Add the section of Graph Traversal.

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krahets 2 years ago
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commit dc441928d9

@ -7,19 +7,13 @@
package chapter_graph;
import java.util.*;
/* 顶点类 */
class Vertex {
int val;
public Vertex(int val) {
this.val = val;
}
}
import include.*;
/* 基于邻接表实现的无向图类 */
class GraphAdjList {
// 请注意vertices 和 adjList 中存储的都是 Vertex 对象
Map<Vertex, Set<Vertex>> adjList; // 邻接表(使用哈希表实现)
// 邻接表,使用哈希表来代替链表,以提升删除边、删除顶点的效率
// 请注意adjList 中的元素是 Vertex 对象
Map<Vertex, List<Vertex>> adjList;
/* 构造方法 */
public GraphAdjList(Vertex[][] edges) {
@ -59,26 +53,26 @@ class GraphAdjList {
public void addVertex(Vertex vet) {
if (adjList.containsKey(vet))
return;
// 在邻接表中添加一个新链表(即 HashSet
adjList.put(vet, new HashSet<>());
// 在邻接表中添加一个新链表
adjList.put(vet, new ArrayList<>());
}
/* 删除顶点 */
public void removeVertex(Vertex vet) {
if (!adjList.containsKey(vet))
throw new IllegalArgumentException();
// 在邻接表中删除顶点 vet 对应的链表(即 HashSet
// 在邻接表中删除顶点 vet 对应的链表
adjList.remove(vet);
// 遍历其它顶点的链表(即 HashSet,删除所有包含 vet 的边
for (Set<Vertex> set : adjList.values()) {
set.remove(vet);
// 遍历其它顶点的链表,删除所有包含 vet 的边
for (List<Vertex> list : adjList.values()) {
list.remove(vet);
}
}
/* 打印邻接表 */
public void print() {
System.out.println("邻接表 =");
for (Map.Entry<Vertex, Set<Vertex>> entry : adjList.entrySet()) {
for (Map.Entry<Vertex, List<Vertex>> entry : adjList.entrySet()) {
List<Integer> tmp = new ArrayList<>();
for (Vertex vertex : entry.getValue())
tmp.add(vertex.val);
@ -90,25 +84,21 @@ class GraphAdjList {
public class graph_adjacency_list {
public static void main(String[] args) {
/* 初始化无向图 */
Vertex v0 = new Vertex(1),
v1 = new Vertex(3),
v2 = new Vertex(2),
v3 = new Vertex(5),
v4 = new Vertex(4);
Vertex[][] edges = { { v0, v1 }, { v1, v2 }, { v2, v3 }, { v0, v3 }, { v2, v4 }, { v3, v4 } };
Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 1, 3, 2, 5, 4 });
Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] }, { v[2], v[3] }, { v[2], v[4] }, { v[3], v[4] } };
GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
System.out.println("\n初始化后图为");
graph.print();
/* 添加边 */
// 顶点 1, 2 即 v0, v2
graph.addEdge(v0, v2);
// 顶点 1, 2 即 v[0], v[2]
graph.addEdge(v[0], v[2]);
System.out.println("\n添加边 1-2 后,图为");
graph.print();
/* 删除边 */
// 顶点 1, 3 即 v0, v1
graph.removeEdge(v0, v1);
// 顶点 1, 3 即 v[0], v[1]
graph.removeEdge(v[0], v[1]);
System.out.println("\n删除边 1-3 后,图为");
graph.print();
@ -119,8 +109,8 @@ public class graph_adjacency_list {
graph.print();
/* 删除顶点 */
// 顶点 3 即 v1
graph.removeVertex(v1);
// 顶点 3 即 v[1]
graph.removeVertex(v[1]);
System.out.println("\n删除顶点 3 后,图为");
graph.print();
}

@ -100,7 +100,7 @@ public class graph_adjacency_matrix {
/* 初始化无向图 */
// 请注意edges 元素代表顶点索引,即对应 vertices 元素索引
int[] vertices = { 1, 3, 2, 5, 4 };
int[][] edges = { { 0, 1 }, { 1, 2 }, { 2, 3 }, { 0, 3 }, { 2, 4 }, { 3, 4 } };
int[][] edges = { { 0, 1 }, { 0, 3 }, { 1, 2 }, { 2, 3 }, { 2, 4 }, { 3, 4 } };
GraphAdjMat graph = new GraphAdjMat(vertices, edges);
System.out.println("\n初始化后图为");
graph.print();

@ -0,0 +1,53 @@
/**
* File: graph_bfs.java
* Created Time: 2023-02-12
* Author: Krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_graph;
import java.util.*;
import include.*;
public class graph_bfs {
/* 广度优先遍历 BFS */
// 使用邻接表来表示图,以便获取指定顶点的所有邻接顶点
static List<Vertex> graphBFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
// 顶点遍历序列
List<Vertex> res = new ArrayList<>();
// 哈希表,用于记录已被访问过的顶点
Set<Vertex> visited = new HashSet<>() {{ add(startVet); }};
// 队列用于实现 BFS
Queue<Vertex> que = new LinkedList<>() {{ offer(startVet); }};
// 以顶点 vet 为起点,循环直至访问完所有顶点
while (!que.isEmpty()) {
Vertex vet = que.poll(); // 队首顶点出队
res.add(vet); // 记录访问顶点
// 遍历该顶点的所有邻接顶点
for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
if (visited.contains(adjVet))
continue; // 跳过已被访问过的顶点
que.offer(adjVet); // 只入队未访问的顶点
visited.add(adjVet); // 标记该顶点已被访问
}
}
// 返回顶点遍历序列
return res;
}
public static void main(String[] args) {
/* 初始化无向图 */
Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 });
Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] }, { v[1], v[4] },
{ v[2], v[5] }, { v[3], v[4] }, { v[3], v[6] }, { v[4], v[5] },
{ v[4], v[7] }, { v[5], v[8] }, { v[6], v[7] }, { v[7], v[8] } };
GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
System.out.println("\n初始化后图为");
graph.print();
/* 广度优先遍历 BFS */
List<Vertex> res = graphBFS(graph, v[0]);
System.out.println("\n广度优先遍历BFS顶点序列为");
System.out.println(Vertex.vetsToVals(res));
}
}

@ -0,0 +1,51 @@
/**
* File: graph_dfs.java
* Created Time: 2023-02-12
* Author: Krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_graph;
import java.util.*;
import include.*;
public class graph_dfs {
/* 深度优先遍历 DFS 辅助函数 */
static void dfs(GraphAdjList graph, Set<Vertex> visited, List<Vertex> res, Vertex vet) {
res.add(vet); // 记录访问顶点
visited.add(vet); // 标记该顶点已被访问
// 遍历该顶点的所有邻接顶点
for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
if (visited.contains(adjVet))
continue; // 跳过已被访问过的顶点
// 递归访问邻接顶点
dfs(graph, visited, res, adjVet);
}
}
/* 深度优先遍历 DFS */
// 使用邻接表来表示图,以便获取指定顶点的所有邻接顶点
static List<Vertex> graphDFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
// 顶点遍历序列
List<Vertex> res = new ArrayList<>();
// 哈希表,用于记录已被访问过的顶点
Set<Vertex> visited = new HashSet<>();
dfs(graph, visited, res, startVet);
return res;
}
public static void main(String[] args) {
/* 初始化无向图 */
Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 });
Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] },
{ v[2], v[5] }, { v[4], v[5] }, { v[5], v[6] } };
GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
System.out.println("\n初始化后图为");
graph.print();
/* 深度优先遍历 BFS */
List<Vertex> res = graphDFS(graph, v[0]);
System.out.println("\n深度优先遍历DFS顶点序列为");
System.out.println(Vertex.vetsToVals(res));
}
}

@ -22,15 +22,15 @@ $$
根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。
- 在无向图中,边表示两点之间“双向”的连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
- 在无向图中,边表示两点之间“双向”的连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
- 在有向图中,边是有方向的,即 $A \rightarrow B$ 和 $A \leftarrow B$ 两个方向的边是相互独立的,例如微博或抖音上的“关注”与“被关注”关系;
![directed_graph](graph.assets/directed_graph.png)
根据所有顶点是否连通,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。
- 对于连通图,从某个结点出发,可以到达其余任意结点;
- 对于非连通图,从某个结点出发,至少有一个结点无法到达;
- 对于连通图,从某个顶点出发,可以到达其余任意顶点;
- 对于非连通图,从某个顶点出发,至少有一个顶点无法到达;
![connected_graph](graph.assets/connected_graph.png)
@ -52,6 +52,8 @@ $$
设图的顶点数量为 $n$ ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 $n \times n$ 大小的矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,使用 $1$ 或 $0$ 来表示两个顶点之间有边或无边。
如下图所示,记邻接矩阵为 $M$ 、顶点列表为 $V$ ,则矩阵元素 $M[i][j] = 1$ 代表着顶点 $V[i]$ 到顶点 $V[j]$ 之间有边,相反地 $M[i][j] = 0$ 代表两顶点之间无边。
![adjacency_matrix](graph.assets/adjacency_matrix.png)
邻接矩阵具有以下性质:

@ -89,7 +89,7 @@ comments: true
=== "Zig"
```zig title="graph_adjacency_matrix.zig"
```
## 9.2.2. 基于邻接表的实现
@ -119,11 +119,17 @@ comments: true
基于邻接表实现图的代码如下所示。
!!! question "为什么需要使用顶点类 `Vertex` "
如果我们直接通过顶点值来区分不同顶点,那么值重复的顶点将无法被区分。
如果建立一个顶点列表,用索引来区分不同顶点,那么假设我们想要删除索引为 `i` 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 $> i$ 的索引全部执行 $-1$ ,这样的操作是比较耗时的。
因此,通过引入顶点类 `Vertex` ,每个顶点都是唯一的对象,这样在删除操作时就无需改动其余顶点了。
=== "Java"
```java title="graph_adjacency_list.java"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -131,7 +137,7 @@ comments: true
```cpp title="graph_adjacency_list.cpp"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -139,7 +145,7 @@ comments: true
```python title="graph_adjacency_list.py"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -147,7 +153,7 @@ comments: true
```go title="graph_adjacency_list.go"
[class]{vertex}-[func]{}
[class]{graphAdjList}-[func]{}
```
@ -155,7 +161,7 @@ comments: true
```javascript title="graph_adjacency_list.js"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -163,7 +169,7 @@ comments: true
```typescript title="graph_adjacency_list.ts"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -171,7 +177,7 @@ comments: true
```c title="graph_adjacency_list.c"
[class]{vertex}-[func]{}
[class]{graphAdjList}-[func]{}
```
@ -179,7 +185,7 @@ comments: true
```csharp title="graph_adjacency_list.cs"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -187,7 +193,7 @@ comments: true
```swift title="graph_adjacency_list.swift"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```
@ -195,7 +201,7 @@ comments: true
```zig title="graph_adjacency_list.zig"
[class]{Vertex}-[func]{}
[class]{GraphAdjList}-[func]{}
```

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 75 KiB

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Width:  |  Height:  |  Size: 64 KiB

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@ -4,28 +4,255 @@ comments: true
# 图的遍历
与遍历树类似,遍历图也需要通过搜索算法来实现,并也可根据遍历顺序来分为「广度优先遍历 Breadth-First Traversal」和「深度优先遍历 Depth-First Travsersal」简称分别为 BFS 和 DFS 。
!!! note "图与树的关系"
!!! tip 「树」与「图」的关系
树代表的是“一对多”的关系,而图则自由度更高,可以代表任意“多对多”关系。本质上,**可以把树看作是图的一类特例**。那么显然,树遍历操作也是图遍历操作的一个特例,两者的方法是非常类似的,建议你在学习本章节的过程中将两者融会贯通。
本质上,可以把树看作是图的一种特例,即树是一种限制条件下的图。
「图」与「树」都是非线性数据结构,都需要使用「搜索算法」来实现遍历操作。
类似地,图的遍历方式也分为两种,即「广度优先遍历 Breadth-First Traversal」和「深度优先遍历 Depth-First Travsersal」也称「广度优先搜索 Breadth-First Search」和「深度优先搜索 Depth-First Search」简称为 BFS 和 DFS 。
## 广度优先遍历
广度优先遍历BFS代表一种优先遍历最近的顶点、一层层向外扩张的遍历方式。具体来看从某个顶点出发则优先遍历该顶点的所有邻接顶点随后遍历下个顶点的所有邻接顶点以此类推……
**广度优先遍历优是一种由近及远的遍历方式,从距离最近的顶点开始访问,并一层层向外扩张**。具体地,从某个顶点出发,先遍历该顶点的所有邻接顶点,随后遍历下个顶点的所有邻接顶点,以此类推……
![graph_bfs](graph_traversal.assets/graph_bfs.png)
### 算法实现
BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,这与 BFS “由近及远”的思想是异曲同工的。
1. 将遍历起始顶点 `startVet` 加入队列,并开启循环;
2. 在循环的每轮迭代中,弹出队首顶点弹出并记录访问,并将该顶点的所有邻接顶点加入到队列尾部;
3. 循环 `2.` ,直到所有顶点访问完成后结束。
为了防止重复遍历顶点,我们需要借助一个哈希表 `visited` 来记录哪些结点已被访问。
=== "Java"
```java title="graph_bfs.java"
[class]{graph_bfs}-[func]{graphBFS}
```
=== "C++"
```cpp title="graph_bfs.cpp"
```
=== "Python"
```python title="graph_bfs.py"
```
=== "Go"
```go title="graph_bfs.go"
```
=== "JavaScript"
```javascript title="graph_bfs.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="graph_bfs.ts"
```
=== "C"
```c title="graph_bfs.c"
(图)
```
BFS 常借助「队列」来实现,队列具有“先入先出”的性质,这与 BFS 的“由近及远”的遍历方式是异曲同工的。具体地,在每轮迭代中弹出队首顶点且访问之,并将该顶点的所有邻接顶点加入到队列尾部,直到所有顶点访问完成即可。
=== "C#"
为了防止重复遍历顶点,我们需要借助一个 HashSet 来记录哪些结点已被访问,从而避免走“回头路”。
```csharp title="graph_bfs.cs"
```java
```
```
=== "Swift"
```swift title="graph_bfs.swift"
```
=== "Zig"
```zig title="graph_bfs.zig"
```
代码相对抽象,建议对照以下动画图示来加深理解。
=== "Step 1"
![graph_bfs_step1](graph_traversal.assets/graph_bfs_step1.png)
=== "Step 2"
![graph_bfs_step2](graph_traversal.assets/graph_bfs_step2.png)
=== "Step 3"
![graph_bfs_step3](graph_traversal.assets/graph_bfs_step3.png)
=== "Step 4"
![graph_bfs_step4](graph_traversal.assets/graph_bfs_step4.png)
=== "Step 5"
![graph_bfs_step5](graph_traversal.assets/graph_bfs_step5.png)
=== "Step 6"
![graph_bfs_step6](graph_traversal.assets/graph_bfs_step6.png)
=== "Step 7"
![graph_bfs_step7](graph_traversal.assets/graph_bfs_step7.png)
=== "Step 8"
![graph_bfs_step8](graph_traversal.assets/graph_bfs_step8.png)
=== "Step 9"
![graph_bfs_step9](graph_traversal.assets/graph_bfs_step9.png)
=== "Step 10"
![graph_bfs_step10](graph_traversal.assets/graph_bfs_step10.png)
=== "Step 11"
![graph_bfs_step11](graph_traversal.assets/graph_bfs_step11.png)
!!! question "广度优先遍历的序列是否唯一?"
不唯一。广度优先遍历只要求“由近及远”,而相同距离的多个顶点的遍历顺序允许任意被打乱。以上图为例,顶点 $1$ , $3$ 的访问顺序可以交换、顶点 $2$ , $4$ , $6$ 的访问顺序也可以任意交换、以此类推……
### 复杂度分析
**时间复杂度:** 所有顶点都会入队、出队一次,使用 $O(|V|)$ 时间;在遍历邻接顶点的过程中,由于是无向图,因此所有边都会被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
**空间复杂度:** 列表 `res` ,哈希表 `visited` ,队列 `que` 中的顶点数量最多为 $|V|$ ,使用 $O(|V|)$ 空间。
## 深度优先遍历
深度优先遍历DFS代表一种优先走到底无路可走再回头的遍历方式。从某个顶点出发首先不断地通过指针向下一个顶点遍历直到走到头开始回溯再继续走到底 + 回溯,以此类推……
**深度优先遍历是一种优先走到底、无路可走再回头的遍历方式**。具体地,从某个顶点出发,不断地访问当前结点的某个邻接顶点,直到走到尽头时回溯,再继续走到底 + 回溯,以此类推……直至所有顶点遍历完成时结束。
![graph_dfs](graph_traversal.assets/graph_dfs.png)
### 算法实现
这种“走到头 + 回溯”的算法形式一般基于递归来实现。与 BFS 类似,在 DFS 中我们也需要借助一个哈希表 `visited` 来记录已被访问的顶点,以避免重复访问顶点。
=== "Java"
```java title="graph_dfs.java"
[class]{graph_dfs}-[func]{dfs}
[class]{graph_dfs}-[func]{graphDFS}
```
=== "C++"
```cpp title="graph_dfs.cpp"
```
=== "Python"
```python title="graph_dfs.py"
```
=== "Go"
```go title="graph_dfs.go"
```
=== "JavaScript"
```javascript title="graph_dfs.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="graph_dfs.ts"
```
=== "C"
```c title="graph_dfs.c"
```
=== "C#"
```csharp title="graph_dfs.cs"
```
=== "Swift"
```swift title="graph_dfs.swift"
```
=== "Zig"
```zig title="graph_dfs.zig"
```
深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中
- **直虚线代表向下递推**,代表开启了一个新的递归方法来访问新顶点;
- **曲虚线代表向上回溯**,代表此递归方法已经返回,回溯到了开启此递归方法的位置;
为了加深理解,请你将图示与代码结合起来,在脑中(或者用笔画下来)模拟整个 DFS 过程,包括每个递归方法何时开启、何时返回。
=== "Step 1"
![graph_dfs_step1](graph_traversal.assets/graph_dfs_step1.png)
=== "Step 2"
![graph_dfs_step2](graph_traversal.assets/graph_dfs_step2.png)
=== "Step 3"
![graph_dfs_step3](graph_traversal.assets/graph_dfs_step3.png)
=== "Step 4"
![graph_dfs_step4](graph_traversal.assets/graph_dfs_step4.png)
=== "Step 5"
![graph_dfs_step5](graph_traversal.assets/graph_dfs_step5.png)
=== "Step 6"
![graph_dfs_step6](graph_traversal.assets/graph_dfs_step6.png)
=== "Step 7"
![graph_dfs_step7](graph_traversal.assets/graph_dfs_step7.png)
=== "Step 8"
![graph_dfs_step8](graph_traversal.assets/graph_dfs_step8.png)
=== "Step 9"
![graph_dfs_step9](graph_traversal.assets/graph_dfs_step9.png)
=== "Step 10"
![graph_dfs_step10](graph_traversal.assets/graph_dfs_step10.png)
=== "Step 11"
![graph_dfs_step11](graph_traversal.assets/graph_dfs_step11.png)
!!! question "深度优先遍历的序列是否唯一?"
与广度优先遍历类似,深度优先遍历序列的顺序也不是唯一的。给定某顶点,先往哪个方向探索都行,都是深度优先遍历。
以树的遍历为例,“根 $\rightarrow$ 左 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 右 $\rightarrow$ 根”分别对应前序、中序、后序遍历,体现三种不同的遍历优先级,而三者都属于深度优先遍历。
### 复杂度分析
**时间复杂度:** 所有顶点都被访问一次;所有边都被访问了 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
**空间复杂度:** 列表 `res` ,哈希表 `visited` 顶点数量最多为 $|V|$ ,递归深度最大为 $|V|$ ,因此使用 $O(|V|)$ 空间。

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