LeetCode算法小抄 -- 环检测算法 和 拓扑排序算法
LeetCode算法小抄 -- 环检测算法 和 拓扑排序算法
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- 环检测算法(DFS)
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- [207. 课程表](https://leetcode.cn/problems/course-schedule/)
- 拓扑排序算法(DFS)
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- [210. 课程表 II](https://leetcode.cn/problems/course-schedule-ii/)
- 环检测算法(BFS)
- 拓扑排序算法(BFS)
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环检测算法(DFS)
207. 课程表
你这个学期必须选修 numCourses 门课程，记为 0 到 numCourses - 1 。
在选修某些课程之前需要一些先修课程。 先修课程按数组 prerequisites 给出，其中 prerequisites[i] = [ai, bi] ，表示如果要学习课程 ai 则 必须 先学习课程 bi 。
- 例如，先修课程对
[0, 1]表示：想要学习课程0，你需要先完成课程1。
请你判断是否可能完成所有课程的学习？如果可以，返回 true ；否则，返回 false 。
首先想到的就是把问题转化成「有向图」这种数据结构，只要图中存在环，那就说明存在循环依赖
class Solution {
// 记录一次递归堆栈中的节点
boolean[] onPath;
// 记录遍历过的节点，防止走回头路
boolean[] visited;
// 记录图中是否有环
boolean hasCycle = false;
public boolean canFinish(int numCourses, int[][] prerequisites) {
List<Integer>[] graph = buildGraph(numCourses, prerequisites);
visited = new boolean[numCourses];
onPath = new boolean[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
// 遍历图中的所有节点
traverse(graph, i);
}
// 只要没有循环依赖可以完成所有课程
return !hasCycle;
}
/** 判断图中是否存在环了 */
private void traverse(List<Integer>[] graph, int s) {
if (onPath[s]) {
// 出现环
hasCycle = true;
}
if (visited[s] || hasCycle) {
// 如果已经找到了环，也不用再遍历了
return;
}
// 前序代码位置
visited[s] = true;
onPath[s] = true;
for (int t : graph[s]) {
traverse(graph, t);
}
// 后序代码位置
onPath[s] = false;
}
/** 建图函数 */
private List<Integer>[] buildGraph(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 图中共有 numCourses 个节点
List<Integer>[] graph = new LinkedList[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
graph[i] = new LinkedList<>();
}
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
// 添加一条从 from 指向 to 的有向边
// 边的方向是「被依赖」关系，即修完课程 from 才能修课程 to
graph[from].add(to);
}
return graph;
}
}
拓扑排序算法(DFS)
拓扑排序（Topological Sorting）直观地说就是，让你把一幅图「拉平」，而且这个「拉平」的图里面，所有箭头方向都是一致的，比如上图所有箭头都是朝右的。
很显然，如果一幅有向图中存在环，是无法进行拓扑排序的，因为肯定做不到所有箭头方向一致；反过来，如果一幅图是「有向无环图」，那么一定可以进行拓扑排序。
其实也不难看出来，如果把课程抽象成节点，课程之间的依赖关系抽象成有向边，那么这幅图的拓扑排序结果就是上课顺序
如何进行拓扑排序？
将后序遍历的结果进行反转，就是拓扑排序的结果
210. 课程表 II
现在你总共有 numCourses 门课需要选，记为 0 到 numCourses - 1。给你一个数组 prerequisites ，其中 prerequisites[i] = [ai, bi] ，表示在选修课程 ai 前 必须 先选修 bi 。
- 例如，想要学习课程
0，你需要先完成课程1，我们用一个匹配来表示：[0,1]。
返回你为了学完所有课程所安排的学习顺序。可能会有多个正确的顺序，你只要返回 任意一种 就可以了。如果不可能完成所有课程，返回 一个空数组 。
class Solution {
// 记录后序遍历结果
List<Integer> postorder = new ArrayList<>();
// 记录是否存在环
boolean hasCycle = false;
boolean[] visited, onPath;
// 主函数
public int[] findOrder(int numCourses, int[][] prerequisites) {
List<Integer>[] graph = buildGraph(numCourses, prerequisites);
visited = new boolean[numCourses];
onPath = new boolean[numCourses];
// 遍历图
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
traverse(graph, i);
}
// 有环图无法进行拓扑排序
if (hasCycle) {
return new int[]{};
}
// 逆后序遍历结果即为拓扑排序结果
Collections.reverse(postorder);
int[] res = new int[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
res[i] = postorder.get(i);
}
return res;
}
// 图遍历函数
void traverse(List<Integer>[] graph, int s) {
if (onPath[s]) {
// 发现环
hasCycle = true;
}
if (visited[s] || hasCycle) {
return;
}
// 前序遍历位置
onPath[s] = true;
visited[s] = true;
for (int t : graph[s]) {
traverse(graph, t);
}
// 后序遍历位置
postorder.add(s);
onPath[s] = false;
}
// 建图函数
List<Integer>[] buildGraph(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 图中共有 numCourses 个节点
List<Integer>[] graph = new LinkedList[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
graph[i] = new LinkedList<>();
}
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
// 添加一条从 from 指向 to 的有向边
// 边的方向是「被依赖」关系，即修完课程 from 才能修课程 to
graph[from].add(to);
}
return graph;
}
}
说一下为什么要把后序遍历的结果再反转？网上看到的拓扑排序算法不用对后序遍历结果进行反转，这是为什么呢？
原因是他建图的时候对边的定义和我不同。我建的图中箭头方向是「被依赖」关系，比如节点 1 指向 2，含义是节点 1 被节点 2 依赖，即做完 1 才能去做 2，如果你反过来，把有向边定义为「依赖」关系，那么整幅图中边全部反转，就可以不对后序遍历结果反转。具体来说，就是把我的解法代码中 graph[from].add(to); 改成 graph[to].add(from); 就可以不反转了。
把二叉树理解成一幅有向图，边的方向是由父节点指向子节点
按照我们的定义，边的含义是「被依赖」关系，那么上图的拓扑排序应该首先是节点 1，然后是 2, 3，以此类推
但显然标准的后序遍历结果不满足拓扑排序，而如果把后序遍历结果反转，就是拓扑排序结果了：
环检测算法(BFS)
// 主函数
public boolean canFinish(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 建图，有向边代表「被依赖」关系
List<Integer>[] graph = buildGraph(numCourses, prerequisites);
// 构建入度数组
int[] indegree = new int[numCourses];
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
// 节点 to 的入度加一
indegree[to]++;
}
// 根据入度初始化队列中的节点
Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
if (indegree[i] == 0) {
// 节点 i 没有入度，即没有依赖的节点
// 可以作为拓扑排序的起点，加入队列
q.offer(i);
}
}
// 记录遍历的节点个数
int count = 0;
// 开始执行 BFS 循环
while (!q.isEmpty()) {
// 弹出节点 cur，并将它指向的节点的入度减一
int cur = q.poll();
count++;
for (int next : graph[cur]) {
indegree[next]--;
if (indegree[next] == 0) {
// 如果入度变为 0，说明 next 依赖的节点都已被遍历
q.offer(next);
}
}
}
// 如果所有节点都被遍历过，说明不成环
return count == numCourses;
}
/** 建图函数 */
private List<Integer>[] buildGraph(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 图中共有 numCourses 个节点
List<Integer>[] graph = new LinkedList[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
graph[i] = new LinkedList<>();
}
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
// 添加一条从 from 指向 to 的有向边
// 边的方向是「被依赖」关系，即修完课程 from 才能修课程 to
graph[from].add(to);
}
return graph;
}
总结下这段 BFS 算法的思路：
1、构建邻接表，和之前一样，边的方向表示「被依赖」关系。
2、构建一个 indegree 数组记录每个节点的入度，即 indegree[i] 记录节点 i 的入度。
3、对 BFS 队列进行初始化，将入度为 0 的节点首先装入队列。
4、开始执行 BFS 循环，不断弹出队列中的节点，减少相邻节点的入度，并将入度变为 0 的节点加入队列。
5、如果最终所有节点都被遍历过（count 等于节点数），则说明不存在环，反之则说明存在环。
所有节点都被遍历过一遍，也就说明图中不存在环。
反过来说，如果按照上述逻辑执行 BFS 算法，存在节点没有被遍历，则说明成环。
比如下面这种情况，队列中最初只有一个入度为 0 的节点：
当弹出这个节点并减小相邻节点的入度之后队列为空，但并没有产生新的入度为 0 的节点加入队列，所以 BFS 算法终止
你看，如果存在节点没有被遍历，那么说明图中存在环
拓扑排序算法(BFS)
// 主函数
public int[] findOrder(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 建图，和环检测算法相同
List<Integer>[] graph = buildGraph(numCourses, prerequisites);
// 计算入度，和环检测算法相同
int[] indegree = new int[numCourses];
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
indegree[to]++;
}
// 根据入度初始化队列中的节点，和环检测算法相同
Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
if (indegree[i] == 0) {
q.offer(i);
}
}
// 记录拓扑排序结果
int[] res = new int[numCourses];
// 记录遍历节点的顺序（索引）
int count = 0;
// 开始执行 BFS 算法
while (!q.isEmpty()) {
int cur = q.poll();
// 弹出节点的顺序即为拓扑排序结果
res[count] = cur;
count++;
for (int next : graph[cur]) {
indegree[next]--;
if (indegree[next] == 0) {
q.offer(next);
}
}
}
if (count != numCourses) {
// 存在环，拓扑排序不存在
return new int[]{};
}
return res;
}
/** 建图函数 */
private List<Integer>[] buildGraph(int numCourses, int[][] prerequisites) {
// 图中共有 numCourses 个节点
List<Integer>[] graph = new LinkedList[numCourses];
for (int i = 0; i < numCourses; i++) {
graph[i] = new LinkedList<>();
}
for (int[] edge : prerequisites) {
int from = edge[1], to = edge[0];
// 添加一条从 from 指向 to 的有向边
// 边的方向是「被依赖」关系，即修完课程 from 才能修课程 to
graph[from].add(to);
}
return graph;
}
–end–