图的实现和图的广度遍历 Gragh's BFS

图的实现方法有2种,在之前的一篇博文图的深度遍历中有介绍。在同样的2种图的存储方式的基础上,可以进行图的广度遍历。


图的邻接矩阵法,依然是申请完全连续的空间。通过二维数组空间来存储和访问图中每个边的存在性(或权值)。

int (*edge)[VERTEXNUM] = (int (*)[VERTEXNUM])malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM*VERTEXNUM);

edge是一个数组指针。


图的邻接表法,是利用单链式结构(邻接表)存储每个点的可直达节点。并申请连续的空间存储这些邻接表的首结点地址(如果该点没有可直达节点,那首结点位置就为NULL)。

typedef struct edge{
int vertex;
struct edge* next;
}st_edge;

st_edge** edge = (st_edge**)malloc(sizeof(st_edge*)*VERTEXNUM);


在DFS中,访问的顺序是受到递归逻辑控制的。而BFS中,我们需要借助队列来控制访问的顺序。在另一篇博文中,实现的是线性物理结构的队列。这一次使用链式物理结构来实现队列。我们使用双向链表来存储队列,这样的好处是表头可以快速删除节点,表尾可以快速插入节点。

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  1. typedef struct  qElement{  
  2.     int value;  
  3.     struct  qElement* pre;  
  4.     struct  qElement* next;  
  5. }st_qElement;  
  6.   
  7. st_qElement* front = NULL;  
  8. st_qElement* rear = NULL;  


对队列的操作:

1. 入队:将一个新元素加入队列(插在队尾)

2. 出队:将队尾元素删除

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  1. void putQueue(int vertex)  
  2. {  
  3.     st_qElement* qe = (st_qElement*)malloc(sizeof(st_qElement));  
  4.     qe->value = vertex;  
  5.     qe->next = NULL;  
  6.     qe->pre = NULL;  
  7.   
  8.     if(front == NULL || rear == NULL)  
  9.         front = rear = qe;  
  10.     else{  
  11.         rear->next = qe;  
  12.         qe->pre = rear;  
  13.         rear = qe;  
  14.     }  
  15. }  
  16.   
  17. int* getQueue()  
  18. {  
  19.     if(front ==NULL || rear == NULL)  
  20.         return NULL;  
  21.     else{  
  22.         int* res = (int*)malloc(sizeof(int));  
  23.         *res = front->value;  
  24.         st_qElement* p = front;  
  25.         front = front->next;  
  26.         if(front == NULL)  
  27.             rear = front;  
  28.         else  
  29.         {  
  30.             front->pre = NULL;  
  31.         }  
  32.         free(p);  
  33.         p = NULL;  
  34.         return res;  
  35.     }  
  36. }  


怎么在BFS中使用队列?

BFS的遍历顺序是按层序。每一层的访问顺序都是由上一层访问的顺序决定好的,这个顺序是存储在队列中。

访问某一个节点时,就为下一层访问其所有邻接节点做好准备即将其所有邻接节点依次入队

那么,整个BFS的访问就是依次从队列中取队头元素,访问它。(当然,首个节点是主动放进队中的。)

邻接矩阵的BFS实现:

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  1. void bfs(int (*edge)[VERTEXNUM], int* vetexStatusArr)  
  2. {  
  3.     printf("BFS: ");  
  4.     int i;  
  5.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  6.         bfscore(edge, i, vetexStatusArr);  
  7.     printf("\n");  
  8. }  
  9.   
  10. void bfscore(int (*edge)[VERTEXNUM], int i, int* vetexStatusArr)  
  11. {  
  12.     putQueue(i);  
  13.     int* qeValue = NULL;  
  14.     while((qeValue = getQueue()) != NULL)  
  15.     {  
  16.         if(vetexStatusArr[*qeValue] == 0)  
  17.         {  
  18.             printf("%d ", *qeValue);  
  19.             vetexStatusArr[*qeValue] = 1;  
  20.   
  21.             //把与点vertex邻接的点都加进队列  
  22.             for(int k=0;k<VERTEXNUM;k++)  
  23.                 if(edge[*qeValue][k]==1)  
  24.                     putQueue(k);  
  25.         }  
  26.         free(qeValue);  
  27.         qeValue = NULL;  
  28.     }  
  29. }  

邻接表的实现BFS实现:

[cpp]  view plain copy
  1. void bfscore(st_edge** edge, int i, int *vertexStatusArr)  
  2. {  
  3.     putQueue(i);  
  4.     int *qeValue = NULL;  
  5.     while((qeValue = getQueue()) != NULL)  
  6.     {  
  7.         if(vertexStatusArr[*qeValue] == 0)  
  8.         {  
  9.             vertexStatusArr[*qeValue] = 1;  
  10.             printf("%d ", *qeValue);  
  11.             st_edge *p = *(edge + *qeValue);  
  12.             while(p != NULL)  
  13.             {  
  14.                 putQueue(p->vertex);  
  15.                 p = p->next;  
  16.             }  
  17.         }  
  18.         free(qeValue);  
  19.         qeValue = NULL;  
  20.     }  
  21. }  
  22.   
  23. void bfs(st_edge** edge, int* vertexStatusArr)  
  24. {  
  25.     printf("BFS: ");  
  26.     int i;  
  27.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  28.         bfscore(edge, i, vertexStatusArr);  
  29.     printf("\n");  
  30. }  


邻接矩阵存储方式的BFS完整代码:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <malloc.h>  
  3. #define VERTEXNUM 5  
  4.   
  5. //双向链表存储的队列  
  6. typedef struct  qElement{  
  7.     int value;  
  8.     struct  qElement* pre;  
  9.     struct  qElement* next;  
  10. }st_qElement;  
  11.   
  12. st_qElement* front = NULL;  
  13. st_qElement* rear = NULL;  
  14.   
  15. void putQueue(int vertex);  
  16. int* getQueue();  
  17.   
  18. void createGraph(int (*edge)[VERTEXNUM], int start, int end);  
  19. void display(int (*edge)[VERTEXNUM]);  
  20.   
  21. void bfs(int (*edge)[VERTEXNUM],int i,int* vetexStatusArr);  
  22. void bfscore(int (*edge)[VERTEXNUM], int i, int* vetexStatusArr);  
  23.   
  24.   
  25. void putQueue(int vertex)  
  26. {  
  27.     st_qElement* qe = (st_qElement*)malloc(sizeof(st_qElement));  
  28.     qe->value = vertex;  
  29.     qe->next = NULL;  
  30.     qe->pre = NULL;  
  31.   
  32.     if(front == NULL || rear == NULL)  
  33.         front = rear = qe;  
  34.     else{  
  35.         rear->next = qe;  
  36.         qe->pre = rear;  
  37.         rear = qe;  
  38.     }  
  39. }  
  40.   
  41. int* getQueue()  
  42. {  
  43.     if(front ==NULL || rear == NULL)  
  44.         return NULL;  
  45.     else{  
  46.         int* res = (int*)malloc(sizeof(int));  
  47.         *res = front->value;  
  48.         st_qElement* p = front;  
  49.         front = front->next;  
  50.         if(front == NULL)  
  51.             rear = front;  
  52.         else  
  53.         {  
  54.             front->pre = NULL;  
  55.         }  
  56.         free(p);  
  57.         p = NULL;  
  58.         return res;  
  59.     }  
  60. }  
  61.   
  62. void createGraph(int (*edge)[VERTEXNUM], int start, int end)  
  63. {  
  64.     edge[start][end] = 1;  
  65. }  
  66.   
  67. void display(int (*edge)[VERTEXNUM])  
  68. {  
  69.     int i,j;  
  70.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  71.     {  
  72.         for(j=0;j<VERTEXNUM;j++)  
  73.             printf("%d ", edge[i][j]);  
  74.   
  75.         printf("\n");  
  76.     }  
  77. }  
  78.   
  79. void bfs(int (*edge)[VERTEXNUM], int* vetexStatusArr)  
  80. {  
  81.     printf("BFS: ");  
  82.     int i;  
  83.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  84.         bfscore(edge, i, vetexStatusArr);  
  85.     printf("\n");  
  86. }  
  87.   
  88. void bfscore(int (*edge)[VERTEXNUM], int i, int* vetexStatusArr)  
  89. {  
  90.     putQueue(i);  
  91.     int* qeValue = NULL;  
  92.     while((qeValue = getQueue()) != NULL)  
  93.     {  
  94.         if(vetexStatusArr[*qeValue] == 0)  
  95.         {  
  96.             printf("%d ", *qeValue);  
  97.             vetexStatusArr[*qeValue] = 1;  
  98.   
  99.             //把与点vertex邻接的点都加进队列  
  100.             for(int k=0;k<VERTEXNUM;k++)  
  101.                 if(edge[*qeValue][k]==1)  
  102.                     putQueue(k);  
  103.         }  
  104.         free(qeValue);  
  105.         qeValue = NULL;  
  106.     }  
  107. }  
  108.   
  109. int main()  
  110. {  
  111.     int (*edge)[VERTEXNUM] = (int (*)[VERTEXNUM])malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM*VERTEXNUM);  
  112.     int i, j;  
  113.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  114.         for(j=0;j<VERTEXNUM;j++)  
  115.             edge[i][j] = 0;  
  116.   
  117.     int *vetexStatusArr = (int*)malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM);  
  118.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  119.         vetexStatusArr[i] = 0;  
  120.   
  121.     createGraph(edge, 0, 3);  
  122.     createGraph(edge, 0, 4);  
  123.     createGraph(edge, 3, 1);  
  124.     createGraph(edge, 3, 2);  
  125.     createGraph(edge, 4, 1);  
  126.     display(edge);  
  127.   
  128.     bfs(edge, vetexStatusArr);  
  129.     free(edge);  
  130.     return 1;  
  131. }  



邻接表存储方式的BFS完整代码:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <malloc.h>  
  3. #define VERTEXNUM 5  
  4.   
  5. typedef struct edge{  
  6.     int vertex;  
  7.     struct edge* next;  
  8. }st_edge;  
  9.   
  10. typedef struct qElement{  
  11.     int value;  
  12.     struct qElement* pre;  
  13.     struct qElement* next;  
  14. }st_qElement;  
  15.   
  16. st_qElement* front = NULL;  
  17. st_qElement* rear = NULL;  
  18.   
  19. void putQueue(int vertex)  
  20. {  
  21.     st_qElement* qe = (st_qElement*)malloc(sizeof(st_qElement));  
  22.     qe->value = vertex;  
  23.     qe->next = NULL;  
  24.     qe->pre = NULL;  
  25.     if(front == NULL || rear == NULL)  
  26.         front = rear = qe;  
  27.     else  
  28.     {  
  29.         rear->next = qe;  
  30.         qe->pre = rear;  
  31.         rear = qe;  
  32.     }  
  33. }  
  34.   
  35. int* getQueue()  
  36. {  
  37.     if(front == NULL || rear == NULL)  
  38.         return NULL;  
  39.     else  
  40.     {  
  41.         int *res = (int*)malloc(sizeof(int));  
  42.         *res = front->value;  
  43.   
  44.         st_qElement* p = front;  
  45.         front = front->next;  
  46.         if(front == NULL)  
  47.             rear = front;  
  48.         else  
  49.             front->pre = NULL;  
  50.         free(p);  
  51.         p = NULL;  
  52.         return res;  
  53.     }  
  54. }  
  55.   
  56. void display(st_edge** edge)  
  57. {  
  58.     int i;  
  59.     st_edge* p;  
  60.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  61.     {  
  62.         printf("%d: ", i);  
  63.         p = *(edge+i);  
  64.         while(p != NULL)  
  65.         {  
  66.             printf("%d ", p->vertex);  
  67.             p = p->next;  
  68.         }  
  69.         printf("\n");  
  70.     }  
  71. }  
  72.   
  73. void createGraph(st_edge** edge, int start, int end)  
  74. {  
  75.     st_edge* newedge = (st_edge*)malloc(sizeof(st_edge));  
  76.     newedge->vertex = end;  
  77.     newedge->next = NULL;  
  78.     edge = edge + start;  
  79.     while(*edge != NULL)  
  80.         edge = &((*edge)->next);  
  81.     *edge = newedge;  
  82. }  
  83.   
  84.   
  85. void bfscore(st_edge** edge, int i, int *vertexStatusArr)  
  86. {  
  87.     putQueue(i);  
  88.     int *qeValue = NULL;  
  89.     while((qeValue = getQueue()) != NULL)  
  90.     {  
  91.         if(vertexStatusArr[*qeValue] == 0)  
  92.         {  
  93.             vertexStatusArr[*qeValue] = 1;  
  94.             printf("%d ", *qeValue);  
  95.             st_edge *p = *(edge + *qeValue);  
  96.             while(p != NULL)  
  97.             {  
  98.                 putQueue(p->vertex);  
  99.                 p = p->next;  
  100.             }  
  101.         }  
  102.         free(qeValue);  
  103.         qeValue = NULL;  
  104.     }  
  105. }  
  106.   
  107. void bfs(st_edge** edge, int* vertexStatusArr)  
  108. {  
  109.     printf("BFS: ");  
  110.     int i;  
  111.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  112.         bfscore(edge, i, vertexStatusArr);  
  113.     printf("\n");  
  114. }  
  115.   
  116. int main()  
  117. {  
  118.     st_edge** edge = (st_edge**)malloc(sizeof(st_edge*)*VERTEXNUM);  
  119.     int i;  
  120.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  121.         edge[i] = NULL;  
  122.   
  123.     int *vertexStatusArr = (int*)malloc(sizeof(int)*VERTEXNUM);  
  124.     for(i=0;i<VERTEXNUM;i++)  
  125.         vertexStatusArr[i] = 0;  
  126.   
  127.     createGraph(edge, 0 ,3);  
  128.     createGraph(edge, 0, 4);  
  129.     createGraph(edge, 3, 1);  
  130.     createGraph(edge, 3, 2);  
  131.     createGraph(edge, 4, 1);  
  132.   
  133.     display(edge);  
  134.     bfs(edge, vertexStatusArr);  
  135.   
  136.     return 1;  
  137. }  

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