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一. 网络流概述
1. 基本概念
在一个有向图上选择一个源点，一个汇点，每一条边上都有一个流量上限（以下称为容量），即经过这条边的流量不能超过这个上界，同时，除源点和汇点外，所有点的入流和出流都相等，而源点只有流出的流，汇点只有汇入的流。这样的图叫做网络流。
2. 名词解释
（1）源点：流量的源头，只有流出去的点
（2）汇点：流量的汇聚点，只有流进来的点
（3）流量：一条边上流过的实际流量
（4）容量：一条边上可供流过的最大流量
（5）残量：一条边上的容量-当前流量，剩下可流的最大流
3. 基本性质
对于任意一个时刻，设f(u,v)为实际流量，c(u,v)为容量，则任意时刻流网络满足三个性质：
（1）容量限制：对于任意u，v，都有f（u,v） <= c（u,v）。即任意时刻流量都不超过容量；
（2）流守恒性：除了源点与汇点之外，其余任意一点，都满足流入该点总量 = 流出该点总量，节点自身不会产生或者消耗流量，只是中转媒介；
（3）反对称性：对于任意的u,v ，一定有f（u,v） = -f（v,u） 。 从u到v流了 l 流量就相当于从v到u流了-l 的流量；
4. 最大流最小割定理
这里的割定义为边割集中所有边的容量之和，最大流最小割定理如下：
（1）任意一个流都小于任意一个割：任意一个边割集内的边被删掉以后，都会使图不联通，使流断掉；所以任意一个流肯定都小于任意一个割。
（2）构造出的一个流等于一个割；
（3）最大流等于最小割；
二. 最大流问题
1. 问题描述
形象一点的话，假如现在有一个自来水厂要往你家通水，自来水厂到你们家连接了很多水管，并且中途经过很多转接点。每根水管都有粗细，通过管子的水流肯定不能太大，不然会撑爆管子。现在问你，从自来水厂放水最多到你家能汇聚有多少水。这就是网络流的最大流问题。给出你源点与汇点，给你m条有向路和每条路的容量，求最大流。
2. 求解算法
基于增广路定理：网络达到最大流当且仅当残留网络中没有增广路。因此增广路算法的思想（Ford-Fulkerson）是：沿着图中的一个可行流开始，从源点往汇点不断寻找增广路，每找到一条就处理一次。不断重复寻找直到图中不存在增广路，这就是增广路算法。其算法流程如下：
- 我们找一条从源点可以通向汇点的通路，通路上的最小可行流就是路上所有水管都能承受的流量，我们就可以通上这些水。并且把所有路的流量加上这些，表示该水管已经通了这些水。
- 不断继续寻找下一个可行的增广路，直到图中找不到从源点到汇点的可行路。但是这时不一定是最大流，因为我们刚开始选择很单一。所以我们这里就增加反向弧，从u到v通l 就 从v到u通l。
为什么增加反向弧呢？这是给流量一个反悔的机会，比如我本来从u到v，但是我发现从u分流一部分到v，另一部分走另一条路时最大，这里就有了反悔的选择。
2.1. 一般增广路算法（EdmondsKarp）
一般增广路算法由BFS不断寻找增广路，涉及m条边、n个点，其代码时间复杂度为 O（m^2n），但EK算法的算法效率太低。
#include <iostream>
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define INF 0x3f3f3f3f
const int maxn = 10000 + 7;
int head[maxn],n,m,tot,s,t,cost[maxn],pre[maxn];//cost记录到当前点的最小流量，pre记录前导边
struct Edge{
int from,to,next,cap,flow;//cap容量，flow当前流量
}edge[maxn];
void addEdge(int a,int b,int c){
edge[tot].from = a;edge[tot].to = b;edge[tot].next = head[a];edge[tot].cap = c;edge[tot].flow = 0;head[a] = tot++;
}
int EK(int st,int et){
int maxflow = 0;
for(;;){//不断寻找增广路
memset(cost,0,sizeof(cost));
queue<int> que;
que.push(st);//从源点开始
cost[st] = INF;
while(!que.empty()){
int u = que.front();
que.pop();
for(int i = head[u];~i;i = edge[i].next){
int p = edge[i].to;
if(!cost[p]&&edge[i].cap > edge[i].flow){//该点还未被走过 + 该水管残量不为0
cost[p] = min(cost[u],edge[i].cap - edge[i].flow);//取最小
pre[p] = i;//记录前导边
que.push(p);
}
}
if(cost[et])break;//如果到达了终点，结束
}
if(!cost[et])break;//如果循环完发现没有到达汇点，说明不存在增广路了达到最大流
for(int i = et;i!=st;i = edge[pre[i]].from){//从汇点往前更新所有边
edge[pre[i]].flow+=cost[et];
edge[pre[i]^1].flow-=cost[et];//反向弧
}
maxflow+=cost[et];//更新最大流
}
return maxflow;
}
int main()
{
int T;
scanf("%d",&T);
while(T--){
tot = 0;
memset(head,-1,sizeof(head));
scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t);//n个点，m条有向边，源点，汇点
for(int i = 0;i<m;i++){
int a,b,v;
scanf("%d%d%d",&a,&b,&v);
addEdge(a,b,v);//正向建边
addEdge(b,a,0);//反向弧初始容量为0
}
int ans = EK(s,t);//求解最大流
printf("%d\n",ans);
}
return 0;
}
2.2. 分层图 Dinic 算法
为了解决EK算法的低效过程，我们给每个点标上一个记号来分层，而这个记号就是该点到源点的距离。我们规定每次前进必须走记号比当前点大一的点。这样就保证了每次移动必定前进，是必定距离汇点越来越近的。其流程如下：
（1） 利用 BFS 对原来的图进行分层，即对每个结点进行标号， 这个标号的含义是当前结点距离源点的最短距离(假设每条边的距离都为1)，注意：构建层次图的时候所走的边的残余流量必须大于0
（2）用 DFS 寻找一条从源点到汇点的增广路, 注意: 此处寻找增广路的时候要按照层次图的顺序, 即如果将边(u, v)纳入这条增广路的话必须满足dis[u]=dis[v]−1, 其中 dis[i]为结点 i 的编号。找到一条路后要根据这条增广路径上的所有边的残余流量的最小值l更新所有边的残余流量(即正向弧 - l, 反向弧 + l)。
（3）重复步骤（2）， 当找不到一条增广路的时候, 重复步骤 1, 重新建立层次图, 直到从源点不能到达汇点为止。其代码复杂度为 O（n^2m）。
#include <iostream>
#include<bits/stdc++.h>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<queue>
using namespace std;
#define INF 0x3f3f3f3f
const int maxn = 1000 + 7;
typedef long long LL;
struct Edge{
int to,next;
LL cap,flow;
}edge[maxn*20];
int n,m,head[maxn],tot,dist[maxn],s,t;
void addEdge(int a,int b,LL c){
edge[tot].to = b;edge[tot].next = head[a];edge[tot].cap = c;edge[tot].flow = 0;head[a] = tot++;
edge[tot].to = a;edge[tot].next = head[b];edge[tot].cap = 0;edge[tot].flow = 0;head[b] = tot++;
}
bool BFS(int st,int et){//BFS分层
queue<int> que;
memset(dist,0,sizeof(dist));
que.push(st);
dist[st] = 1;
while(!que.empty()){
int u = que.front();
que.pop();
for(int i = head[u];~i;i = edge[i].next){
if(!dist[edge[i].to]&&edge[i].cap > edge[i].flow){//没走过这点 + 残量不为0
dist[edge[i].to] = dist[u] + 1;
que.push(edge[i].to);
}
}
}
if(dist[et]>0)return true;//若汇点有标号说明仍有增广路，否则结束
return false;
}
LL DFS(int p,LL minFlow){//DFS找增广路
if(p==t||minFlow==0)return minFlow;//到达汇点或者最小分到0了，结束反回
LL flow = 0;//记录从该点分支的所有能走的增广路流量
for(int i = head[p];~i;i = edge[i].next){
if(dist[edge[i].to] == dist[p] + 1&&edge[i].cap > edge[i].flow){//残量不为0
LL f = DFS(edge[i].to,min(edge[i].cap - edge[i].flow,minFlow));//沿这条路走下去的最小增广路流量
edge[i].flow+=f;//更新到当前边
edge[i^1].flow-=f;//反向弧
flow+=f;
minFlow-=f;//分流
if(minFlow==0)break;
}
}
return flow;
}
int Dinic(int st,int et){
if(st==et)return 0;
LL maxFlow = 0;
while(BFS(st,et)){//不断分层
LL res = DFS(st,INF);//DFS寻找当前分层下所有增广路
maxFlow+=res;
}
return maxFlow;
}
int main()
{
int T;
scanf("%d",&T);
while(T--){
tot = 0;
memset(head,-1,sizeof(head));
scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t);
for(int i = 0;i<m;i++){
int a,b;
LL val;
scanf("%d%d%lld",&a,&b,&val);
addEdge(a,b,val);
}
LL ans = Dinic(s,t);
printf("%lld\n",ans);
}
return 0;
}
2.3 Dinic算法的当前弧优化
标记每个点遍历到哪条边了，下次遍历这个点的时候直接从这条边开始，避免了又从头开始的弊端。其代码如下：
#include <iostream>
#include<bits/stdc++.h>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<queue>
using namespace std;
#define INF 0x3f3f3f3f
const int maxn = 1000 + 7;
typedef long long LL;
struct Edge{
int to,next;
LL cap,flow;
}edge[maxn*20];
int n,m,head[maxn],tot,dist[maxn],s,t,cur[maxn];
void addEdge(int a,int b,LL c){
edge[tot].to = b;edge[tot].next = head[a];edge[tot].cap = c;edge[tot].flow = 0;head[a] = tot++;
edge[tot].to = a;edge[tot].next = head[b];edge[tot].cap = 0;edge[tot].flow = 0;head[b] = tot++;
}
bool BFS(int st,int et){
queue<int> que;
memset(dist,0,sizeof(dist));
que.push(st);
dist[st] = 1;
while(!que.empty()){
int u = que.front();
que.pop();
for(int i = head[u];~i;i = edge[i].next){
if(!dist[edge[i].to]&&edge[i].cap > edge[i].flow){
dist[edge[i].to] = dist[u] + 1;
que.push(edge[i].to);
}
}
}
if(dist[et]>0)return true;
return false;
}
LL DFS(int p,LL minFlow){
if(p==t||minFlow==0)return minFlow;
LL flow = 0;
for(int &i = cur[p];~i;i = edge[i].next){//！！注意这里的& ， 使cur[p]跟随i变化，下次dfs到该点直接从上次退出的地方继续开始，不用从头重复了！！！
if(dist[edge[i].to] == dist[p] + 1&&edge[i].cap > edge[i].flow){
LL f = DFS(edge[i].to,min(edge[i].cap - edge[i].flow,minFlow));
edge[i].flow+=f;
edge[i^1].flow-=f;
flow+=f;
minFlow-=f;
if(minFlow==0)break;
}
}
return flow;
}
int Dinic(int st,int et){
if(st==et)return 0;
LL maxFlow = 0;
while(BFS(st,et)){
for(int i = 1;i<=n;i++)cur[i] = head[i];//初始化标记数组
LL res = DFS(st,INF);
maxFlow+=res;
}
return maxFlow;
}
int main()
{
int T;
scanf("%d",&T);
while(T--){
tot = 0;
memset(head,-1,sizeof(head));
scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t);
for(int i = 0;i<m;i++){
int a,b;
LL val;
scanf("%d%d%lld",&a,&b,&val);
addEdge(a,b,val);
}
LL ans = Dinic(s,t);
printf("%lld\n",ans);
}
return 0;
}
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