class059 建图、链式前向星、拓扑排序【算法】

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code1 建图

package class059;import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;public class Code01_CreateGraph {// 点的最大数量public static int MAXN = 11;// 边的最大数量// 只有链式前向星方式建图需要这个数量// 注意如果无向图的最大数量是m条边，数量要准备m*2// 因为一条无向边要加两条有向边public static int MAXM = 21;// 邻接矩阵方式建图public static int[][] graph1 = new int[MAXN][MAXN];// 邻接表方式建图// public static ArrayList<ArrayList<Integer>> graph2 = new ArrayList<>();public static ArrayList<ArrayList<int[]>> graph2 = new ArrayList<>();// 链式前向星方式建图public static int[] head = new int[MAXN];public static int[] next = new int[MAXM];public static int[] to = new int[MAXM];// 如果边有权重，那么需要这个数组public static int[] weight = new int[MAXM];public static int cnt;public static void build(int n) {// 邻接矩阵清空for (int i = 1; i <= n; i++) {for (int j = 1; j <= n; j++) {graph1[i][j] = 0;}}// 邻接表清空和准备graph2.clear();// 下标需要支持1~n，所以加入n+1个列表，0下标准备但不用for (int i = 0; i <= n; i++) {graph2.add(new ArrayList<>());}// 链式前向星清空cnt = 1;Arrays.fill(head, 1, n + 1, 0);}// 链式前向星加边public static void addEdge(int u, int v, int w) {// u -> v , 边权重是wnext[cnt] = head[u];to[cnt] = v;weight[cnt] = w;head[u] = cnt++;}// 三种方式建立有向图带权图public static void directGraph(int[][] edges) {// 邻接矩阵建图for (int[] edge : edges) {graph1[edge[0]][edge[1]] = edge[2];}// 邻接表建图for (int[] edge : edges) {// graph2.get(edge[0]).add(edge[1]);graph2.get(edge[0]).add(new int[] { edge[1], edge[2] });}// 链式前向星建图for (int[] edge : edges) {addEdge(edge[0], edge[1], edge[2]);}}// 三种方式建立无向图带权图public static void undirectGraph(int[][] edges) {// 邻接矩阵建图for (int[] edge : edges) {graph1[edge[0]][edge[1]] = edge[2];graph1[edge[1]][edge[0]] = edge[2];}// 邻接表建图for (int[] edge : edges) {// graph2.get(edge[0]).add(edge[1]);// graph2.get(edge[1]).add(edge[0]);graph2.get(edge[0]).add(new int[] { edge[1], edge[2] });graph2.get(edge[1]).add(new int[] { edge[0], edge[2] });}// 链式前向星建图for (int[] edge : edges) {addEdge(edge[0], edge[1], edge[2]);addEdge(edge[1], edge[0], edge[2]);}}public static void traversal(int n) {System.out.println("邻接矩阵遍历 :");for (int i = 1; i <= n; i++) {for (int j = 1; j <= n; j++) {System.out.print(graph1[i][j] + " ");}System.out.println();}System.out.println("邻接表遍历 :");for (int i = 1; i <= n; i++) {System.out.print(i + "(邻居、边权) : ");for (int[] edge : graph2.get(i)) {System.out.print("(" + edge[0] + "," + edge[1] + ") ");}System.out.println();}System.out.println("链式前向星 :");for (int i = 1; i <= n; i++) {System.out.print(i + "(邻居、边权) : ");// 注意这个for循环，链式前向星的方式遍历for (int ei = head[i]; ei > 0; ei = next[ei]) {System.out.print("(" + to[ei] + "," + weight[ei] + ") ");}System.out.println();}}public static void main(String[] args) {// 理解了带权图的建立过程，也就理解了不带权图// 点的编号为1...n// 例子1自己画一下图，有向带权图，然后打印结果int n1 = 4;int[][] edges1 = { { 1, 3, 6 }, { 4, 3, 4 }, { 2, 4, 2 }, { 1, 2, 7 }, { 2, 3, 5 }, { 3, 1, 1 } };build(n1);directGraph(edges1);traversal(n1);System.out.println("==============================");// 例子2自己画一下图，无向带权图，然后打印结果int n2 = 5;int[][] edges2 = { { 3, 5, 4 }, { 4, 1, 1 }, { 3, 4, 2 }, { 5, 2, 4 }, { 2, 3, 7 }, { 1, 5, 5 }, { 4, 2, 6 } };build(n2);undirectGraph(edges2);traversal(n2);}}

code2 210. 课程表 II

// 拓扑排序模版（Leetcode）
// 邻接表建图（动态方式）
// 课程表II
// 现在你总共有 numCourses 门课需要选，记为 0 到 numCourses - 1
// 给你一个数组 prerequisites ，其中 prerequisites[i] = [ai, bi]
// 表示在选修课程 ai 前必须先选修 bi
// 例如，想要学习课程 0 ，你需要先完成课程 1 ，我们用一个匹配来表示：[0,1]
// 返回你为了学完所有课程所安排的学习顺序。可能会有多个正确的顺序
// 你只要返回任意一种就可以了。如果不可能完成所有课程，返回一个空数组
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/course-schedule-ii/

入度删除法

package class059;import java.util.ArrayList;// 拓扑排序模版（Leetcode）
// 邻接表建图（动态方式）
// 课程表II
// 现在你总共有 numCourses 门课需要选，记为 0 到 numCourses - 1
// 给你一个数组 prerequisites ，其中 prerequisites[i] = [ai, bi]
// 表示在选修课程 ai 前 必须 先选修 bi
// 例如，想要学习课程 0 ，你需要先完成课程 1 ，我们用一个匹配来表示：[0,1]
// 返回你为了学完所有课程所安排的学习顺序。可能会有多个正确的顺序
// 你只要返回 任意一种 就可以了。如果不可能完成所有课程，返回 一个空数组
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/course-schedule-ii/
public class Code02_TopoSortDynamicLeetcode {public static int[] findOrder(int numCourses, int[][] prerequisites) {ArrayList<ArrayList<Integer>> graph = new ArrayList<>();// 0 ~ n-1for (int i = 0; i < numCourses; i++) {graph.add(new ArrayList<>());}// 入度表int[] indegree = new int[numCourses];for (int[] edge : prerequisites) {graph.get(edge[1]).add(edge[0]);indegree[edge[0]]++;}int[] queue = new int[numCourses];int l = 0;int r = 0;for (int i = 0; i < numCourses; i++) {if (indegree[i] == 0) {queue[r++] = i;}}int cnt = 0;while (l < r) {int cur = queue[l++];cnt++;for (int next : graph.get(cur)) {if (--indegree[next] == 0) {queue[r++] = next;}}}return cnt == numCourses ? queue : new int[0];}}

code2 【模板】拓扑排序

// 拓扑排序模版（牛客）
// 邻接表建图（动态方式）
// 测试链接 : https://www.nowcoder.com/practice/88f7e156ca7d43a1a535f619cd3f495c
// 请同学们务必参考如下代码中关于输入、输出的处理
// 这是输入输出处理效率很高的写法
// 提交以下所有代码，把主类名改成Main，可以直接通过

package class059;// 拓扑排序模版（牛客）
// 邻接表建图（动态方式）
// 测试链接 : https://www.nowcoder.com/practice/88f7e156ca7d43a1a535f619cd3f495c
// 请同学们务必参考如下代码中关于输入、输出的处理
// 这是输入输出处理效率很高的写法
// 提交以下所有代码，把主类名改成Main，可以直接通过import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.io.StreamTokenizer;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;public class Code02_TopoSortDynamicNowcoder {public static int MAXN = 200001;// 拓扑排序，用到队列public static int[] queue = new int[MAXN];public static int l, r;// 拓扑排序，入度表public static int[] indegree = new int[MAXN];// 收集拓扑排序的结果public static int[] ans = new int[MAXN];public static int n, m;public static void main(String[] args) throws IOException {BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));StreamTokenizer in = new StreamTokenizer(br);PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(System.out));while (in.nextToken() != StreamTokenizer.TT_EOF) {n = (int) in.nval;in.nextToken();m = (int) in.nval;// 动态建图，比赛肯定不行，但是一般大厂笔试、面试允许ArrayList<ArrayList<Integer>> graph = new ArrayList<>();for (int i = 0; i <= n; i++) {graph.add(new ArrayList<>());}Arrays.fill(indegree, 0, n + 1, 0);for (int i = 0, from, to; i < m; i++) {in.nextToken();from = (int) in.nval;in.nextToken();to = (int) in.nval;graph.get(from).add(to);indegree[to]++;}if (!topoSort(graph)) {out.println(-1);} else {for (int i = 0; i < n - 1; i++) {out.print(ans[i] + " ");}out.println(ans[n - 1]);}}out.flush();out.close();br.close();}// 有拓扑排序返回true// 没有拓扑排序返回falsepublic static boolean topoSort(ArrayList<ArrayList<Integer>> graph) {l = r = 0;for (int i = 1; i <= n; i++) {if (indegree[i] == 0) {queue[r++] = i;}}int fill = 0;while (l < r) {int cur = queue[l++];ans[fill++] = cur;for (int next : graph.get(cur)) {if (--indegree[next] == 0) {queue[r++] = next;}}}return fill == n;}}

code2 【模板】拓扑排序

// 拓扑排序模版（牛客）
// 链式前向星建图（静态方式）
// 测试链接 : https://www.nowcoder.com/practice/88f7e156ca7d43a1a535f619cd3f495c
// 请同学们务必参考如下代码中关于输入、输出的处理
// 这是输入输出处理效率很高的写法
// 提交以下所有代码，把主类名改成Main，可以直接通过

package class059;// 拓扑排序模版（牛客）
// 链式前向星建图（静态方式）
// 测试链接 : https://www.nowcoder.com/practice/88f7e156ca7d43a1a535f619cd3f495c
// 请同学们务必参考如下代码中关于输入、输出的处理
// 这是输入输出处理效率很高的写法
// 提交以下所有代码，把主类名改成Main，可以直接通过import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.io.StreamTokenizer;
import java.util.Arrays;public class Code02_TopoSortStaticNowcoder {public static int MAXN = 200001;public static int MAXM = 200001;// 建图相关，链式前向星public static int[] head = new int[MAXN];public static int[] next = new int[MAXM];public static int[] to = new int[MAXM];public static int cnt;// 拓扑排序，用到队列public static int[] queue = new int[MAXN];public static int l, r;// 拓扑排序，入度表public static int[] indegree = new int[MAXN];// 收集拓扑排序的结果public static int[] ans = new int[MAXN];public static int n, m;public static void build(int n) {cnt = 1;Arrays.fill(head, 0, n + 1, 0);Arrays.fill(indegree, 0, n + 1, 0);}// 用链式前向星建图public static void addEdge(int f, int t) {next[cnt] = head[f];to[cnt] = t;head[f] = cnt++;}public static void main(String[] args) throws IOException {BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));StreamTokenizer in = new StreamTokenizer(br);PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(System.out));while (in.nextToken() != StreamTokenizer.TT_EOF) {n = (int) in.nval;in.nextToken();m = (int) in.nval;build(n);for (int i = 0, from, to; i < m; i++) {in.nextToken();from = (int) in.nval;in.nextToken();to = (int) in.nval;addEdge(from, to);indegree[to]++;}if (!topoSort()) {out.println(-1);} else {for (int i = 0; i < n - 1; i++) {out.print(ans[i] + " ");}out.println(ans[n - 1]);}}out.flush();out.close();br.close();}public static boolean topoSort() {l = r = 0;for (int i = 1; i <= n; i++) {if (indegree[i] == 0) {queue[r++] = i;}}int fill = 0;while (l < r) {int cur = queue[l++];ans[fill++] = cur;// 用链式前向星的方式，遍历cur的相邻节点for (int ei = head[cur]; ei != 0; ei = next[ei]) {if (--indegree[to[ei]] == 0) {queue[r++] = to[ei];}}}return fill == n;}}

code3 U107394 拓扑排序模板

// 字典序最小的拓扑排序
// 要求返回所有正确的拓扑排序中字典序最小的结果
// 建图请使用链式前向星方式，因为比赛平台用其他建图方式会卡空间
// 测试链接 : https://www.luogu.com.cn/problem/U107394
// 请同学们务必参考如下代码中关于输入、输出的处理
// 这是输入输出处理效率很高的写法
// 提交以下所有代码，把主类名改成Main，可以直接通过

code4 269.火星词典

// 火星词典
// 现有一种使用英语字母的火星语言
// 这门语言的字母顺序对你来说是未知的。
// 给你一个来自这种外星语言字典的字符串列表 words
// words 中的字符串已经按这门新语言的字母顺序进行了排序。
// 如果这种说法是错误的，并且给出的 words 不能对应任何字母的顺序，则返回 “”
// 否则，返回一个按新语言规则的字典递增顺序排序的独特字符串
// 如果有多个解决方案，则返回其中任意一个
// words中的单词一定都是小写英文字母组成的
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/alien-dictionary/

题目：
269.火星词典 Plus
困难

现有一种使用英语字母的火星语言，这门语言的字母顺序对你来说是未知的。
给你一个来自这种外星语言字典的字符串列表words，words 中的字符串已经 按这门新语言的字母顺序进行了排序

如果这种说法是错误的，并且给出的 words 不能对应任何字母的顺序，则返回""
否则，返回一个按新语言规则的 字典递增顺序排序的独特字符串。如果有多个解决方案，则返回其中 任意一个

示例 1:
输入:words=
[“wrt”,“wrf”,“er”,“ett”,“rftt”]
输出:“wertf"
示例2:
输入:words =[“z”,“x”]
输出:“zx"
示例3:
输入:words =[“z”,“x”,“z”]
输出:"
解释:不存在合法字母顺序，因此返回

package class059;import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;// 火星词典
// 现有一种使用英语字母的火星语言
// 这门语言的字母顺序对你来说是未知的。
// 给你一个来自这种外星语言字典的字符串列表 words
// words 中的字符串已经 按这门新语言的字母顺序进行了排序 。
// 如果这种说法是错误的，并且给出的 words 不能对应任何字母的顺序，则返回 ""
// 否则，返回一个按新语言规则的 字典递增顺序 排序的独特字符串
// 如果有多个解决方案，则返回其中任意一个
// words中的单词一定都是小写英文字母组成的
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/alien-dictionary/
public class Code04_AlienDictionary {public static String alienOrder(String[] words) {// 入度表，26种字符int[] indegree = new int[26];Arrays.fill(indegree, -1);for (String w : words) {for (int i = 0; i < w.length(); i++) {indegree[w.charAt(i) - 'a'] = 0;}}// 'a' -> 0// 'b' -> 1// 'z' -> 25// x -> x - 'a'ArrayList<ArrayList<Integer>> graph = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 26; i++) {graph.add(new ArrayList<>());}for (int i = 0, j, len; i < words.length - 1; i++) {String cur = words[i];String next = words[i + 1];j = 0;len = Math.min(cur.length(), next.length());for (; j < len; j++) {if (cur.charAt(j) != next.charAt(j)) {graph.get(cur.charAt(j) - 'a').add(next.charAt(j) - 'a');indegree[next.charAt(j) - 'a']++;break;}}if (j < cur.length() && j == next.length()) {return "";}}int[] queue = new int[26];int l = 0, r = 0;int kinds = 0;for (int i = 0; i < 26; i++) {if (indegree[i] != -1) {kinds++;}if (indegree[i] == 0) {queue[r++] = i;}}StringBuilder ans = new StringBuilder();while (l < r) {int cur = queue[l++];ans.append((char) (cur + 'a'));for (int next : graph.get(cur)) {if (--indegree[next] == 0) {queue[r++] = next;}}}return ans.length() == kinds ? ans.toString() : "";}}

code5 936. 戳印序列

// 戳印序列
// 你想最终得到"abcbc"，认为初始序列为"???“。印章是"abc”
// 那么可以先用印章盖出"??abc"的状态，
// 然后用印章最左字符和序列的0位置对齐，就盖出了"abcbc"
// 这个过程中，"??abc"中的a字符，被印章中的c字符覆盖了
// 每次盖章的时候，印章必须完全盖在序列内
// 给定一个字符串target是最终的目标，长度为n，认为初始序列为n个’?’
// 给定一个印章字符串stamp，目标是最终盖出target
// 但是印章的使用次数必须在10n次以内
// 返回一个数组，该数组由每个回合中被印下的最左边字母的索引组成
// 上面的例子返回[2,0]，表示印章最左字符依次和序列2位置、序列0位置对齐盖下去，就得到了target
// 如果不能在10n次内印出序列，就返回一个空数组
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/stamping-the-sequence/

package class059;import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;// 戳印序列
// 你想最终得到"abcbc"，认为初始序列为"?????"。印章是"abc"
// 那么可以先用印章盖出"??abc"的状态，
// 然后用印章最左字符和序列的0位置对齐，就盖出了"abcbc"
// 这个过程中，"??abc"中的a字符，被印章中的c字符覆盖了
// 每次盖章的时候，印章必须完全盖在序列内
// 给定一个字符串target是最终的目标，长度为n，认为初始序列为n个'?'
// 给定一个印章字符串stamp，目标是最终盖出target
// 但是印章的使用次数必须在10*n次以内
// 返回一个数组，该数组由每个回合中被印下的最左边字母的索引组成
// 上面的例子返回[2,0]，表示印章最左字符依次和序列2位置、序列0位置对齐盖下去，就得到了target
// 如果不能在10*n次内印出序列，就返回一个空数组
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/stamping-the-sequence/
public class Code05_StampingTheSequence {public static int[] movesToStamp(String stamp, String target) {char[] s = stamp.toCharArray();char[] t = target.toCharArray();int m = s.length;int n = t.length;int[] indegree = new int[n - m + 1];Arrays.fill(indegree, m);ArrayList<ArrayList<Integer>> graph = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < n; i++) {graph.add(new ArrayList<>());}int[] queue = new int[n - m + 1];int l = 0, r = 0;// O(n*m)for (int i = 0; i <= n - m; i++) {// i开头....(m个)// i+0 i+1 i+m-1for (int j = 0; j < m; j++) {if (t[i + j] == s[j]) {if (--indegree[i] == 0) {queue[r++] = i;}} else {// i + j // from : 错误的位置// to : i开头的下标graph.get(i + j).add(i);}}}// 同一个位置取消错误不要重复统计boolean[] visited = new boolean[n];int[] path = new int[n - m + 1];int size = 0;while (l < r) {int cur = queue[l++];path[size++] = cur;for (int i = 0; i < m; i++) {// cur : 开头位置// cur + 0 cur + 1 cur + 2 ... cur + m - 1if (!visited[cur + i]) {visited[cur + i] = true;for (int next : graph.get(cur + i)) {if (--indegree[next] == 0) {queue[r++] = next;}}}}}if (size != n - m + 1) {return new int[0];}// path逆序调整for (int i = 0, j = size - 1; i < j; i++, j--) {int tmp = path[i];path[i] = path[j];path[j] = tmp;}return path;}}