netlib - Network Library （弃用）

(netlib已弃用且不再更新和维护，请使用CimNet.)

C++支持的复杂网络生成库
作者：胡鑫涛
版本号：Beta1.0

• • 什么是netlib？
    • netlib简介
    • netlib的优势
    • 获取netlib
  • netlib的组成
    • netlib文件结构
    • netlib类结构
  • netlib API说明
    • 基础类型
    • netlib中的随机数
    • 支持的网络
      • UndirectedNet - 无向网络
      • FullConnectedNet - 全连接网络
      • RegularNet - 规则网络
      • FixedDegreeNet - 固定度的网络（有潜在的算法错误，弃用）
      • ERRandomNet - ER随机图
      • GridNet - 二维格子
      • CubicNet - 立方体网络
      • HoneycombNet - 蜂窝网络
      • KagomeNet - Kagome晶格网络
      • ScaleFreeNet - 无标度网络
  • netlib在博弈模拟程序中的应用

什么是netlib？

netlib简介

netlib是Network Library的简称，是C++原生支持的复杂网络库，可以用于生成一些常见的复杂网络，包括：全连接网络、规则网络、度固定的网络、ER随机图、规则格子、立方体网络、蜂窝网络、二维Kagome晶格网络和Scale-free网络等。

netlib的优势

这个库使用C++的面向对象性质设计，具有良好的封装性和可移植性，并且组件易于拓展。同时由于这个网络存储使用十字链表实现，其运行效率较MATLAB和Python的类似库要高。

获取netlib

netlib的当前版本只适用于Windows上Dev-Cpp和unix环境（带make指令）的开发环境，支持VS编译及其他环境的库将被纳入开发例程。
下载netlib：netlib.zip
下载DevC++开发环境：Devcpp.exe

netlib的组成

netlib文件结构

netlib包含于netlib文件夹内，由以下文件组成：

库文件名	作用和功能
_basic_type.h	定义了基础的节点数据类型。（不建议直接引用）
_exception.h	定义了基本异常类。（不建议直接引用）
_ud_net.h	定义了无向网络基类。（一般不建议直接引用）
common_net.h	定义了普通网络。（详情见：netlib API说明）
random.h	定义了随机数生成的相关函数。（详情见：netlib中的随机数）
sfnet.h	定义了无标度网络。（详情见：netlib API说明）
netlib32.a	32位二进制数据文件。（使用方法：构建包含netlib的工程）
netlib64.a	64位二进制数据文件。（使用方法：构建包含netlib的工程）

netlib类结构

点击这里下载大图：netlib_beta1.0.svg

netlib API说明

基础类型

数据类型	含义	属于头文件
Vexid	节点编号，从0开始计算	_basic_type.h
Vexpair	一对节点编号，用一个二元数组保存（忽略）	_basic_type.h
Vex, *VexArr	节点，与内部存储有关（忽略）	_basic_type.h
Link	边，与内部存储有关（忽略）	_basic_type.h
NeighborArray, NeiArr	邻居数组，动态存储	_ud_net.h
NetException	网络异常类（忽略）	_exception.h
UndirectedNet, UDNet	无向网络（忽略）	common_net.h
FullConnectedNet, WellMixNet, WMNet, FCNet	全连接网络	common_net.h
RegularNet, RENet	规则网络	common_net.h
FixedDegreeNet, FDNet（不建议）	固定度的网络	common_net.h
ERRandomNet, ERNet	ER随机图	common_net.h
GridNet, Grid	二维格子（Square Lattice）	common_net.h
CubicNet, Cube, CBNet	立方体网络	common_net.h
HoneycombNet, HCNet	蜂窝网络	common_net.h
KagomeNet, KGNet	Kagome晶格网络	common_net.h
ScaleFreeNet, SFNet	无标度网络	sfnet.h

netlib中的随机数

netlib包含了随机数库random.h，使用了Mersenne twister随机数生成算法。这个算法是由Makoto Matsumoto（松本 眞）和Takuji Nishimura（西村 拓士）于1997年提出的。

random.h中的函数如下：

double genrand();                  /* 指定随机数产生种子 */
double randf();                    /* 产生一个范围在(0, 1)中的随机浮点数 */
long randi(unsigned long LIM);     /* 产生一个范围在[0, LIM-1]中的随机整数 */

支持的网络

UndirectedNet - 无向网络

（在程序代码中又可以写作UDNet）

class UndirectedNet{
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const UndirectedNet& net); /* 友元，打印网络信息 */

    public:
        /* 构造与析构 */
        explicit UndirectedNet(int vex_num = 0);         /* 传入网络总节点个数vex_num以构造网络 */

        /* 网络操作 */
        bool addLink(Vexid vex1, Vexid vex2);            /* 给vex1和vex2之间添加连边 */
        bool removeLink(Vexid vex1, Vexid vex2);         /* 删除vex1和vex2之间的连边 */
        bool buildNeighbors();                           /* 性能优化，建议构造网络完毕后添加 */

        /* 数据读取 */
        int totalVexNum();                               /* 返回网络总节点数 */
        int totalLinksNum();                             /* 返回网络总边数 */
        int totalDegree();                               /* 返回网络总度数 */
        int vexDegree(Vexid vex);                        /* 传入节点编号，获取该节点的度 */
        double avgDegree();                              /* 返回网络的平均度 */
        NeighborArray &getNeighbors(Vexid vex);          /* 传入节点编号，获取该节点的所有邻居 */
        std::string links_bidirected();                  /* 以字符串形式返回网络的所有连边（双向） */
        std::string links_csv();                         /* 以逗号分隔值形式描述网络的所有连边（单向） */
        std::string details();                           /* 以字符串形式返回网络基本信息 */
        std::string links_details();                     /* 以字符串形式返回网络连边基本信息 */
        std::string links_details_horizontal();          /* 以字符串形式返回网络连边基本信息（按十字链表垂直关系） */
        bool isLinked(Vexid vex1, Vexid vex2);           /* 传入两个节点，若他们之间有连边则返回true，否则返回false */
};

这个类中的方法同样有一下别名：（虽然支持别名，但还是建议使用标准名称）

标准名称	别名
addLink	addEdge
removeLink	removeEdge
totalLinksNum	totalEdgesNum
links_bidirected	edges_bidirected
links_csv	edges_csv
links_details	edges_details
links_details_horizontal	edges_details_horizontal
isLinked	isNeighbor
total_links	total_edges

FullConnectedNet - 全连接网络

（在程序代码中又可以写作WellMixNet, WMNet, FCNet）

FullConnectedNet(int vex_num, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
vex_num	网络的总节点数
silence_mode	安静模式

（注：安静模式传入false则会打印构建网络的进度和网络创建完成的提示，该参数默认值为true，故可以省略，下文不再赘述。）

RegularNet - 规则网络

（在程序代码中又可以写作RENet）

RegularNet(int vex_num, int links_num, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
vex_num	网络的总节点数
links_num	每个节点向右连边的个数，传统为2
silence_mode	安静模式

FixedDegreeNet - 固定度的网络（有潜在的算法错误，弃用）

（在程序代码中又可以写作FDNet）

FixedDegreeNet(int vex_num, double avg_degree, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
vex_num	网络的总节点数
avg_degree	网络生成后的平均度
silence_mode	安静模式

ERRandomNet - ER随机图

（在程序代码中又可以写作ERNet）

ERRandomNet(int vex_num, int avg_degree, bool silence_mode = true);
ERRandomNet(int vex_num, double avg_degree, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
vex_num	网络的总节点数
avg_degree	平均度，传入的如果是整数，则先生成规则网络再断边重连
silence_mode	安静模式

GridNet - 二维格子

（在程序代码中又可以写作Grid）

GridNet(int height, int width, int nei_num = 4, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
height	二维格子的高
width	二维格子的宽
nei_num	邻居数，测试正常的有四邻居和八邻居，即传入4或8
silence_mode	安静模式

CubicNet - 立方体网络

（在程序代码中又可以写作Cube, CBNet）

CubicNet(int length, int width, int height, bool silence_mode = true);

构造网络时需要传入：

参数	说明
length	立方体的长
height	立方体的高
width	立方体的宽
silence_mode	安静模式

HoneycombNet - 蜂窝网络

（在程序代码中又可以写作HCNet）

HoneycombNet(int honeycomb_width, int honeycomb_height, bool silence_mode = true);
std::string combDetails();

构造网络时需要传入：

参数	说明
honeycomb_width	蜂窝的宽
honeycomb_height	蜂窝的高
silence_mode	安静模式

使用combDetails()方法可以打印蜂窝的详细信息。
一个

$$3\times3$$

+-------------------------------- Combs details ------------------------------+
|  Comb:     0          Node:      0      1      2      9      8      7       |
|  Comb:     1          Node:      2      3      4     11     10      9       |
|  Comb:     2          Node:      4      5      0      7      6     11       |
|  Comb:     3          Node:      6      7      8     15     14     13       |
|  Comb:     4          Node:      8      9     10     17     16     15       |
|  Comb:     5          Node:     10     11      6     13     12     17       |
|  Comb:     6          Node:     12     13     14      3      2      1       |
|  Comb:     7          Node:     14     15     16      5      4      3       |
|  Comb:     8          Node:     16     17     12      1      0      5       |
+-------------------------------- End of combs -------------------------------+

KagomeNet - Kagome晶格网络

（在程序代码中又可以写作KGNet）

KagomeNet(int kagome_width, int kagome_height, bool silence_mode = true);
std::string kagomeDetails();

构造网络时需要传入：

参数	说明
honeycomb_width	Kagome晶格的宽
honeycomb_height	Kagome晶格的高
silence_mode	安静模式

使用kagomeDetails()方法可以打印晶格的详细信息。
一个

$$3\times3$$

+------------------------------- Kagome details -----------------------------+
|  Kagome:      0        Node:      1      0      2      4      3     14     |
|                                  16     12     23     13      9     11     |
|                                                                            |
|  Kagome:      1        Node:      4      3      5      7      6     17     |
|                                  10     15     26     16     12     14     |
|                                                                            |
|  Kagome:      2        Node:      7      6      8      1      0     11     |
|                                  13      9     20     10     15     17     |
|                                                                            |
|  Kagome:      3        Node:     10      9     11     13     12     23     |
|                                  25     21      5     22     18     20     |
|                                                                            |
|  Kagome:      4        Node:     13     12     14     16     15     26     |
|                                  19     24      8     25     21     23     |
|                                                                            |
|  Kagome:      5        Node:     16     15     17     10      9     20     |
|                                  22     18      2     19     24     26     |
|                                                                            |
|  Kagome:      6        Node:     19     18     20     22     21      5     |
|                                   7      3     14      4      0      2     |
|                                                                            |
|  Kagome:      7        Node:     22     21     23     25     24      8     |
|                                   1      6     17      7      3      5     |
|                                                                            |
|  Kagome:      8        Node:     25     24     26     19     18      2     |
|                                   4      0     11      1      6      8     |
+------------------------------- End of kagome ------------------------------+

ScaleFreeNet - 无标度网络

（在程序代码中又可以写作SFNet）

ScaleFreeNet(int total_vex_num, int init_m0, bool silence_mode = true);
bool addLink(Vexid vex1, Vexid vex2);
bool fullConnectInitSFVex();
bool fillSFVex_BAModel(int links_per_vex);
bool fillSFVex_BAModel2(int links_per_vex);

构造网络时需要传入：

参数	说明
total_vex_num	网络总结点数
init_m0	网络初始包含节点
silence_mode	安静模式

注意：与其他网络不同的是，ScaleFreeNet在声明之后并不会完成创建，而是在调用fillSFNet_BAModel方法后才会完成创建！
创建一个100节点，

$$m=m_0=2$$

1. 声明一个Scale-free网络：
   ScaleFreeNet net(100, 2);
2. 使用addLink方法初始连接一些节点，或者全连接：
   net.fullConnectInitSFVex();
3. 开始按
   $$m=2$$
   逐节点生成网络：
   net.fillSFVex_BAModel(2);

netlib在博弈模拟程序中的应用

（待完成）