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一、图的存储结构
1.1 邻接矩阵
图的邻接矩阵存储方式是用两个数组来表示图。一个一维数组存储图中顶点信息,一个二维数组(邻接矩阵)存储图中的边或弧的信息。
设图G有n个顶点,则邻接矩阵是一个n*n的方阵,定义为:
看一个实例,下图左就是一个无向图。
从上面可以看出,无向图的边数组是一个对称矩阵。所谓对称矩阵就是n阶矩阵的元满足aij = aji。即从矩阵的左上角到右下角的主对角线为轴,右上角的元和左下角相对应的元全都是相等的。
从这个矩阵中,很容易知道图中的信息。
(1)要判断任意两顶点是否有边无边就很容易了;
(2)要知道某个顶点的度,其实就是这个顶点vi在邻接矩阵中第i行或(第i列)的元素之和;
(3)求顶点vi的所有邻接点就是将矩阵中第i行元素扫描一遍,arc[i][j]为1就是邻接点;
而有向图讲究入度和出度,顶点vi的入度为1,正好是第i列各数之和。顶点vi的出度为2,即第i行的各数之和。
若图G是网图,有n个顶点,则邻接矩阵是一个n*n的方阵,定义为:
这里的wij表示(vi,vj)上的权值。无穷大表示一个计算机允许的、大于所有边上权值的值,也就是一个不可能的极限值。下面左图就是一个有向网图,右图就是它的邻接矩阵。
那么邻接矩阵是如何实现图的创建的呢?代码如下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 | #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <curses.h> typedef char VertexType; //顶点类型应由用户定义 typedef int EdgeType; //边上的权值类型应由用户定义 #define MAXVEX 100 //最大顶点数,应由用户定义 #define INFINITY 65535 //用65535来代表无穷大 #define DEBUG typedef struct { VertexType vexs[MAXVEX]; //顶点表 EdgeType arc[MAXVEX][MAXVEX]; //邻接矩阵,可看作边 int numVertexes, numEdges; //图中当前的顶点数和边数 }Graph; //定位 int locates(Graph *g, char ch) { int i = 0; for (i = 0; i < g->numVertexes; i++) { if (g->vexs[i] == ch) { break ; } } if (i >= g->numVertexes) { return -1; } return i; } //建立一个无向网图的邻接矩阵表示 void CreateGraph(Graph *g) { int i, j, k, w; printf ( "输入顶点数和边数:\n" ); scanf ( "%d,%d" , &(g->numVertexes), &(g->numEdges)); #ifdef DEBUG printf ( "%d %d\n" , g->numVertexes, g->numEdges); #endif for (i = 0; i < g->numVertexes; i++) { g->vexs[i] = getchar (); while (g->vexs[i] == '\n' ) { g->vexs[i] = getchar (); } } #ifdef DEBUG for (i = 0; i < g->numVertexes; i++) { printf ( "%c " , g->vexs[i]); } printf ( "\n" ); #endif for (i = 0; i < g->numEdges; i++) { for (j = 0; j < g->numEdges; j++) { g->arc[i][j] = INFINITY; //邻接矩阵初始化 } } for (k = 0; k < g->numEdges; k++) { char p, q; printf ( "输入边(vi,vj)上的下标i,下标j和权值:\n" ); p = getchar (); while (p == '\n' ) { p = getchar (); } q = getchar (); while (q == '\n' ) { q = getchar (); } scanf ( "%d" , &w); int m = -1; int n = -1; m = locates(g, p); n = locates(g, q); if (n == -1 || m == -1) { fprintf (stderr, "there is no this vertex.\n" ); return ; } //getchar(); g->arc[m][n] = w; g->arc[n][m] = g->arc[m][n]; //因为是无向图,矩阵对称 } } //打印图 void printGraph(Graph g) { int i, j; for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { for (j = 0; j < g.numVertexes; j++) { printf ( "%d " , g.arc[i][j]); } printf ( "\n" ); } } int main( int argc, char **argv) { Graph g; //邻接矩阵创建图 CreateGraph(&g); printGraph(g); return 0; } </curses.h></stdlib.h></stdio.h> |
1.2 邻接表
邻接矩阵是不错的一种图存储结构,但是,对于边数相对顶点较少的图,这种结构存在对存储空间的极大浪费。因此,找到一种数组与链表相结合的存储方法称为邻接表。
邻接表的处理方法是这样的:
(1)图中顶点用一个一维数组存储,当然,顶点也可以用单链表来存储,不过,数组可以较容易的读取顶点的信息,更加方便。
(2)图中每个顶点vi的所有邻接点构成一个线性表,由于邻接点的个数不定,所以,用单链表存储,无向图称为顶点vi的边表,有向图则称为顶点vi作为弧尾的出边表。
例如,下图就是一个无向图的邻接表的结构。
从图中可以看出,顶点表的各个结点由data和firstedge两个域表示,data是数据域,存储顶点的信息,firstedge是指针域,指向边表的第一个结点,即此顶点的第一个邻接点。边表结点由adjvex和next两个域组成。adjvex是邻接点域,存储某顶点的邻接点在顶点表中的下标,next则存储指向边表中下一个结点的指针。
对于带权值的网图,可以在边表结点定义中再增加一个weight的数据域,存储权值信息即可。如下图所示。
对于邻接表结构,图的建立代码如下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 | /* 邻接表表示的图结构 */ #include <stdio.h> #include<stdlib.h> #define DEBUG #define MAXVEX 1000 //最大顶点数 typedef char VertexType; //顶点类型应由用户定义 typedef int EdgeType; //边上的权值类型应由用户定义 typedef struct EdgeNode //边表结点 { int adjvex; //邻接点域,存储该顶点对应的下标 EdgeType weigth; //用于存储权值,对于非网图可以不需要 struct EdgeNode *next; //链域,指向下一个邻接点 }EdgeNode; typedef struct VertexNode //顶点表结构 { VertexType data; //顶点域,存储顶点信息 EdgeNode *firstedge; //边表头指针 }VertexNode, AdjList[MAXVEX]; typedef struct { AdjList adjList; int numVertexes, numEdges; //图中当前顶点数和边数 }GraphList; int Locate(GraphList *g, char ch) { int i; for (i = 0; i < MAXVEX; i++) { if (ch == g->adjList[i].data) { break ; } } if (i >= MAXVEX) { fprintf (stderr, "there is no vertex.\n" ); return -1; } return i; } //建立图的邻接表结构 void CreateGraph(GraphList *g) { int i, j, k; EdgeNode *e; EdgeNode *f; printf ( "输入顶点数和边数:\n" ); scanf ( "%d,%d" , &g->numVertexes, &g->numEdges); #ifdef DEBUG printf ( "%d,%d\n" , g->numVertexes, g->numEdges); #endif for (i = 0; i < g->numVertexes; i++) { printf ( "请输入顶点%d:\n" , i); g->adjList[i].data = getchar (); //输入顶点信息 g->adjList[i].firstedge = NULL; //将边表置为空表 while (g->adjList[i].data == '\n' ) { g->adjList[i].data = getchar (); } } //建立边表 for (k = 0; k < g->numEdges; k++) { printf ( "输入边(vi,vj)上的顶点序号:\n" ); char p, q; p = getchar (); while (p == '\n' ) { p = getchar (); } q = getchar (); while (q == '\n' ) { q = getchar (); } int m, n; m = Locate(g, p); n = Locate(g, q); if (m == -1 || n == -1) { return ; } #ifdef DEBUG printf ( "p = %c\n" , p); printf ( "q = %c\n" , q); printf ( "m = %d\n" , m); printf ( "n = %d\n" , n); #endif //向内存申请空间,生成边表结点 e = (EdgeNode *) malloc ( sizeof (EdgeNode)); if (e == NULL) { fprintf (stderr, "malloc() error.\n" ); return ; } //邻接序号为j e->adjvex = n; //将e指针指向当前顶点指向的结构 e->next = g->adjList[m].firstedge; //将当前顶点的指针指向e g->adjList[m].firstedge = e; f = (EdgeNode *) malloc ( sizeof (EdgeNode)); if (f == NULL) { fprintf (stderr, "malloc() error.\n" ); return ; } f->adjvex = m; f->next = g->adjList[n].firstedge; g->adjList[n].firstedge = f; } } void printGraph(GraphList *g) { int i = 0; #ifdef DEBUG printf ( "printGraph() start.\n" ); #endif while (g->adjList[i].firstedge != NULL && i < MAXVEX) { printf ( "顶点:%c " , g->adjList[i].data); EdgeNode *e = NULL; e = g->adjList[i].firstedge; while (e != NULL) { printf ( "%d " , e->adjvex); e = e->next; } i++; printf ( "\n" ); } } int main( int argc, char **argv) { GraphList g; CreateGraph(&g); printGraph(&g); return 0; } </stdlib.h></stdio.h> |
本算法的时间复杂度,对于n个顶点e条边来说,很容易得出是O(n+e)。
1.3 十字链表
对于有向图来说,邻接表是有缺陷的。关心了出度问题,想了解入度就必须要遍历整个图才知道,反之,逆邻接表解决了入度却不了解出度情况。下面介绍的这种有向图的存储方法:十字链表,就是把邻接表和逆邻接表结合起来的。
重新定义顶点表结点结构,如下所示。
其中firstin表示入边表头指针,指向该顶点的入边表中第一个结点,firstout表示出边表头指针,指向该顶点的出边表中的第一个结点。
重新定义边表结构,如下所示。
其中,tailvex是指弧起点在顶点表的下表,headvex是指弧终点在顶点表的下标,headlink是指入边表指针域,指向终点相同的下一条边,taillink是指边表指针域,指向起点相同的下一条边。如果是网,还可以增加一个weight域来存储权值。
比如下图,顶点依然是存入一个一维数组,实线箭头指针的图示完全与邻接表相同。就以顶点v0来说,firstout指向的是出边表中的第一个结点v3。所以,v0边表结点hearvex = 3,而tailvex其实就是当前顶点v0的下标0,由于v0只有一个出边顶点,所有headlink和taillink都是空的。
重点需要解释虚线箭头的含义。它其实就是此图的逆邻接表的表示。对于v0来说,它有两个顶点v1和v2的入边。因此的firstin指向顶点v1的边表结点中headvex为0的结点,如上图圆圈1。接着由入边结点的headlink指向下一个入边顶点v2,如上图圆圈2。对于顶点v1,它有一个入边顶点v2,所以它的firstin指向顶点v2的边表结点中headvex为1的结点,如上图圆圈3。
十字链表的好处就是因为把邻接表和逆邻接表整合在一起,这样既容易找到以v为尾的弧,也容易找到以v为头的弧,因而比较容易求得顶点的出度和入度。
而且除了结构复杂一点外,其实创建图算法的时间复杂度是和邻接表相同的,因此,在有向图应用中,十字链表是非常好的数据结构模型。
这里就介绍以上三种存储结构,除了第三种存储结构外,其他的两种存储结构比较简单。
二、图的遍历
图的遍历和树的遍历类似,希望从图中某一顶点出发访遍图中其余顶点,且使每一个顶点仅被访问一次,这一过程就叫图的遍历。
对于图的遍历来说,如何避免因回路陷入死循环,就需要科学地设计遍历方案,通过有两种遍历次序方案:深度优先遍历和广度优先遍历。
2.1 深度优先遍历
1.深度优先遍历的递归定义
假设给定图G的初态是所有顶点均未曾访问过。在G中任选一顶点v为初始出发点(源点),则深度优先遍历可定义如下:首先访问出发点v,并将其标记为已访问过;然后依次从v出发搜索v的每个邻接点w。若w未曾访问过,则以w为新的出发点继续进行深度优先遍历,直至图中所有和源点v有路径相通的顶点(亦称为从源点可达的顶点)均已被访问为止。若此时图中仍有未访问的顶点,则另选一个尚未访问的顶点作为新的源点重复上述过程,直至图中所有顶点均已被访问为止。
图的深度优先遍历类似于树的前序遍历。采用的搜索方法的特点是尽可能先对纵深方向进行搜索。这种搜索方法称为深度优先搜索(Depth-First Search)。相应地,用此方法遍历图就很自然地称之为图的深度优先遍历
2.基本实现思想:
(1)访问顶点v;
(2)从v的未被访问的邻接点中选取一个顶点w,从w出发进行深度优先遍历;
(3)重复上述两步,直至图中所有和v有路径相通的顶点都被访问到。
例如下图,其深度优先遍历顺序为 1->2->4->8->5->3->6->7
3.伪代码
递归实现
(1)访问顶点v;visited[v]=1;//算法执行前visited[n]=0
(2)w=顶点v的第一个邻接点;
(3)while(w存在)
if(w未被访问)
从顶点w出发递归执行该算法;
w=顶点v的下一个邻接点;非递归实现
(1)栈S初始化;visited[n]=0;
(2)访问顶点v;visited[v]=1;顶点v入栈S
(3)while(栈S非空)
x=栈S的顶元素(不出栈);
if(存在并找到未被访问的x的邻接点w)
访问w;visited[w]=1;
w进栈;
else
x出栈;
我们用邻接矩阵的方式,则代码如下所示。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 | #define MAXVEX 100 //最大顶点数 typedef int Boolean; //Boolean 是布尔类型,其值是TRUE 或FALSE Boolean visited[MAXVEX]; //访问标志数组 #define TRUE 1 #define FALSE 0 //邻接矩阵的深度优先递归算法 void DFS(Graph g, int i) { int j; visited[i] = TRUE; printf ( "%c " , g.vexs[i]); //打印顶点,也可以其他操作 for (j = 0; j < g.numVertexes; j++) { if (g.arc[i][j] == 1 && !visited[j]) { DFS(g, j); //对为访问的邻接顶点递归调用 } } } //邻接矩阵的深度遍历操作 void DFSTraverse(Graph g) { int i; for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { visited[i] = FALSE; //初始化所有顶点状态都是未访问过状态 } for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { if (!visited[i]) //对未访问的顶点调用DFS,若是连通图,只会执行一次 { DFS(g,i); } } } |
如果使用的是邻接表存储结构,其DFSTraverse函数的代码几乎是相同的,只是在递归函数中因为将数组换成了链表而有不同,代码如下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 | //邻接表的深度递归算法 void DFS(GraphList g, int i) { EdgeNode *p; visited[i] = TRUE; printf ( "%c " , g->adjList[i].data); //打印顶点,也可以其他操作 p = g->adjList[i].firstedge; while (p) { if (!visited[p->adjvex]) { DFS(g, p->adjvex); //对访问的邻接顶点递归调用 } p = p->next; } } //邻接表的深度遍历操作 void DFSTraverse(GraphList g) { int i; for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { visited[i] = FALSE; } for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { if (!visited[i]) { DFS(g, i); } } } |
2.2 广度优先遍历
1.广度优先遍历定义
图的广度优先遍历BFS算法是一个分层搜索的过程,和树的层序遍历算法类同,它也需要一个队列以保持遍历过的顶点顺序,以便按出队的顺序再去访问这些顶点的邻接顶点。
2.基本实现思想
(1)顶点v入队列。
(2)当队列非空时则继续执行,否则算法结束。
(3)出队列取得队头顶点v;访问顶点v并标记顶点v已被访问。
(4)查找顶点v的第一个邻接顶点col。
(5)若v的邻接顶点col未被访问过的,则col入队列。
(6)继续查找顶点v的另一个新的邻接顶点col,转到步骤(5)。
直到顶点v的所有未被访问过的邻接点处理完。转到步骤(2)。
广度优先遍历图是以顶点v为起始点,由近至远,依次访问和v有路径相通而且路径长度为1,2,……的顶点。为了使“先被访问顶点的邻接点”先于“后被访问顶点的邻接点”被访问,需设置队列存储访问的顶点。
如下图,其广度优先算法的遍历顺序为:1->2->3->4->5->6->7->8
3.伪代码
(1)初始化队列Q;visited[n]=0;
(2)访问顶点v;visited[v]=1;顶点v入队列Q;
(3) while(队列Q非空)
v=队列Q的对头元素出队;
w=顶点v的第一个邻接点;
while(w存在)
如果w未访问,则访问顶点w;
visited[w]=1;
顶点w入队列Q;
w=顶点v的下一个邻接点。
邻接矩阵做存储结构时,广度优先搜索的代码如下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 | //邻接矩阵的广度遍历算法 void BFSTraverse(Graph g) { int i, j; Queue q; for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { visited[i] = FALSE; } InitQueue(&q); for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) //对每个顶点做循环 { if (!visited[i]) //若是未访问过 { visited[i] = TRUE; printf ( "%c " , g.vexs[i]); //打印结点,也可以其他操作 EnQueue(&q, i); //将此结点入队列 while (!QueueEmpty(q)) //将队中元素出队列,赋值给 { int m; DeQueue(&q, &m); for (j = 0; j < g.numVertexes; j++) { //判断其他顶点若与当前顶点存在边且未访问过 if (g.arc[m][j] == 1 && !visited[j]) { visited[j] = TRUE; printf ( "%c " , g.vexs[j]); EnQueue(&q, j); } } } } } } <span style= "line-height:2;font-family:'sans serif', tahoma, verdana, helvetica;" > </span> |
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 | //邻接表的广度遍历算法 void BFSTraverse(GraphList g) { int i; EdgeNode *p; Queue q; for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { visited[i] = FALSE; } InitQueue(&q); for (i = 0; i < g.numVertexes; i++) { if (!visited[i]) { visited[i] = TRUE; printf ( "%c " , g.adjList[i].data); //打印顶点,也可以其他操作 EnQueue(&q, i); while (!QueueEmpty(q)) { int m; DeQueue(&q, &m); p = g.adjList[m].firstedge; 找到当前顶点边表链表头指针 while (p) { if (!visited[p->adjvex]) { visited[p->adjvex] = TRUE; printf ( "%c " , g.adjList[p->adjvex].data); EnQueue(&q, p->adjvex); } p = p->next; } } } } }<span style= "font-family:'sans serif', tahoma, verdana, helvetica;line-height:1.5;" > </span> |
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