOR(S):    Antonin Guttman - original code
*               Daniel Green (green@superliminal.com) - major clean-up
*                               and implementation of bounding spheres
*               
* PURPOSE:      Multi Dimensional Index
*
* COPYRIGHT:    (C) 2001 by the GRASS Development Team
*
*               This program is free software under the GNU General Public
*               License (>=v2). Read the file COPYING that comes with GRASS
*               for details.
*
* LAST MODIFY:         ZhangLiang (cheungmine@gmail.com) - 2007-11
****************************************************************************
*/

#include 
< stdio.h >
#include 
< stdlib.h >
#include 
< assert.h >
#include 
< float .h >
#include 
< math.h >

#include 
" rtree.h "

#define         METHODS        1

/*  variables for finding a partition  */
typedef 
struct  _RTREEPARTITION

    
int             partition[MAXCARD + 1 ];
    
int             total;
    
int             minfill;
    
int             taken[MAXCARD + 1 ];
    
int             count[ 2 ];
    RTREEMBR    cover[
2 ];
    REALTYPE    area[
2 ];
 RTREEPARTITION;

RTREEBRANCH        BranchBuf[MAXCARD
+ 1 ];
int                 BranchCount;
RTREEMBR        CoverSplit;
REALTYPE        CoverSplitArea;
RTREEPARTITION    Partitions[METHODS];


#define  BIG_NUM (FLT_MAX/4.0)

#define  INVALID_RECT(x) ((x)->bound[0] > (x)->bound[DIMS_NUMB])
#define  MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define  MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

int  NODECARD  =  MAXCARD;
int  LEAFCARD  =  MAXCARD;

/*  balance criteria for node splitting  */
/*  NOTE: can be changed if needed.  */
#define  MINNODEFILL (NODECARD / 2)
#define  MINLEAFFILL (LEAFCARD / 2)

#define  MAXKIDS(n) ((n)->level > 0 ? NODECARD : LEAFCARD)
#define  MINFILL(n) ((n)->level > 0 ? MINNODEFILL : MINLEAFFILL)

static   int  set_max( int   * which,  int  new_max)

    
if ( 2   >  new_max  ||  new_max  >  MAXCARD)
        
return   0 ;
    
* which  =  new_max;
    
return   1 ;



/* *
 * Load branch buffer with branches from full node plus the extra branch.
 
*/
static   void  _RTreeGetBranches( RTREENODE  * node, RTREEBRANCH  * br)

    
int  i;

    assert(node 
&&  br);
    
    
/*  load the branch buffer  */
    
for  (i = 0 ; i < MAXKIDS(node); i ++ )
    
        assert(node
-> branch[i].child);  /*  n should have every entry full  */
        BranchBuf[i] 
=  node -> branch[i];
    

    BranchBuf[MAXKIDS(node)] 
=   * br;
    BranchCount 
=  MAXKIDS(node)  +   1 ;

    
/*  calculate mbr containing all in the set  */
    CoverSplit 
=  BranchBuf[ 0 ].mbr;

    
for  (i = 1 ; i < MAXKIDS(node) + 1 ; i ++ )
    
        CoverSplit 
=  RTreeCombineRect( & CoverSplit,  & BranchBuf[i].mbr);
    

    CoverSplitArea 
=  RTreeRectSphericalVolume( & CoverSplit);
    RTreeInitNode(node);




/* *
 * Put a branch in one of the groups.
 
*/
static   void  _RTreeClassify( int  i,  int  group, RTREEPARTITION  * p)

    assert(p);
    assert(
! p -> taken[i]);

    p
-> partition[i]  =  group;
    p
-> taken[i]  =  TRUE;

    
if  (p -> count[group]  ==   0 )
        p
-> cover[group]  =  BranchBuf[i].mbr;
    
else
        p
-> cover[group]  =  RTreeCombineRect( & BranchBuf[i].mbr,  & p -> cover[group]);
    
    p
-> area[group]  =  RTreeRectSphericalVolume( & p -> cover[group]);
    p
-> count[group] ++ ;


/* *
 * Pick two rects from set to be the first elements of the two groups.
 * Pick the two that waste the most area if covered by a single rectangle.
 
*/
static   void  _RTreePickSeeds(RTREEPARTITION  * p)

    
int  i, j, seed0 = 0 , seed1 = 0 ;
    REALTYPE worst, waste, area[MAXCARD
+ 1 ];

    
for  (i = 0 ; i < p -> total; i ++ )
        area[i] 
=  RTreeRectSphericalVolume( & BranchBuf[i].mbr);
    
    worst 
=   - CoverSplitArea  -   1 ;
    
    
for  (i = 0 ; i < p -> total - 1 ; i ++ )
    
        
for  (j = i + 1 ; j < p -> total; j ++ )
        
            RTREEMBR one_rect;
            one_rect 
=  RTreeCombineRect( & BranchBuf[i].mbr,  & BranchBuf[j].mbr);
            waste 
=  RTreeRectSphericalVolume( & one_rect)  -  area[i]  -  area[j];
            
if  (waste  >  worst)
            
                worst 
=  waste;
                seed0 
=  i;
                seed1 
=  j;
            
        
    
    _RTreeClassify(seed0, 
0 , p);
    _RTreeClassify(seed1, 
1 , p);



/* *
 * Copy branches from the buffer into two nodes according to the partition.
 
*/
static   void  _RTreeLoadNodes( RTREENODE  * n, RTREENODE  * q, RTREEPARTITION  * p)

    
int  i;
    assert(n 
&&  q  &&  p);

    
for  (i = 0 ; i < p -> total; i ++ )
    
        assert(p
-> partition[i]  ==   0   ||  p -> partition[i]  ==   1 );
        
if  (p -> partition[i]  ==   0 )
            RTreeAddBranch(
& BranchBuf[i], n, NULL);
        
else   if  (p -> partition[i]  ==   1 )
            RTreeAddBranch(
& BranchBuf[i], q, NULL);
    


/* *
 * Initialize a RTREEPARTITION structure.
 
*/
static   void  _RTreeInitPart( RTREEPARTITION  * p,  int  maxrects,  int  minfill)

    
int  i;
    assert(p);

    p
-> count[ 0 =  p -> count[ 1 =   0 ;
    p
-> cover[ 0 =  p -> cover[ 1 =  RTreeNullRect();
    p
-> area[ 0 =  p -> area[ 1 =  (REALTYPE) 0 ;
    p
-> total  =  maxrects;
    p
-> minfill  =  minfill;
    
for  (i = 0 ; i < maxrects; i ++ )
    
        p
-> taken[i]  =  FALSE;
        p
-> partition[i]  =   - 1 ;
    



/* *
 * Print out data for a partition from RTREEPARTITION struct.
 
*/
static   void  _RTreePrintPart( RTREEPARTITION  * p)

    
int  i;
    assert(p);
    
    fprintf (stdout, 
" partition: " );
    
for  (i = 0 ; i < p -> total; i ++ )
    
        fprintf (stdout, 
" %3d " , i);
    
    fprintf (stdout, 
" " );
    
for  (i = 0 ; i < p -> total; i ++ )
    
        
if  (p -> taken[i])
            fprintf (stdout, 
"   t " );
        
else
            fprintf (stdout, 
" " );
    
    fprintf (stdout, 
" " );
    
for  (i = 0 ; i < p -> total; i ++ )
    
        fprintf (stdout, 
" %3d " , p -> partition[i]);
    
    fprintf (stdout, 
" " );

    fprintf (stdout, 
" count[0] = %d  area = %f " , p -> count[ 0 ], p -> area[ 0 ]);
    fprintf (stdout, 
" count[1] = %d  area = %f " , p -> count[ 1 ], p -> area[ 1 ]);
    
if  (p -> area[ 0 +  p -> area[ 1 >   0 )
    
        fprintf (stdout, 
" total area = %f  effectiveness = %3.2f "
            p
-> area[ 0 +  p -> area[ 1 ], ( float )CoverSplitArea  /  (p -> area[ 0 +  p -> area[ 1 ]));
    
    fprintf (stdout, 
" cover[0]: " );
    RTreePrintRect(
& p -> cover[ 0 ],  0 );

    fprintf (stdout, 
" cover[1]: " );
    RTreePrintRect(
& p -> cover[ 1 ],  0 );



/* *
 * Method #0 for choosing a partition:
 * As the seeds for the two groups, pick the two rects that would waste the
 * most area if covered by a single rectangle, i.e. evidently the worst pair
 * to have in the same group.
 * Of the remaining, one at a time is chosen to be put in one of the two groups.
 * The one chosen is the one with the greatest difference in area expansion
 * depending on which group - the mbr most strongly attracted to one group
 * and repelled from the other.
 * If one group gets too full (more would force other group to violate min
 * fill requirement) then other group gets the rest.
 * These last are the ones that can go in either group most easily.
 
*/
static   void  _RTreeMethodZero( RTREEPARTITION  * p,  int  minfill )

    
int  i;
    REALTYPE biggestDiff;
    
int  group, chosen = 0 , betterGroup = 0 ;
    assert(p);

    _RTreeInitPart(p, BranchCount, minfill);
    _RTreePickSeeds(p);

    
while  (p -> count[ 0 +  p -> count[ 1 <  p -> total  &&  
        p
-> count[ 0 <  p -> total  -  p -> minfill  &&  
        p
-> count[ 1 <  p -> total  -  p -> minfill)
    
        biggestDiff 
=  (REALTYPE) - 1 .;
        
for  (i = 0 ; i Rtree实现多维空间搜索

Rtree实现多维空间搜索

有效地实现下限/欧几里得整数除法

我可以在线程中使用 Boost.Geometry.index.rtree 吗?

windows环境下安装Python的Rtree包

boost中rtree中的打包算法