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Java實(shí)現(xiàn)無(wú)向圖的示例詳解

 更新時(shí)間:2022年04月06日 08:14:50   作者:之一Yo  
邊沒(méi)有方向的圖稱(chēng)為無(wú)向圖,直觀來(lái)說(shuō),若一個(gè)圖中每條邊都是無(wú)方向的,則稱(chēng)為無(wú)向圖。本文將通過(guò)示例詳細(xì)講解Java如何實(shí)現(xiàn)無(wú)向圖,需要的可以參考一下

基本概念

圖的定義

一個(gè)圖是由點(diǎn)集V={vi} 和 VV 中元素的無(wú)序?qū)Φ囊粋€(gè)集合E={ek} 所構(gòu)成的二元組,記為G=(V,E),V中的元素vi叫做頂點(diǎn),E中的元素 ek叫做邊。

對(duì)于V中的兩個(gè)點(diǎn) u,v,如果邊(u,v) 屬于E,則稱(chēng) u,v兩點(diǎn)相鄰,u,v稱(chēng)為邊(u,v)的端點(diǎn)。

我們可以用m(G)=|E| 表示圖G中的邊數(shù),用n(G)=|V|表示圖G中的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。

無(wú)向圖的定義

對(duì)于E中的任意一條邊(vi,vj),如果邊(vi,vj) 端點(diǎn)無(wú)序,則它是無(wú)向邊,此時(shí)圖G稱(chēng)為無(wú)向圖。無(wú)向圖是最簡(jiǎn)單的圖模型,下圖顯示了同一幅無(wú)向圖,頂點(diǎn)使用圓圈表示,邊則是頂點(diǎn)之間的連線(xiàn),沒(méi)有箭頭(圖片來(lái)自于《算法第四版》):

無(wú)向圖的 API

對(duì)于一幅無(wú)向圖,我們關(guān)心圖的頂點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)、每個(gè)頂點(diǎn)的相鄰頂點(diǎn)和邊的添加操作,所以接口如下所示:

package com.zhiyiyo.graph;

/**
 * 無(wú)向圖
 */
public interface Graph {
    /**
     * 返回圖中的頂點(diǎn)數(shù)
     */
    int V();

    /**
     * 返回圖中的邊數(shù)
     */
    int E();

    /**
     * 向圖中添加一條邊
     * @param v 頂點(diǎn) v
     * @param w 頂點(diǎn) w
     */
    void addEdge(int v, int w);

    /**
     * 返回所有相鄰頂點(diǎn)
     * @param v 頂點(diǎn) v
     * @return 所有相鄰頂點(diǎn)
     */
    Iterable<Integer> adj(int v);
}

無(wú)向圖的實(shí)現(xiàn)方式

鄰接矩陣

用矩陣表示圖對(duì)研究圖的性質(zhì)及應(yīng)用常常是比較方便的,對(duì)于各種圖有各種矩陣表示方式,比如權(quán)矩陣和鄰接矩陣,這里我們只關(guān)注鄰接矩陣。它的定義為:

對(duì)于圖G=(V,E),|V|=n,構(gòu)造一個(gè)矩陣 A=(aij)n×n,其中:

則稱(chēng)矩陣A為圖G的鄰接矩陣。

由定義可知,我們可以使用一個(gè)二維的布爾數(shù)組 A 來(lái)實(shí)現(xiàn)鄰接矩陣,當(dāng) A[i][j] = true 時(shí)說(shuō)明頂點(diǎn) i 和 j 相鄰。

對(duì)于 n個(gè)頂點(diǎn)的圖 G,鄰接矩陣需要消耗的空間為 n2個(gè)布爾值的大小,對(duì)于稀疏圖來(lái)說(shuō)會(huì)造成很大的浪費(fèi),當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)很大時(shí)所消耗的空間會(huì)是個(gè)天文數(shù)字。同時(shí)當(dāng)圖比較特殊,存在自環(huán)以及平行邊時(shí),鄰接矩陣的表示方式是無(wú)能為力的?!端惴ā分薪o出了存在這兩種情況的圖:

邊的數(shù)組

對(duì)于無(wú)向圖,我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)類(lèi) Edge,里面只用兩個(gè)實(shí)例變量用來(lái)存儲(chǔ)兩個(gè)頂點(diǎn) u和 v,接著在一個(gè)數(shù)組里面保存所有 Edge 即可。這樣做有一個(gè)很大的問(wèn)題,就是在獲取頂點(diǎn) v的所有相鄰頂點(diǎn)時(shí)必須遍歷整個(gè)數(shù)組才能得到,時(shí)間復(fù)雜度是O(|E|),由于獲取相鄰頂點(diǎn)是很常用的操作,所以這種表示方式也不太行。

鄰接表數(shù)組

如果我們把頂點(diǎn)表示為一個(gè)整數(shù),取值范圍為0∼|V|−1,那么就可以用一個(gè)長(zhǎng)度為|V| 的數(shù)組的索引表示每一個(gè)頂點(diǎn),然后將每一個(gè)數(shù)組元素設(shè)置為一個(gè)鏈表,上面掛載著索引所代表的的頂點(diǎn)相鄰的其他頂點(diǎn)。圖一所示的無(wú)向圖可以用下圖所示的鄰接表數(shù)組表示出來(lái):

使用鄰接表實(shí)現(xiàn)無(wú)向圖的代碼如下所示,由于鄰接表數(shù)組中的每個(gè)鏈表都會(huì)保存與頂點(diǎn)相鄰的頂點(diǎn),所以將邊添加到圖中時(shí)需要對(duì)數(shù)組中的兩個(gè)鏈表進(jìn)行添加節(jié)點(diǎn)的操作:

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.stack.LinkStack;

/**
 * 使用鄰接表實(shí)現(xiàn)的無(wú)向圖
 */
public class LinkGraph implements Graph {
    private final int V;
    private int E;
    private LinkStack<Integer>[] adj;

    public LinkGraph(int V) {
        this.V = V;
        adj = (LinkStack<Integer>[]) new LinkStack[V];
        for (int i = 0; i < V; i++) {
            adj[i] = new LinkStack<>();
        }
    }

    @Override
    public int V() {
        return V;
    }

    @Override
    public int E() {
        return E;
    }

    @Override
    public void addEdge(int v, int w) {
        adj[v].push(w);
        adj[w].push(v);
        E++;
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adj(int v) {
        return adj[v];
    }
}

這里用到的棧代碼如下所示,棧的實(shí)現(xiàn)不是這篇博客的重點(diǎn),所以這里不做過(guò)多解釋?zhuān)?/p>

package com.zhiyiyo.collection.stack;

import java.util.EmptyStackException;
import java.util.Iterator;

/**
 * 使用鏈表實(shí)現(xiàn)的堆棧
 */
public class LinkStack<T> {
    private int N;
    private Node first;

    public void push(T item) {
        first = new Node(item, first);
        N++;
    }

    public T pop() throws EmptyStackException {
        if (N == 0) {
            throw new EmptyStackException();
        }

        T item = first.item;
        first = first.next;
        N--;
        return item;
    }

    public int size() {
        return N;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return N == 0;
    }

    public Iterator<T> iterator() {
        return new ReverseIterator();
    }

    private class Node {
        T item;
        Node next;

        public Node() {
        }

        public Node(T item, Node next) {
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }


    private class ReverseIterator implements Iterator<T> {
        private Node node = first;

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return node != null;
        }

        @Override
        public T next() {
            T item = node.item;
            node = node.next;
            return item;
        }

        @Override
        public void remove() {
        }
    }
}

無(wú)向圖的遍歷

給定下面一幅圖,現(xiàn)在要求找到每個(gè)頂點(diǎn)到頂點(diǎn) 0 的路徑,該如何實(shí)現(xiàn)?或者簡(jiǎn)單點(diǎn),給定頂點(diǎn) 0 和 4,要求判斷從頂點(diǎn) 0 開(kāi)始走,能否到達(dá)頂點(diǎn) 4,該如何實(shí)現(xiàn)?這就要用到兩種圖的遍歷方式:深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索。

在介紹這兩種遍歷方式之前,先給出解決上述問(wèn)題需要實(shí)現(xiàn)的 API:

package com.zhiyiyo.graph;

public interface Search {
    /**
     * 起點(diǎn) s 和 頂點(diǎn) v 之間是否連通
     * @param v 頂點(diǎn) v
     * @return 是否連通
     */
    boolean connected(int v);

    /**
     * 返回與頂點(diǎn) s 相連通的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)(包括 s)
     */
    int count();

    /**
     * 是否存在從起點(diǎn) s 到頂點(diǎn) v 的路徑
     * @param v 頂點(diǎn) v
     * @return 是否存在路徑
     */
    boolean hasPathTo(int v);

    /**
     * 從起點(diǎn) s 到頂點(diǎn) v 的路徑,不存在則返回 null
     * @param v 頂點(diǎn) v
     * @return 路徑
     */
    Iterable<Integer> pathTo(int v);
}

深度優(yōu)先搜索

深度優(yōu)先搜索的思想類(lèi)似樹(shù)的先序遍歷。我們從頂點(diǎn) 0 開(kāi)始,將它的相鄰頂點(diǎn) 2、1、5 加到棧中。接著彈出棧頂?shù)捻旤c(diǎn) 2,將它相鄰的頂點(diǎn) 0、1、3、4 添加到棧中,但是寫(xiě)到這你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題:頂點(diǎn) 0 和 1明明已經(jīng)在棧中了,如果還把他們加到棧中,那這個(gè)棧豈不是永遠(yuǎn)不會(huì)變回空。所以還需要維護(hù)一個(gè)數(shù)組 boolean[] marked,當(dāng)我們將一個(gè)頂點(diǎn) i 添加到棧中時(shí),就將 marked[i] 置為 true,這樣下次要想將頂點(diǎn) 加入棧中時(shí),就得先檢查一個(gè) marked[i] 是否為 true,如果為 true 就不用再添加了。重復(fù)棧頂節(jié)點(diǎn)的彈出和節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)的入棧操作,直到棧為空,我們就完成了頂點(diǎn) 0 可達(dá)的所有頂點(diǎn)的遍歷。

為了記錄每個(gè)頂點(diǎn)到頂點(diǎn) 0 的路徑,我們還需要一個(gè)數(shù)組 int[] edgeTo。每當(dāng)我們?cè)L問(wèn)到頂點(diǎn) u 并將其一個(gè)相鄰頂點(diǎn) i 壓入棧中時(shí),就將 edgeTo[i] 設(shè)置為 u,說(shuō)明要想從頂點(diǎn)i 到達(dá)頂點(diǎn) 0,需要先回退頂點(diǎn) u,接著再?gòu)捻旤c(diǎn) edgeTo[u] 處獲取下一步要回退的頂點(diǎn)直至找到頂點(diǎn) 0。

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.stack.LinkStack;
import com.zhiyiyo.collection.stack.Stack;


public class DepthFirstSearch implements Search {
    private boolean[] marked;
    private int[] edgeTo;
    private Graph graph;
    private int s;
    private int N;

    public DepthFirstSearch(Graph graph, int s) {
        this.graph = graph;
        this.s = s;
        marked = new boolean[graph.V()];
        edgeTo = new int[graph.V()];
        dfs();
    }

    /**
     * 遞歸實(shí)現(xiàn)的深度優(yōu)先搜索
     *
     * @param v 頂點(diǎn) v
     */
    private void dfs(int v) {
        marked[v] = true;
        N++;
        for (int i : graph.adj(v)) {
            if (!marked[i]) {
                edgeTo[i] = v;
                dfs(i);
            }
        }
    }

    /**
     * 堆棧實(shí)現(xiàn)的深度優(yōu)先搜索
     */
    private void dfs() {
        Stack<Integer> vertexes = new LinkStack<>();
        vertexes.push(s);
        marked[s] = true;

        while (!vertexes.isEmpty()) {
            Integer v = vertexes.pop();
            N++;

            // 將所有相鄰頂點(diǎn)加到堆棧中
            for (Integer i : graph.adj(v)) {
                if (!marked[i]) {
                    edgeTo[i] = v;
                    marked[i] = true;
                    vertexes.push(i);
                }
            }
        }
    }

    @Override
    public boolean connected(int v) {
        return marked[v];
    }

    @Override
    public int count() {
        return N;
    }

    @Override
    public boolean hasPathTo(int v) {
        return connected(v);
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> pathTo(int v) {
        if (!hasPathTo(v)) return null;
        Stack<Integer> path = new LinkStack<>();

        int vertex = v;
        while (vertex != s) {
            path.push(vertex);
            vertex = edgeTo[vertex];
        }

        path.push(s);
        return path;
    }
}

廣度優(yōu)先搜索

廣度優(yōu)先搜索的思想類(lèi)似樹(shù)的層序遍歷。與深度優(yōu)先搜索不同,從頂點(diǎn) 0 出發(fā),廣度優(yōu)先搜索會(huì)先處理完所有與頂點(diǎn) 0 相鄰的頂點(diǎn) 2、1、5 后,才會(huì)接著處理頂點(diǎn) 2、1、5 的相鄰頂點(diǎn)。這個(gè)搜索過(guò)程就是一圈一圈往外擴(kuò)展、越走越遠(yuǎn)的過(guò)程,所以可以用來(lái)獲取頂點(diǎn) 0 到其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑。只要將深度優(yōu)先搜索中的堆換成隊(duì)列,就能實(shí)現(xiàn)廣度優(yōu)先搜索:

package com.zhiyiyo.graph;

import com.zhiyiyo.collection.queue.LinkQueue;

public class BreadthFirstSearch implements Search {
    private boolean[] marked;
    private int[] edgeTo;
    private Graph graph;
    private int s;
    private int N;

    public BreadthFirstSearch(Graph graph, int s) {
        this.graph = graph;
        this.s = s;
        marked = new boolean[graph.V()];
        edgeTo = new int[graph.V()];
        bfs();
    }

    private void bfs() {
        LinkQueue<Integer> queue = new LinkQueue<>();
        marked[s] = true;
        queue.enqueue(s);

        while (!queue.isEmpty()) {
            int v = queue.dequeue();
            N++;

            for (Integer i : graph.adj(v)) {
                if (!marked[i]) {
                    edgeTo[i] = v;
                    marked[i] = true;
                    queue.enqueue(i);
                }
            }
        }
    }
}

隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)代碼如下:

package com.zhiyiyo.collection.queue;


import java.util.EmptyStackException;


public class LinkQueue<T> {
    private int N;
    private Node first;
    private Node last;

    public void enqueue(T item) {
        Node node = new Node(item, null);
        if (++N == 1) {
            first = node;
        } else {
            last.next = node;
        }
        last = node;
    }

    public T dequeue() throws EmptyStackException {
        if (N == 0) {
            throw new EmptyStackException();
        }

        T item = first.item;
        first = first.next;
        if (--N == 0) {
            last = null;
        }
        return item;
    }

    public int size() {
        return N;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return N == 0;
    }

    private class Node {
        T item;
        Node next;

        public Node() {
        }

        public Node(T item, Node next) {
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }
}

后記

這樣就簡(jiǎn)要介紹完了無(wú)向圖的實(shí)現(xiàn)及遍歷方式,對(duì)于無(wú)向圖的更多操作,比如尋找環(huán)和判斷是否為二分圖可以參見(jiàn)《算法第四版》,以上~~

到此這篇關(guān)于Java實(shí)現(xiàn)無(wú)向圖的示例詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java無(wú)向圖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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    2021-07-07
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    2021-10-10
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    2021-08-08

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