图论—BFS

本文深入探讨了图遍历算法中的广度优先搜索(BFS)算法,通过C++实现展示了如何使用队列进行顶点访问,确保从每个顶点开始的遍历都能覆盖其所有可达节点,适用于寻找最短路径等问题。
#include<iostream>
#include<queue>
#include<vector>
using namespace std;

const int MAXV=1000;//最大顶点数

int n,m;//顶点数,边数 
vector<int> G[MAXV];//邻接表 
bool vis[MAXV]={false};//访问标记数组 

void BFS(int u)
{
    queue<int> q;//创建队列q 
	q.push(u);//将顶点入队 
	vis[u]=true;//标记顶点已访问 
	cout<<"BFS访问序列为"<<u<<' ';
	while(!q.empty())//判断队列是否为空 
	{
		int u=q.front();//取队首元素 
		q.pop();//元素出队 
		for(int i=0;i<G[u].size();i++)//查看该点在邻接表对应边 
		{
			int v=G[u][i];//边的终点 
			if(vis[v]==false)//如果顶点未被访问 
			{
				q.push(v);//顶点入队 
				vis[v]=true;
				cout<<v<<' '; 
			}
		}
	}	
}

void BFSTrave()
{
	for(int u=0;u<n;u++)
	{
		if(vis[u]==false)
		{
			BFS(u);
		}
	}
}

int main()
{
	int u,v;//边的起点和终点 
	cin>>n>>m;//输入顶点数和边数 
	for(int i=0;i<m;i++)
	{
		cin>>u>>v;//输入一条边的起点终点 
		G[u].push_back(v);//将该边加入邻接表 
	}
	BFSTrave();
	return 0;
}

广度优先搜索(BFS)和深度优先搜索(DFS)是图论和树结构中基础且常用的遍历算法,在解决诸多算法问题时十分重要,如路径搜索、连通性检测、拓扑排序等[^1]。 ### 原理 - **广度优先搜索(BFS)**:BFS是一种逐层遍历的算法。从起始顶点开始,首先访问起始顶点,接着访问其所有邻接顶点,然后再依次访问这些邻接顶点的邻接顶点,以此类推,直到所有可达顶点都被访问。这个过程类似于树的层序遍历,借助队列来实现,保证了顶点按照距离起始顶点的远近依次被访问。 - **深度优先搜索(DFS)**:DFS首先访问起始顶点,然后从该顶点的邻接表中选取一个未访问过的顶点进行访问,并从这个新顶点开始继续进行深度优先搜索。当搜索到一个顶点,其邻接表中的顶点全部被访问过时,就回溯到上一个顶点,继续处理该顶点邻接表中其他未访问的顶点。整个过程类似树的前序遍历,通常使用栈来实现,递归调用本质上也是利用了系统栈[^1][^3]。 ### 应用 - **广度优先搜索(BFS)**: - **最短路径问题**:在无权图中,BFS能找到从起始顶点到其他顶点的最短路径,因为它是逐层遍历的,首次到达某个顶点时经过的边数就是最短路径长度。 - **连通性检测**:可用于判断图中两个顶点是否连通,或者找出图的所有连通分量。 - **社交网络分析**:例如在社交网络中查找某个用户的所有一度、二度、三度好友等。 - **深度优先搜索(DFS)**: - **拓扑排序**:对有向无环图进行拓扑排序时,DFS是一种常用的方法。 - **连通分量检测**:可以找出图的所有连通分量。 - **路径搜索**:在迷宫问题中,DFS可以尝试所有可能的路径,找到从起点到终点的路径。 ### 实现 #### 广度优先搜索(BFS)代码示例(C#) ```csharp public class Solution { public void bfs(int [,]M, int []visit, int i) { Queue<int> q = new Queue<int>(); q.Enqueue(i); while(q.Count > 0) { int temp = q.Dequeue(); for(int j = 0; j < M.GetLength(0); j++) { if(M[temp,j] == 1 && visit[j] == 0) { visit[j] = 1; q.Enqueue(j); } } } } } ``` #### 深度优先搜索(DFS)代码示例(C) ```c #include <iostream> #define FALSE 0 #define TRUE 1 #include <stdio.h> // 结点 typedef struct node { int value; struct node * next; } edgenode; // 无向图链表的头结点 typedef struct vnode { int value; // 无向图链表的头结点索引 edgenode* firstedgenode; // 指向该顶点的第一个相邻结点 } topnode; // 无向图指向链表链的数组 typedef topnode node_list[MAX + 1]; // 无向图的结构体 typedef struct linklist_graph { int nodes, edges; // 无向图的结点数和边数 node_list linklist; // 无向图的指向链表链的数组 } linkgraph; void dfs(int v) { edgenode* w; visited[v] = TRUE; printf("%5d", v); for(w = linkgraph.linklist[v].firstedgenode; w; w = w->next) if(!visited[w->value]) dfs(w->value); } ```
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