【基础算法】(10)图的概念及相关算法

【基础算法】(10)图的概念及相关算法（第一篇）

Auther: Thomas Shen
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Date: 2017/12/20
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1. 图的存储结构：

1.1 邻接矩阵：

使用二维数组来存储图的边的信息和权重，如下图所示的4个顶点的无向图：

从上面可以看出，无向图的边数组是一个对称矩阵。所谓对称矩阵就是n阶矩阵的元满足aij = aji。即从矩阵的左上角到右下角的主对角线为轴，右上角的元和左下角相对应的元全都是相等的。

如果换成有向图，则如图所示的五个顶点的有向图的邻接矩阵表示如下：

1.2 邻接表：

邻接矩阵是一种不错的图存储结构，但是对于边数相对较少的图，这种结构存在空间上的极大浪费，因此找到一种数组与链表相结合的存储方法称为邻接表。
邻接表的处理方法是这样的：

1. 图中顶点用一个一维数组存储，当然，顶点也可以用单链表来存储，不过，数组可以较容易的读取顶点的信息，更加方便。
2. 图中每个顶点vi的所有邻接点构成一个线性表，由于邻接点的个数不定，所以，用单链表存储，无向图称为顶点vi的边表，有向图则称为顶点vi作为弧尾的出边表

如下为无向图的邻接表表示：

从图中可以看出，顶点表的各个结点由data和firstedge两个域表示，data是数据域，存储顶点的信息，firstedge是指针域，指向边表的第一个结点，即此顶点的第一个邻接点。边表结点由adjvex和next两个域组成。adjvex是邻接点域，存储某顶点的邻接点在顶点表中的下标，next则存储指向边表中下一个结点的指针。

有向图的邻接表表示：

2. 深度优先遍历（DFS）：

2.1 基本概念：

它从图中某个结点v出发，访问此顶点，然后从v的未被访问的邻接点出发深度优先遍历图，直至图中所有和v有路径相通的顶点都被访问到。若图中尚有顶点未被访问，则另选图中一个未曾被访问的顶点作起始点，重复上述过程，直至图中的所有顶点都被访问到为止。

2.2 算法简述：

基本实现思想：

1. 访问顶点v；
2. 从v的未被访问的邻接点中选取一个顶点w，从w出发进行深度优先遍历；
3. 重复上述两步，直至图中所有和v有路径相通的顶点都被访问到。

2.1.1 递归实现：

1. 访问顶点v；visited[v]=1；//算法执行前visited[n]=0
2. w=顶点v的第一个邻接点；
3. while（w存在）  
      if（w未被访问）
          从顶点w出发递归执行该算法； 
      w=顶点v的下一个邻接点；

2.1.2 非递归实现：

1. 栈S初始化；visited[n]=0；
2. 访问顶点v；visited[v]=1；顶点v入栈S
3. while(栈S非空)
    x=栈S的顶元素(不出栈)；
    if(存在并找到未被访问的x的邻接点w)
        访问w；visited[w]=1；
        w进栈;
    else
        x出栈；

3. 广度优先遍历（BFS）：

3.1 基本概念：

它是一个分层搜索的过程和二叉树的层次遍历十分相似，它也需要一个队列以保持遍历过的顶点顺序，以便按出队的顺序再去访问这些顶点的邻接顶点。

基本实现思想：

1. 顶点v入队列。
2. 当队列非空时则继续执行，否则算法结束。
3. 出队列取得队头顶点v；访问顶点v并标记顶点v已被访问。
4. 查找顶点v的第一个邻接顶点col。
5. 若v的邻接顶点col未被访问过的，则col入队列。
6. 继续查找顶点v的另一个新的邻接顶点col，转到步骤（5）。
   直到顶点v的所有未被访问过的邻接点处理完。转到步骤（2）。

广度优先遍历图是以顶点v为起始点，由近至远，依次访问和v有路径相通而且路径长度为1，2，……的顶点。为了使“先被访问顶点的邻接点”先于“后被访问顶点的邻接点”被访问，需设置队列存储访问的顶点。

3.2 算法简述：

1. 初始化队列Q；visited[n]=0；
2. 访问顶点v；visited[v]=1；顶点v入队列Q；
3. while（队列Q非空）   
        v=队列Q的对头元素出队；
        w=顶点v的第一个邻接点；
        while（w存在） 
            如果w未访问，则访问顶点w；
            visited[w]=1；
            顶点w入队列Q；
            w=顶点v的下一个邻接点。

4. 代码实现：

采用邻接矩阵存储图的边信息:

/* 
 * 定义图的结构 
 */  
class Graph {  
    static final int MaxNum=20;        //最大节点数目  
    static final int MaxValue=65535;  
    char[] Vertex = new char[MaxNum];         //定义数组，保存顶点信息  

    int GType;   //图的类型0：无向图  1：有向图  
    int VertxNum;              //顶点的数量  
    int EdgeNum;         //边的数量  

    int[][] EdgeWeight = new int[MaxNum][MaxNum];     //定义矩阵保存顶点信息  
    int[] isTrav = new int[MaxNum];            //遍历标志  

}  

//创建邻接矩阵图  
    static void createGraph(Graph g){  
        int i ,  j  ,  k;  
        int weight;     //权  
        char EstartV,  EndV;      //边的起始顶点  

        System.out.println("输入途中各顶点的信息");  
        for(i=0; i < g.VertxNum; i ++)  
        {  
            System.out.println("第" + (i+1) + "个顶点");  
            g.Vertex[i] = (scan.next().toCharArray() )[0];  
        }  
        System.out.println("输入构成个遍的顶点和权值");  
        for(k=0;kout.println("第" + (k+1) + "条边：");  
            EstartV = scan.next().charAt(0);  
            EndV = scan.next().charAt(0);  
            weight = scan.nextInt();  
            for(i=0; EstartV!=g.Vertex[i] ; i++);           //在已有顶点中查找开始节点  
            for(j=0; EndV != g.Vertex[j]; j++);             //在已有节点上查找终结点  
            g.EdgeWeight[i][j] = weight;       //对应位置保存权重，表示有一条边  
            if(g.GType == 0)               //如果是无向图，在对角位置保存权重  
                g.EdgeWeight[j][i] = weight;  
        }  
    }  

//清空图  
    static void clearGraph(Graph g){  
        int i,j;  
        for(i=0; i< g.VertxNum; i++)  
            for(j =0; j//设置矩阵中各院素的值为MaxValue  
    }  

//输出邻接矩阵  
    static void OutGraph(Graph g){  
        int i,j;  
        for(j = 0; j < g.VertxNum;j ++)  
            System.out.print("\t" + g.Vertex[j]);      //在第一行输入顶点信息  
        System.out.println();  

        for(i =0 ;i out.print( g.Vertex[i]);  
            for(j = 0;j < g.VertxNum; j++)  
            {  
                if(g.EdgeWeight[i][j] == Graph.MaxValue)    //若权值为最大值  
                    System.out.print("\tZ");    //Z 表示无穷大  
                else  
                    System.out.print("\t" + g.EdgeWeight[i][j]);  //输出边的权重  
            }  
            System.out.println();  
        }  
    }  

//遍历图  
    static void DeepTraOne(Graph g,int n){//从第n个节点开始遍历  
        int i;  
        g.isTrav[n] = 1;              //标记为1表示该顶点已经被处理过  
        System.out.println("—>" + g.Vertex[n]); //输出节点数据  
        //添加处理节点的操作  
        for(i = 0; i< g.VertxNum; i++)  
        {  
            //if(g.EdgeWeight[n][i] != g.MaxValue && g.isTrav[n] == 0)  
                        if(g.EdgeWeight[n][i] != g.MaxValue && g.isTrav[i] == 0)  
                {  
                    DeepTraOne(g, i);     //递归进行遍历  
                }  
        }  
    }  

//深度优先遍历  
    static void  DeepTraGraph(Graph g){  
        int i;  
        for(i = 0; i< g.VertxNum; i++)  
        {  
            g.isTrav[i]= 0;  
        }  
        System.out.println("深度优先遍历：");  
        for(i = 0; i< g.VertxNum ; i++)  
        {  
            if(g.isTrav[i] == 0)  
                DeepTraOne(g,i);  
        }  
        System.out.println();  
    }  

主函数：

public static void main(String[] args) {  
        // TODO Auto-generated method stub  
        Graph g = new Graph();  
        System.out.println("输出生成图的类型：");  
        g.GType = scan.nextInt();  //图的种类  

        System.out.println("输入图的顶点数量：");  
        g.VertxNum = scan.nextInt();  

        System.out.println("输入图的边数量：");  
        g.EdgeNum = scan.nextInt();  

        clearGraph(g);          //清空图  
        createGraph(g);      //生成邻接表结构的图  
        System.out.println("该图的邻接矩阵数据如下：");  
        OutGraph(g);        //输出图  
        DeepTraGraph(g);    //深度优先遍历图  
    }  

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References. ：

• [ 1 ]. Coursera | Java程序设计 | PKU
• [ 2 ]. 图的概念和关于图的几个算法
• [ 3 ]. 《图论》——图的存储与遍历（Java）
• [ 4 ]. http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7712813
• [ 5 ]. http://www.cnblogs.com/dolphin0520/archive/2011/07/13/21052
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