一、基本概念与存储结构
1. 基本概念
- 图:由顶点的有穷集合 V 和边的集合 E 所组成(有向图、无向图);
- 顶点的度:与顶点 v 相关的边的条数成为顶点 v 的度(出度、入度);
- 若有向图中有 nnn 个顶点,则最多有 n(n−1)n(n-1)n(n−1) 条边,则将这样的图称为有向完全图 ,对于无向图,则最多有 n(n−1)/2n(n-1)/2n(n−1)/2 条边,称其为无向完全图;
- 路径、路径长度、简单路径(不含重复顶点);
- 在无向图中,如果从顶点 viv_ivi 到顶点 vjv_jvj 有路径,则称 viv_ivi 和 vjv_jvj 连通。如果图中任意两个顶点之间都连通,则称该图为连通图;否则,图中的极大连通子图称为连通分量;
- 在有向图中,如果从顶点 viv_ivi 到顶点 vjv_jvj 有路径,则称 viv_ivi 和 vjv_jvj 连通。如果对于每一对顶点 viv_ivi 和 vjv_jvj ,从 vjv_jvj 到 viv_ivi 和从 viv_ivi 到 vjv_jvj 都有路径,则称该图为强连通图;否则,图中的极大强连通子图称为强连通分量;
2. 存储结构
- 顺序存储结构:邻接矩阵
// 图 -- 邻接矩阵
#define MaxVertexNum 10 /* 最大顶点数设为10 */
typedef int Vertex; /* 用顶点下标表示顶点,为整型 */
typedef int WeightType; /* 权重值类型 */
/* 边的定义 */
typedef struct ENode *PtrToENode;
struct ENode {
Vertex V1, V2; /* 有向边<V1, V2> */
// DataType Weight 权重值
};
typedef PtrToENode Edge;
/* 图结点的定义 */
typedef struct GNode *PtrToGNode;
struct GNode {
int Nv; /* 顶点数 */
int Ne; /* 边数 */
WeightType G[MaxVertexNum][MaxVertexNum]; //二维数组表示邻接矩阵
};
typedef PtrToGNode MGraph; /* 以邻接矩阵方式存储的图类型 */
MGraph CreateGraph(int VertexNum)
{ /* 初始化一个有VertexNum个顶点但没有边的图 */
Vertex V, W;
MGraph Graph;
Graph = (MGraph)malloc(sizeof(struct GNode)); /* 建立图 */
Graph->Nv = VertexNum;
Graph->Ne = 0;
/* 初始化邻接矩阵 */
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++)
for (W = 0; W < Graph->Nv; W++)
Graph->G[V][W] = 0; // 或 无穷大
return Graph;
}
void InsertEdge(MGraph Graph, Edge E)
{
/* 插入边 <V1, V2> */
Graph->G[E->V1][E->V2] = 1; //或是边的权重值
/* 若是无向图,还要插入边 <V2, V1> */ // 坑点
Graph->G[E->V2][E->V1] = 1;
}
MGraph BuildGraph()
{
MGraph Graph;
Edge E;
Vertex V;
int Nv, i;
cin >> Nv; /* 读入顶点个数 */
Graph = CreateGraph(Nv); /* 初始化有Nv个顶点但没有边的图 */
cin >> Graph->Ne; /* 读入边数 */
if (Graph->Ne != 0) { /* 如果有边 */
E = (Edge)malloc(sizeof(struct ENode)); /* 建立边结点 */
/* 读入边,格式为"起点 终点 权重",插入邻接矩阵 */
for (i = 0; i < Graph->Ne; i++) {
cin >> E->V1 >> E->V2;
/* 注意:如果权重不是整型,Weight的读入格式要改 */
InsertEdge(Graph, E);
}
}
return Graph;
}
bool IsEdge(MGraph Graph, Vertex V, Vertex W)
{
return Graph->G[V][W];
}
- 链式存储结构:邻接表
/* 图 -- 邻接表 */
#define MaxVertexNum 100 /* 最大顶点数设为100 */
typedef int Vertex; /* 用顶点下标表示顶点,为整型 */
typedef int WeightType; /* 边的权值设为整型 */
typedef char DataType; /* 顶点存储的数据类型设为字符型 */
/* 边的定义 */
typedef struct ENode *PtrToENode;
struct ENode {
Vertex V1, V2; /* 有向边<V1, V2> */
// WeightType Weight; /* 权重 */
};
typedef PtrToENode Edge;
/* 邻接点的定义 */
typedef struct AdjVNode *PtrToAdjVNode;
struct AdjVNode {
Vertex AdjV; /* 邻接点下标 */
// WeightType Weight; /* 边权重 */
PtrToAdjVNode Next; /* 指向下一个邻接点的指针 */
};
/* 顶点表头结点的定义 */
typedef struct Vnode {
PtrToAdjVNode FirstEdge;/* 边表头指针 */
// DataType Data; /* 存顶点的数据 */
/* 注意:很多情况下,顶点无数据,此时Data可以不用出现 */
} AdjList[MaxVertexNum]; /* AdjList是邻接表类型 */
/* 图结点的定义 */
typedef struct GNode *PtrToGNode;
struct GNode {
int Nv; /* 顶点数 */
int Ne; /* 边数 */
AdjList G; /* 邻接表 */
};
typedef PtrToGNode LGraph; /* 以邻接表方式存储的图类型 */
LGraph CreateGraph(int VertexNum)
{ /* 初始化一个有VertexNum个顶点但没有边的图 */
Vertex V;
LGraph Graph;
Graph = (LGraph)malloc(sizeof(struct GNode)); /* 建立图 */
Graph->Nv = VertexNum;
Graph->Ne = 0;
/* 初始化邻接表头指针 */
/* 注意:这里默认顶点编号从0开始,到(Graph->Nv - 1) */
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++)
Graph->G[V].FirstEdge = NULL;
return Graph;
}
void InsertEdge(LGraph Graph, Edge E)
{
PtrToAdjVNode NewNode;
/* 插入边 <V1, V2> */
/* 为V2建立新的邻接点 */
NewNode = (PtrToAdjVNode)malloc(sizeof(struct AdjVNode));
NewNode->AdjV = E->V2;
// NewNode->Weight = E->Weight;
/* 将V2插入V1的表头 */
NewNode->Next = Graph->G[E->V1].FirstEdge; //注意此处的插入方式为:插入头结点
Graph->G[E->V1].FirstEdge = NewNode;
/* 若是无向图,还要插入边 <V2, V1> */
/* 为V1建立新的邻接点 */
NewNode = (PtrToAdjVNode)malloc(sizeof(struct AdjVNode));
NewNode->AdjV = E->V1;
//NewNode->Weight = E->Weight;
/* 将V1插入V2的表头 */
NewNode->Next = Graph->G[E->V2].FirstEdge;
Graph->G[E->V2].FirstEdge = NewNode;
}
LGraph BuildGraph()
{
LGraph Graph;
Edge E;
Vertex V;
int Nv, i;
cin >> Nv; /* 读入顶点个数 */
Graph = CreateGraph(Nv); /* 初始化有Nv个顶点但没有边的图 */
cin >> Graph->Ne; /* 读入边数 */
if (Graph->Ne != 0) { /* 如果有边 */
E = (Edge)malloc(sizeof(struct ENode)); /* 建立边结点 */
/* 读入边,格式为"起点 终点 权重",插入邻接矩阵 */
for (i = 0; i < Graph->Ne; i++) {
cin >> E->V1 >> E->V2;
/* 注意:如果权重不是整型,Weight的读入格式要改 */
InsertEdge(Graph, E);
}
}
/* 如果顶点有数据的话,读入数据
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++)
scanf(" %c", &(Graph->G[V].Data));
*/
return Graph;
}
- 邻接多重表:类似十字链表
3. 图的遍历
- 深度优先搜索(DFS)
// 邻接矩阵
/* Visited[]为全局变量,已经初始化为false */
bool Visited[MaxVertexNum];
void DFS(MGraph Graph, Vertex V)
{ /* 以V为出发点对邻接矩阵存储的图Graph进行DFS搜索 */
Visited[V] = true; /* 标记V已访问 */
for (int i = 0; i < Graph->Nv; i++)
if (Graph->G[V][i] == 1 && !Visited[i])
DFS(Graph, i);
}
// 邻接表
/* Visited[]为全局变量,已经初始化为false */
bool Visited[MaxVertexNum];
void DFS(LGraph Graph, Vertex V)
{ /* 以V为出发点对邻接表存储的图Graph进行DFS搜索 */
PtrToAdjVNode W;
Visited[V] = true; /* 标记V已访问 */
for (W = Graph->G[V].FirstEdge; W; W = W->Next) /* 对V的每个邻接点W->AdjV */
if (!Visited[W->AdjV]) /* 若W->AdjV未被访问 */
DFS(Graph, W->AdjV); /* 则递归访问之 */
}
- 广度优先搜索(BFS)
// 邻接矩阵
void BFS(MGraph Graph)
{
queue<Vertex> q;
Vertex V;
for (int i = 0; i < Graph->Nv; i++)
{
if (!Visited[i]){ //如果没有访问过
Visited[i] = true;
q.push(i);//访问过的入队列
while (!q.empty()){ //队列不为空时
V = q.front();
q.pop(); //先取出队首第一个元素,然后将第一个元素删除
for(int i = 0; i < Graph->Nv; i++){
if (Graph->G[V][i] == 1 && !Visited[i]) {
Visited[i] = true;
q.push(i);
}
}
}
}
}
}
// 邻接表
void BFS(LGraph Graph)
{
queue<Vertex> q;
Vertex V;
for (int i = 0; i < Graph->Nv; i++){
if (!Visited[i]){ //如果没有访问过
Visited[i] = true;
q.push(i);//访问过的入队列
while (!q.empty())//队列不为空时
{
V = q.front();
q.pop(); //先取出队首第一个元素,然后将第一个元素删除
PtrToAdjVNode W = Graph->G[V].FirstEdge;
while (W) {
if (!Visited[W->AdjV]) {
Visited[W->AdjV] = true;
cout << W->AdjV << " ";
q.push(W->AdjV);
}
W = W->Next;
}
}
}
}
}
注:
- DFS 类似于二叉树的先序遍历,若将 DFS 过程中所经历的边保留,而将其他的边删掉,则会形成一棵树,称作深度优先搜索生成树;
- BFS 类似于二叉树的层序遍历
- 一个无向图是一棵树的条件是有 n−1n-1n−1 条边的连通图,nnn 为图的顶点数;
二、最短路径
- 无权图的单源最短路径:BFS 改编
/* 邻接表存储 -- 无权图的单源最短路算法 */
/* dist[]和path[]全部初始化为-1 */
void Unweighted(LGraph Graph, int dist[], int path[], Vertex S)
{
queue<Vertex> Q;
Vertex V;
PtrToAdjVNode W;
dist[S] = 0; /* 初始化源点 */
Q.push(S);
while (!Q.empty()) {
V = Q.front();
Q.pop();
for (W = Graph->G[V].FirstEdge; W; W = W->Next) /* 对V的每个邻接点W->AdjV */
if (dist[W->AdjV] == -1) { /* 若W->AdjV未被访问过 */
dist[W->AdjV] = dist[V] + 1; /* W->AdjV到S的距离更新 */
path[W->AdjV] = V; /* 将V记录在S到W->AdjV的路径上 */
Q.push(W->AdjV);
}
}
}
- 有权图的单源最短路径:Dijkstra 算法
/* 邻接矩阵存储 - 有权图的单源最短路算法 */
#define ERROR -1
Vertex FindMinDist(MGraph Graph, int dist[], int collected[])
{ /* 返回未被收录顶点中dist最小者 */
Vertex MinV, V;
int MinDist = INFINITY;
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++) {
if (collected[V] == false && dist[V] < MinDist) {
/* 若V未被收录,且dist[V]更小 */
MinDist = dist[V]; /* 更新最小距离 */
MinV = V; /* 更新对应顶点 */
}
}
if (MinDist < INFINITY) /* 若找到最小dist */
return MinV; /* 返回对应的顶点下标 */
else return ERROR; /* 若这样的顶点不存在,返回错误标记 */
}
bool Dijkstra(MGraph Graph, int dist[], int path[], Vertex S)
{
int collected[MaxVertexNum];
Vertex V, W;
/* 初始化:此处默认邻接矩阵中不存在的边用INFINITY表示 */
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++) {
dist[V] = Graph->G[S][V];
if (dist[V] < INFINITY)
path[V] = S;
else
path[V] = -1;
collected[V] = false;
}
/* 先将起点收入集合 */
dist[S] = 0;
collected[S] = true;
while (1) {
/* V = 未被收录顶点中dist最小者 */
V = FindMinDist(Graph, dist, collected);
if (V == ERROR) /* 若这样的V不存在 */
break; /* 算法结束 */
collected[V] = true; /* 收录V */
for (W = 0; W < Graph->Nv; W++) /* 对图中的每个顶点W */
/* 若W是V的邻接点并且未被收录 */
if (collected[W] == false && Graph->G[V][W] < INFINITY) {
if (Graph->G[V][W] < 0) /* 若有负边 */
return false; /* 不能正确解决,返回错误标记 */
/* 若收录V使得dist[W]变小 */
if (dist[V] + Graph->G[V][W] < dist[W]) {
dist[W] = dist[V] + Graph->G[V][W]; /* 更新dist[W] */
path[W] = V; /* 更新S到W的路径 */
}
}
} /* while结束*/
return true; /* 算法执行完毕,返回正确标记 */
}
- 多源最短路径:Floyd 算法
/* 邻接矩阵存储 - 多源最短路算法 */
bool Floyd(MGraph Graph, WeightType D[][MaxVertexNum], Vertex path[][MaxVertexNum])
{
Vertex i, j, k;
/* 初始化 */
for (i = 0; i < Graph->Nv; i++)
for (j = 0; j < Graph->Nv; j++) {
D[i][j] = Graph->G[i][j]; // 有向图
path[i][j] = -1;
}
// k 是 中间点,遍历所有顶点对(i, j)
for (k = 0; k < Graph->Nv; k++)
for (i = 0; i < Graph->Nv; i++)
for (j = 0; j < Graph->Nv; j++)
if (D[i][k] + D[k][j] < D[i][j]) {
D[i][j] = D[i][k] + D[k][j];
if (i == j && D[i][j] < 0) /* 若发现负值圈 */
return false; /* 不能正确解决,返回错误标记 */
path[i][j] = k;
}
return true; /* 算法执行完毕,返回正确标记 */
}
三、最小生成树
- Prim 算法:适用于稠密图
/* 邻接矩阵存储 - Prim最小生成树算法 */
Vertex FindMinDist(MGraph Graph, WeightType dist[])
{ /* 返回未被收录顶点中dist最小者 */
Vertex MinV, V;
WeightType MinDist = INFINITY;
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++) {
if (dist[V] != 0 && dist[V] < MinDist) {
/* 若V未被收录,且dist[V]更小 */
MinDist = dist[V]; /* 更新最小距离 */
MinV = V; /* 更新对应顶点 */
}
}
if (MinDist < INFINITY) /* 若找到最小dist */
return MinV; /* 返回对应的顶点下标 */
else return ERROR; /* 若这样的顶点不存在,返回-1作为标记 */
}
int Prim(MGraph Graph, LGraph MST)
{ /* 将最小生成树保存为邻接表存储的图MST,返回最小权重和 */
WeightType dist[MaxVertexNum], TotalWeight;
Vertex parent[MaxVertexNum], V, W;
int VCount;
Edge E;
/* 初始化。默认初始点下标是0 */
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++) {
/* 这里假设若V到W没有直接的边,则Graph->G[V][W]定义为INFINITY */
dist[V] = Graph->G[0][V];
parent[V] = 0; /* 暂且定义所有顶点的父结点都是初始点0 */
}
TotalWeight = 0; /* 初始化权重和 */
VCount = 0; /* 初始化收录的顶点数 */
/* 创建包含所有顶点但没有边的图。注意用邻接表版本 */
MST = CreateGraph(Graph->Nv);
E = (Edge)malloc(sizeof(struct ENode)); /* 建立空的边结点 */
/* 将初始点0收录进MST */
dist[0] = 0;
VCount++;
parent[0] = -1; /* 当前树根是0 */
while (1) {
V = FindMinDist(Graph, dist);
/* V = 未被收录顶点中dist最小者 */
if (V == ERROR) /* 若这样的V不存在 */
break; /* 算法结束 */
/* 将V及相应的边<parent[V], V>收录进MST */
E->V1 = parent[V];
E->V2 = V;
E->Weight = dist[V];
InsertEdge(MST, E);
TotalWeight += dist[V];
dist[V] = 0;
VCount++;
for (W = 0; W < Graph->Nv; W++) /* 对图中的每个顶点W */
if (dist[W] != 0 && Graph->G[V][W] < INFINITY) {
/* 若W是V的邻接点并且未被收录 */
if (Graph->G[V][W] < dist[W]) {
/* 若收录V使得dist[W]变小 */
dist[W] = Graph->G[V][W]; /* 更新dist[W] */
parent[W] = V; /* 更新树 */
}
}
} /* while结束*/
if (VCount < Graph->Nv) /* MST中收的顶点不到|V|个 */
TotalWeight = ERROR;
return TotalWeight; /* 算法执行完毕,返回最小权重和或错误标记 */
}
- Kruskal:稀疏图
/* 邻接表存储 - Kruskal最小生成树算法 */
/*-------------------- 顶点并查集定义 --------------------*/
typedef Vertex ElementType; /* 默认元素可以用非负整数表示 */
typedef Vertex SetName; /* 默认用根结点的下标作为集合名称 */
typedef ElementType SetType[MaxVertexNum]; /* 假设集合元素下标从0开始 */
void InitializeVSet(SetType S, int N)
{ /* 初始化并查集 */
ElementType X;
for (X = 0; X < N; X++)
S[X] = -1;
}
void Union(SetType S, SetName Root1, SetName Root2)
{ /* 这里默认Root1和Root2是不同集合的根结点 */
/* 保证小集合并入大集合 */
if (S[Root2] < S[Root1]) { /* 如果集合2比较大 */
S[Root2] += S[Root1]; /* 集合1并入集合2 */
S[Root1] = Root2;
}
else { /* 如果集合1比较大 */
S[Root1] += S[Root2]; /* 集合2并入集合1 */
S[Root2] = Root1;
}
}
SetName Find(SetType S, ElementType X)
{ /* 默认集合元素全部初始化为-1 */
if (S[X] < 0) /* 找到集合的根 */
return X;
else
return S[X] = Find(S, S[X]); /* 路径压缩 */
}
bool CheckCycle(SetType VSet, Vertex V1, Vertex V2)
{ /* 检查连接V1和V2的边是否在现有的最小生成树子集中构成回路 */
Vertex Root1, Root2;
Root1 = Find(VSet, V1); /* 得到V1所属的连通集名称 */
Root2 = Find(VSet, V2); /* 得到V2所属的连通集名称 */
if (Root1 == Root2) /* 若V1和V2已经连通,则该边不能要 */
return false;
else { /* 否则该边可以被收集,同时将V1和V2并入同一连通集 */
Union(VSet, Root1, Root2);
return true;
}
}
/*-------------------- 并查集定义结束 --------------------*/
/*-------------------- 边的最小堆定义 --------------------*/
void PercDown(Edge ESet, int p, int N)
{ /* 改编代码4.24的PercDown( MaxHeap H, int p ) */
/* 将N个元素的边数组中以ESet[p]为根的子堆调整为关于Weight的最小堆 */
int Parent, Child;
struct ENode X;
X = ESet[p]; /* 取出根结点存放的值 */
for (Parent = p; (Parent * 2 + 1) < N; Parent = Child) {
Child = Parent * 2 + 1;
if ((Child != N - 1) && (ESet[Child].Weight > ESet[Child + 1].Weight))
Child++; /* Child指向左右子结点的较小者 */
if (X.Weight <= ESet[Child].Weight) break; /* 找到了合适位置 */
else /* 下滤X */
ESet[Parent] = ESet[Child];
}
ESet[Parent] = X;
}
void InitializeESet(LGraph Graph, Edge ESet)
{ /* 将图的边存入数组ESet,并且初始化为最小堆 */
Vertex V;
PtrToAdjVNode W;
int ECount;
/* 将图的边存入数组ESet */
ECount = 0;
for (V = 0; V < Graph->Nv; V++)
for (W = Graph->G[V].FirstEdge; W; W = W->Next)
if (V < W->AdjV) { /* 避免重复录入无向图的边,只收V1<V2的边 */
ESet[ECount].V1 = V;
ESet[ECount].V2 = W->AdjV;
ESet[ECount++].Weight = W->Weight;
}
/* 初始化为最小堆 */
for (ECount = Graph->Ne / 2; ECount >= 0; ECount--)
PercDown(ESet, ECount, Graph->Ne);
}
int GetEdge(Edge ESet, int CurrentSize)
{ /* 给定当前堆的大小CurrentSize,将当前最小边位置弹出并调整堆 */
/* 将最小边与当前堆的最后一个位置的边交换 */
Swap(&ESet[0], &ESet[CurrentSize - 1]);
/* 将剩下的边继续调整成最小堆 */
PercDown(ESet, 0, CurrentSize - 1);
return CurrentSize - 1; /* 返回最小边所在位置 */
}
/*-------------------- 最小堆定义结束 --------------------*/
int Kruskal(LGraph Graph, LGraph MST)
{ /* 将最小生成树保存为邻接表存储的图MST,返回最小权重和 */
WeightType TotalWeight;
int ECount, NextEdge;
SetType VSet; /* 顶点数组 */
Edge ESet; /* 边数组 */
InitializeVSet(VSet, Graph->Nv); /* 初始化顶点并查集 */
ESet = (Edge)malloc(sizeof(struct ENode)*Graph->Ne);
InitializeESet(Graph, ESet); /* 初始化边的最小堆 */
/* 创建包含所有顶点但没有边的图。注意用邻接表版本 */
MST = CreateGraph(Graph->Nv);
TotalWeight = 0; /* 初始化权重和 */
ECount = 0; /* 初始化收录的边数 */
NextEdge = Graph->Ne; /* 原始边集的规模 */
while (ECount < Graph->Nv - 1) { /* 当收集的边不足以构成树时 */
NextEdge = GetEdge(ESet, NextEdge); /* 从边集中得到最小边的位置 */
if (NextEdge < 0) /* 边集已空 */
break;
/* 如果该边的加入不构成回路,即两端结点不属于同一连通集 */
if (CheckCycle(VSet, ESet[NextEdge].V1, ESet[NextEdge].V2) == true) {
/* 将该边插入MST */
InsertEdge(MST, ESet + NextEdge);
TotalWeight += ESet[NextEdge].Weight; /* 累计权重 */
ECount++; /* 生成树中边数加1 */
}
}
if (ECount < Graph->Nv - 1)
TotalWeight = -1; /* 设置错误标记,表示生成树不存在 */
return TotalWeight;
}
四、拓扑排序
- AOV 网:拓扑排序
/* 邻接表存储 - 拓扑排序算法 */
bool TopSort( LGraph Graph, Vertex TopOrder[] )
{ /* 对Graph进行拓扑排序, TopOrder[]顺序存储排序后的顶点下标 */
int Indegree[MaxVertexNum], cnt;
Vertex V;
PtrToAdjVNode W;
Queue Q = CreateQueue( Graph->Nv );
/* 初始化Indegree[] */
for (V=0; V<Graph->Nv; V++)
Indegree[V] = 0;
/* 遍历图,得到Indegree[] */
for (V=0; V<Graph->Nv; V++)
for (W=Graph->G[V].FirstEdge; W; W=W->Next)
Indegree[W->AdjV]++; /* 对有向边<V, W->AdjV>累计终点的入度 */
/* 将所有入度为0的顶点入列 */
for (V=0; V<Graph->Nv; V++)
if ( Indegree[V]==0 )
AddQ(Q, V);
/* 下面进入拓扑排序 */
cnt = 0;
while( !IsEmpty(Q) ){
V = DeleteQ(Q); /* 弹出一个入度为0的顶点 */
TopOrder[cnt++] = V; /* 将之存为结果序列的下一个元素 */
/* 对V的每个邻接点W->AdjV */
for ( W=Graph->G[V].FirstEdge; W; W=W->Next )
if ( --Indegree[W->AdjV] == 0 )/* 若删除V使得W->AdjV入度为0 */
AddQ(Q, W->AdjV); /* 则该顶点入列 */
} /* while结束*/
if ( cnt != Graph->Nv )
return false; /* 说明图中有回路, 返回不成功标志 */
else
return true;
}
- AOE 网:关键活动 和 关键路径(最长路径,最短时间)