【C++从0到王者】第四十六站：图的深度优先与广度优先

文章目录

  • 一、图的遍历
  • 二、广度优先遍历
    • 1.思想
    • 2.算法实现
    • 3.六度好友
  • 三、深度优先遍历
    • 1.思想
    • 2.代码实现
  • 四、其他问题

一、图的遍历

对于图而言，我们的遍历一般是遍历顶点，而不是边，因为边的遍历是比较简单的，就是邻接矩阵或者邻接表里面的内容。而对于遍历顶点就稍微有点麻烦了。

给定一个图G和其中任意一个顶点v0，从v0出发，沿着图中各边访问图中的所有顶点，且每个顶点仅被遍历一次。"遍历"即对结点进行某种操作的意思。

树以前前是怎么遍历的，此处可以直接用来遍历图吗？为什么？

树以前的遍历有深度优先（先序、中序、后序）和广度优先遍历（层序遍历）两种。

图也是类似的。

二、广度优先遍历

1.思想

下面是广度优先遍历的一个比较形象的例子

image-20240219162241498

对于下面的图而言，也是类似的，先去找A,然后去遍历A的周围的三个结点，然后遍历这三个结点的周围结点，一层一层往外遍历，最终遍历完所有的结点，需要注意的是不要重复遍历了！

image-20240219162326247

2.算法实现

我们这里用邻接矩阵来实现我们的代码。如下代码所示。

namespace matrix
{//V代表顶点， W是weight代表权值，MAX_W代表权值的最大值，Direction代表是有向图还是无向图,flase表示无向template<class V, class W, W Max_W = INT_MAX, bool Direction = false>class Graph{public://图的创建//1. IO输入 不方便测试//2. 图结构关系写到文件，读取文件//3. 手动添加边Graph(const V* a, size_t n){_vertexs.reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){_vertexs.push_back(a[i]);_indexMap[a[i]] = i;}_matrix.resize(n);for (size_t i = 0; i < _matrix.size(); i++){_matrix[i].resize(n, Max_W);}}size_t GetVertexIndex(const V& v){//return _indexMap[v];auto it = _indexMap.find(v);if (it != _indexMap.end()){return it->second;}else{//assert(false)throw invalid_argument("顶点不存在");return -1;}}void AddEdge(const V& src, const V& dst, const W& w){size_t srci = GetVertexIndex(src);size_t dsti = GetVertexIndex(dst);_matrix[srci][dsti] = w;if (Direction == false){_matrix[dsti][srci] = w;}}void Print(){for (size_t i = 0; i < _vertexs.size(); i++){cout << "[" << i << "]" << "->" << _vertexs[i] << endl;}cout << endl;cout << "   ";for (int i = 0; i < _vertexs.size(); i++){//cout << _vertexs[i] << " ";printf("%-3d ", i);}cout << endl;for (size_t i = 0; i < _matrix.size(); i++){//cout << _vertexs[i] << " ";printf("%d ", i);for (size_t j = 0; j < _matrix[i].size(); j++){if (_matrix[i][j] == INT_MAX){cout << " * " << " ";}else{printf("%-3d ", _matrix[i][j]);//cout << _matrix[i][j] << " ";}}cout << endl;}}void BFS(const V& src){int srci = GetVertexIndex(src);queue<int> q; //广度遍历的队列vector<bool> visited(_vertexs.size(), false); //标记数组q.push(srci); //起点入队visited[srci] = true; //已经被遍历过了while (!q.empty()){int front = q.front();q.pop();cout << front << ":" << _vertexs[front] << endl;//把front顶点的邻接顶点入队列for (size_t i = 0; i < _matrix[front].size(); i++){if (_matrix[front][i] != Max_W){if (visited[i] == false){q.push(i);visited[i] = true;}}}}} private:vector<V> _vertexs; //顶点集合map<V, int> _indexMap; //顶点对应的下标关系vector<vector<W>> _matrix; //临界矩阵};

在上面的代码当中，这个图的如下所示

image-20240219171331165

在BFS的时候，我们使用一个队列和一个标记数组来解决。

我们先将第一个起点入队，并且进行标记已经被遍历了，然后像二叉树的层序遍历一样，一层一层去寻找它的周围结点。由于我们用的是邻接矩阵，那么我们就可以以出队列的这个结点为起点，遍历邻接矩阵的对应行，找到满足的进行入队列，然后依次进行标记。从而最终可以遍历整个图

最终结果为

image-20240219171940093

3.六度好友

如下面的题目就是一个简单的广度优先遍历

image-20240219162459971

这道题与二叉树中求出第几层的元素是十分类似的。就是层序遍历，不过要打印出第六层的结果

void BFSLevel(const V& src)
{int srci = GetVertexIndex(src);queue<int> q; //广度遍历的队列vector<bool> visited(_vertexs.size(), false); //标记数组q.push(srci); //起点入队visited[srci] = true; //已经被遍历过了int levelSize = 1;while (!q.empty()){for (int i = 0; i < levelSize; i++){int front = q.front();q.pop();cout << front << ":" << _vertexs[front] << " ";//把front顶点的邻接顶点入队列for (size_t i = 0; i < _matrix[front].size(); i++){if (_matrix[front][i] != Max_W){if (visited[i] == false){q.push(i);visited[i] = true;}}}}cout << endl;levelSize = q.size();}
}
void TestGraphBDFS()
{string a[] = { "张三", "李四", "王五", "赵六", "周七" };Graph<string, int> g1(a, sizeof(a) / sizeof(string));g1.AddEdge("张三", "李四", 100);g1.AddEdge("张三", "王五", 200);g1.AddEdge("王五", "赵六", 30);g1.AddEdge("王五", "周七", 30);g1.Print();g1.BFS("张三");cout << endl;g1.BFSLevel("张三");
}

这里我们用一个循环来记录每层的个数，每打印够一层就换行。如上代码所示

运行结果为

image-20240219174014273

三、深度优先遍历

1.思想

image-20240219180359909

如上是深度优先的一个形象的案例，下面是深度优先在一个图中的实际场景

image-20240219180429488

我们可以看到，他就像二叉树的先序遍历一样，一直走到最深层，然后退回去。这里需要注意的就是要进行标记已经遍历过的结点

2.代码实现

如下是深度优先的代码实现

namespace matrix
{//V代表顶点， W是weight代表权值，MAX_W代表权值的最大值，Direction代表是有向图还是无向图,flase表示无向template<class V, class W, W Max_W = INT_MAX, bool Direction = false>class Graph{public://图的创建//1. IO输入 不方便测试//2. 图结构关系写到文件，读取文件//3. 手动添加边Graph(const V* a, size_t n){_vertexs.reserve(n);for (size_t i = 0; i < n; i++){_vertexs.push_back(a[i]);_indexMap[a[i]] = i;}_matrix.resize(n);for (size_t i = 0; i < _matrix.size(); i++){_matrix[i].resize(n, Max_W);}}size_t GetVertexIndex(const V& v){//return _indexMap[v];auto it = _indexMap.find(v);if (it != _indexMap.end()){return it->second;}else{//assert(false)throw invalid_argument("顶点不存在");return -1;}}void AddEdge(const V& src, const V& dst, const W& w){size_t srci = GetVertexIndex(src);size_t dsti = GetVertexIndex(dst);_matrix[srci][dsti] = w;if (Direction == false){_matrix[dsti][srci] = w;}}void Print(){for (size_t i = 0; i < _vertexs.size(); i++){cout << "[" << i << "]" << "->" << _vertexs[i] << endl;}cout << endl;cout << "   ";for (int i = 0; i < _vertexs.size(); i++){//cout << _vertexs[i] << " ";printf("%-3d ", i);}cout << endl;for (size_t i = 0; i < _matrix.size(); i++){//cout << _vertexs[i] << " ";printf("%d ", i);for (size_t j = 0; j < _matrix[i].size(); j++){if (_matrix[i][j] == INT_MAX){cout << " * " << " ";}else{printf("%-3d ", _matrix[i][j]);//cout << _matrix[i][j] << " ";}}cout << endl;}}void BFS(const V& src){int srci = GetVertexIndex(src);queue<int> q; //广度遍历的队列vector<bool> visited(_vertexs.size(), false); //标记数组q.push(srci); //起点入队visited[srci] = true; //已经被遍历过了while (!q.empty()){int front = q.front();q.pop();cout << front << ":" << _vertexs[front] << endl;//把front顶点的邻接顶点入队列for (size_t i = 0; i < _matrix[front].size(); i++){if (_matrix[front][i] != Max_W){if (visited[i] == false){q.push(i);visited[i] = true;}}}}} void BFSLevel(const V& src){int srci = GetVertexIndex(src);queue<int> q; //广度遍历的队列vector<bool> visited(_vertexs.size(), false); //标记数组q.push(srci); //起点入队visited[srci] = true; //已经被遍历过了int levelSize = 1;while (!q.empty()){for (int i = 0; i < levelSize; i++){int front = q.front();q.pop();cout << front << ":" << _vertexs[front] << " ";//把front顶点的邻接顶点入队列for (size_t i = 0; i < _matrix[front].size(); i++){if (_matrix[front][i] != Max_W){if (visited[i] == false){q.push(i);visited[i] = true;}}}}cout << endl;levelSize = q.size();}}void _DFS(size_t srci, vector<bool>& visited){cout << srci << ":" << _vertexs[srci] << endl;visited[srci] = true;for (int i = 0; i < _matrix[srci].size(); i++){if (_matrix[srci][i] != Max_W && visited[i] == false){_DFS(i, visited);}}}void DFS(const V& src){int srci = GetVertexIndex(src);vector<bool> visited(_vertexs.size(), false);_DFS(srci, visited);}private:vector<V> _vertexs; //顶点集合map<V, int> _indexMap; //顶点对应的下标关系vector<vector<W>> _matrix; //临界矩阵};void TestGraph(){Graph<char, int, INT_MAX, true> g("0123", 4);g.AddEdge('0', '1', 1);g.AddEdge('0', '3', 4);g.AddEdge('1', '3', 2);g.AddEdge('1', '2', 9);g.AddEdge('2', '3', 8);g.AddEdge('2', '1', 5);g.AddEdge('2', '0', 3);g.AddEdge('3', '2', 6);g.Print();}void TestGraphBDFS(){string a[] = { "张三", "李四", "王五", "赵六", "周七" };Graph<string, int> g1(a, sizeof(a) / sizeof(string));g1.AddEdge("张三", "李四", 100);g1.AddEdge("张三", "王五", 200);g1.AddEdge("王五", "赵六", 30);g1.AddEdge("王五", "周七", 30);g1.Print();g1.BFS("张三");cout << endl;g1.BFSLevel("张三");cout << endl;g1.DFS("张三");}}

像先序遍历一样，这里也是需要一个子函数比较好的，因为我们需要使用递归，让子函数去进行递归是最好的

运行结果如下所示

image-20240219180714110

四、其他问题

关于深度优先和广度优先，上面的清空自然是很理想的情况。并且由于起点不同，深度优先和广度优先的结果是不同的。但是有时候，也会出现下面的问题。

比如图不连通的问题。也就是图存在孤立的结点。那么这样的话，以某个点为起点就没有遍历完成

这里我们可以有个解决方案是从visited数组中寻找没有遍历的结点，在进行一次深度优先或者广度优先。也就是要在原来的代码上在套一层。

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