（三十三）图——遍历（深度优先遍历和广度优先遍历）

图遍历介绍：
所谓图的遍历，即是对结点的访问。一个图有那么多个结点，如何遍历这些结点，需要特定策略，一般有两种访问策略: (1)深度优先遍历 (2)广度优先遍历

1.图的深度优先遍历介绍

1.1.深度优先遍历基本思想

图的深度优先搜索(Depth First Search)

1. 深度优先遍历，从初始访问结点出发，初始访问结点可能有多个邻接结点，深度优先遍历的策略就是首先访问第一个邻接结点，然后再以这个被访问的邻接结点作为初始结点，访问它的第一个邻接结点， 可以这样理解：每次都在访问完当前结点后首先访问当前结点的第一个邻接结点。
2. 我们可以看到，这样的访问策略是优先往纵向挖掘深入，而不是对一个结点的所有邻接结点进行横向访问。
3. 显然，深度优先搜索是一个递归的过程

1.2.深度优先遍历算法步骤

1. 访问初始结点 v，并标记结点 v 为已访问。
2. 查找结点 v 的第一个邻接结点 w。
3. 若 w 存在，则继续执行 4，如果 w 不存在，则回到第 1 步，将从 v 的下一个结点继续。
4. 若 w 未被访问，对 w 进行深度优先遍历递归（即把 w 当做另一个 v，然后进行步骤 123）。
5. 查找结点 v 的 w 邻接结点的下一个邻接结点，转到步骤 3。
6. 分析图
   

1.3.深度优先算法的代码实现

//核心代码
//深度优先遍历算法
//i 第一次就是 0
private void dfs(boolean[] isVisited, int i) {
  //首先我们访问该结点,输出
  System.out.print(getValueByIndex(i) + "->");
  //将结点设置为已经访问
  isVisited[i] = true;
  //查找结点 i 的第一个邻接结点 w
  int w = getFirstNeighbor(i);
  while(w != -1) {//说明有
    if(!isVisited[w]) {
      dfs(isVisited, w);
    }
  //如果 w 结点已经被访问过
  w = getNextNeighbor(i, w);
  }
}

//对 dfs 进行一个重载, 遍历我们所有的结点，并进行 dfs
public void dfs() {
  isVisited = new boolean[vertexList.size()];
  //遍历所有的结点，进行 dfs[回溯]
  for(int i = 0; i < getNumOfVertex(); i++) {
    if(!isVisited[i]) {
      dfs(isVisited, i);
    }
  }
}

2.图的广度优先遍历

2.1.广度优先遍历基本思想

1. 图的广度优先搜索(Broad First Search)
2. 类似于一个 分层搜索的过程，广度优先遍历需要使用一个队列以保持访问过的结点的顺序，以便按这个顺序来访问这些结点的邻接结点

2.2.广度优先遍历算法步骤

1. 访问初始结点 v 并标记结点 v 为已访问。
2. 结点 v 入队列
3. 当队列非空时，继续执行，否则算法结束。
4. 出队列，取得队头结点 u
5. 查找结点 u 的第一个邻接结点 w
6. 若结点 u 的邻接结点 w 不存在，则转到步骤 3；否则循环执行以下三个步骤：
   6.1 若结点 w 尚未被访问，则访问结点 w 并标记为已访问。
   6.2 结点 w 入队列
   6.3 查找结点 u 的继 w 邻接结点后的下一个邻接结点 w，转到步骤 6。

2.3.广度优先算法的图示

2.4.广度优先算法的代码实现

//对一个结点进行广度优先遍历的方法
private void bfs(boolean[] isVisited, int i) {
  int u ; // 表示队列的头结点对应下标
  int w ; // 邻接结点 w
  //队列，记录结点访问的顺序
  LinkedList queue = new LinkedList();
  //访问结点，输出结点信息
  System.out.print(getValueByIndex(i) + "=>");
  //标记为已访问
  isVisited[i] = true;
  //将结点加入队列
  queue.addLast(i);
  while( !queue.isEmpty()) {
    //取出队列的头结点下标
    u = (Integer)queue.removeFirst();
    //得到第一个邻接结点的下标 w
    w = getFirstNeighbor(u);
    while(w != -1) {//找到
      //是否访问过
      if(!isVisited[w]) {
        System.out.print(getValueByIndex(w) + "=>");
        //标记已经访问
        isVisited[w] = true;
        //入队
        queue.addLast(w);
      }
      //以 u 为前驱点，找 w 后面的下一个邻结点
      w = getNextNeighbor(u, w); //体现出我们的广度优先
    }
  }
}

//遍历所有的结点，都进行广度优先搜索
public void bfs() {
  isVisited = new boolean[vertexList.size()];
  for(int i = 0; i < getNumOfVertex(); i++) {
    if(!isVisited[i]) {
      bfs(isVisited, i);
    }
  }
}

3.图的代码汇总(韩老师)

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;

public class Graph {

    private ArrayList<String> vertexList; //存储顶点集合
    private int[][] edges; //存储图对应的邻结矩阵
    private int numOfEdges; //表示边的数目
    //定义给数组 boolean[], 记录某个结点是否被访问
    private boolean[] isVisited;

    public static void main(String[] args) {

        //测试一把图是否创建 ok
        int n = 8; //结点的个数
        //String Vertexs[] = {"A", "B", "C", "D", "E"};
        String Vertexs[] = {"1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8"};
        //创建图对象
        Graph graph = new Graph(n);
        //循环的添加顶点
        for (String vertex : Vertexs) {
            graph.insertVertex(vertex);
        }
        //添加边
        //A-BA-C B-C B-D B-E
        // graph.insertEdge(0, 1, 1); //A-B
        // graph.insertEdge(0, 2, 1); //
        // graph.insertEdge(1, 2, 1); //
        // graph.insertEdge(1, 3, 1); //
        // graph.insertEdge(1, 4, 1); //
        //更新边的关系
        graph.insertEdge(0, 1, 1);
        graph.insertEdge(0, 2, 1);
        graph.insertEdge(1, 3, 1);
        graph.insertEdge(1, 4, 1);


        graph.insertEdge(3, 7, 1);
        graph.insertEdge(4, 7, 1);
        graph.insertEdge(2, 5, 1);
        graph.insertEdge(2, 6, 1);
        graph.insertEdge(5, 6, 1);
        //显示一把邻结矩阵
        graph.showGraph();
        //测试一把，我们的 dfs 遍历是否 ok
        System.out.println("深度遍历");
        graph.dfs(); //A->B->C->D->E [1->2->4->8->5->3->6->7]
        // System.out.println();
        System.out.println("广度优先!");
        graph.bfs(); //A->B->C->D-E [1->2->3->4->5->6->7->8]
    }

    //构造器
    public Graph(int n) {
        //初始化矩阵和 vertexList
        edges = new int[n][n];
        vertexList = new ArrayList<String>(n);
        numOfEdges = 0;
    }
    //得到第一个邻接结点的下标 w

    /**
     * @param index
     * @return 如果存在就返回对应的下标，否则返回-1
     */
    public int getFirstNeighbor(int index) {
        for (int j = 0; j < vertexList.size(); j++) {
            if (edges[index][j] > 0) {
                return j;
            }
        }
        return -1;
    }

    //根据前一个邻接结点的下标来获取下一个邻接结点
    public int getNextNeighbor(int v1, int v2) {
        for (int j = v2 + 1; j < vertexList.size(); j++) {
            if (edges[v1][j] > 0) {
                return j;
            }
        }
        return -1;
    }

    //深度优先遍历算法
    //i 第一次就是 0
    private void dfs(boolean[] isVisited, int i) {
        //首先我们访问该结点,输出
        System.out.print(getValueByIndex(i) + "->");
        //将结点设置为已经访问
        isVisited[i] = true;
        //查找结点 i 的第一个邻接结点 w
        int w = getFirstNeighbor(i);
        while (w != -1) {//说明有
            if (!isVisited[w]) {
                dfs(isVisited, w);
            }
            //如果 w 结点已经被访问过
            w = getNextNeighbor(i, w);
        }
    }

    //对 dfs 进行一个重载, 遍历我们所有的结点，并进行 dfs
    public void dfs() {
        isVisited = new boolean[vertexList.size()];
        //遍历所有的结点，进行 dfs[回溯]
        for (int i = 0; i < getNumOfVertex(); i++) {
            if (!isVisited[i]) {
                dfs(isVisited, i);
            }
        }
    }

    //对一个结点进行广度优先遍历的方法
    private void bfs(boolean[] isVisited, int i) {
        int u; // 表示队列的头结点对应下标
        int w; // 邻接结点 w
        //队列，记录结点访问的顺序
        LinkedList queue = new LinkedList();
        //访问结点，输出结点信息
        System.out.print(getValueByIndex(i) + "=>");
        //标记为已访问
        isVisited[i] = true;
        //将结点加入队列
        queue.addLast(i);
        while (!queue.isEmpty()) {
            //取出队列的头结点下标
            u = (Integer) queue.removeFirst();
            //得到第一个邻接结点的下标 w
            w = getFirstNeighbor(u);
            while (w != -1) {//找到
                //是否访问过
                if (!isVisited[w]) {

                    System.out.print(getValueByIndex(w) + "=>");
                    //标记已经访问
                    isVisited[w] = true;
                    //入队
                    queue.addLast(w);
                }
                //以 u 为前驱点，找 w 后面的下一个邻结点
                w = getNextNeighbor(u, w); //体现出我们的广度优先
            }
        }
    }

    //遍历所有的结点，都进行广度优先搜索
    public void bfs() {
        isVisited = new boolean[vertexList.size()];
        for (int i = 0; i < getNumOfVertex(); i++) {
            if (!isVisited[i]) {
                bfs(isVisited, i);
            }
        }
    }

    //图中常用的方法
    //返回结点的个数
    public int getNumOfVertex() {

        return vertexList.size();
    }

    //显示图对应的矩阵
    public void showGraph() {
        for (int[] link : edges) {
            System.err.println(Arrays.toString(link));
        }
    }

    //得到边的数目
    public int getNumOfEdges() {
        return numOfEdges;
    }

    //返回结点 i(下标)对应的数据 0->"A" 1->"B" 2->"C"
    public String getValueByIndex(int i) {
        return vertexList.get(i);
    }

    //返回 v1 和 v2 的权值
    public int getWeight(int v1, int v2) {
        return edges[v1][v2];
    }

    //插入结点
    public void insertVertex(String vertex) {
        vertexList.add(vertex);
    }
    //添加边

    /**
     * @param v1     表示点的下标即使第几个顶点 "A"-"B" "A"->0 "B"->1
     * @param v2     第二个顶点对应的下标
     * @param weight 表示
     */
    public void insertEdge(int v1, int v2, int weight) {
        edges[v1][v2] = weight;
        edges[v2][v1] = weight;
        numOfEdges++;
    }

}

4.图的代码汇总(自己)

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class Graph {

    //存储顶点集合
    private List<String> vertexList;

    //存储图对应的邻结矩阵
    private int[][] edges;

    //表示边的数目
    private int numOfEdges;

    //定义数据boolean[],记录某个结点是否被访问
    private boolean[] isVisited;

    public static void main(String[] args) {
        test1();
        //test2();
    }

    public static void test1() {
        Graph graph = new Graph(5);
        graph.insertVertex("A");
        graph.insertVertex("B");
        graph.insertVertex("C");
        graph.insertVertex("D");
        graph.insertVertex("E");

        graph.insertEdge(0, 1, 1);//A-B
        graph.insertEdge(0, 2, 1);//A-C
        graph.insertEdge(1, 2, 1);//B-C
        graph.insertEdge(1, 3, 1);//B-D
        graph.insertEdge(1, 4, 1);//B-E

        graph.showGraph();

        System.out.println("深度优先遍历");
        graph.dfs();

        System.out.println();
        System.out.println("广度优先遍历");
        graph.bfs();
    }

    public static void test2() {
        Graph graph = new Graph(8);
        graph.insertVertex("1");
        graph.insertVertex("2");
        graph.insertVertex("3");
        graph.insertVertex("4");
        graph.insertVertex("5");
        graph.insertVertex("6");
        graph.insertVertex("7");
        graph.insertVertex("8");

        graph.insertEdge(0, 1, 1);
        graph.insertEdge(0, 2, 1);
        graph.insertEdge(1, 3, 1);
        graph.insertEdge(1, 4, 1);
        graph.insertEdge(3, 7, 1);
        graph.insertEdge(4, 7, 1);
        graph.insertEdge(2, 5, 1);
        graph.insertEdge(2, 6, 1);
        graph.insertEdge(5, 6, 1);

        graph.showGraph();

        System.out.println("深度优先遍历");
        graph.dfs();

        System.out.println();
        System.out.println("广度优先遍历");
        graph.bfs();
    }

    //得到第一个邻接结点的下标 w
    public int getFirstNeighbor(int index) {
        for (int j = 0; j < vertexList.size(); j++) {
            if (edges[index][j] > 0) {
                return j;
            }
        }
        return -1;
    }

    //根据前一个邻接结点的下标来获取下一个邻接结点
    public int getNextNeighbor(int v1, int v2) {
        for (int j = v2 + 1; j < vertexList.size(); j++) {
            if (edges[v1][j] > 0) {
                return j;
            }
        }
        return -1;
    }

    //深度优先遍历算法
    public void dfs() {
        isVisited = new boolean[vertexList.size()];
        for (int i = 0; i < vertexList.size(); i++) {
            if (!isVisited[i]) {
                dfs(isVisited, i);
            }
        }
    }

    //深度优先遍历算法
    //i 第一次就是 0
    private void dfs(boolean[] isVisited, int i) {
        //首先我们访问该结点,输出
        System.out.print(getValueByIndex(i) + "->");
        //将结点设置为已经访问
        isVisited[i] = true;
        //查找结点 i 的第一个邻接结点 w
        int w = getFirstNeighbor(i);
        while (w != -1) {//说明有
            if (!isVisited[w]) {
                dfs(isVisited, w);
            }
            //如果 w 结点已经被访问过
            w = getNextNeighbor(i, w);
        }
    }

    //广度优先遍历算法
    public void bfs() {
        isVisited = new boolean[vertexList.size()];
        for (int i = 0; i < vertexList.size(); i++) {
            if (!isVisited[i]) {
                bfs(isVisited, i);
            }
        }
    }

    //广度优先遍历算法
    private void bfs(boolean[] isVisited, int i) {
        //首先我们访问该结点,输出
        System.out.print(getValueByIndex(i) + "->");
        //将结点设置为已经访问
        isVisited[i] = true;
        //定义队列，用于存放已经访问的结点索引
        LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.addLast(i);

        //遍历队列
        while (!queue.isEmpty()) {
            int u = queue.removeFirst();//从队列头部获取元素并从队列中删除
            int w = getFirstNeighbor(u);//索引为u的邻结点
            while (w != -1) {
                //若结点还未被访问
                if (!isVisited[w]) {
                    //输出结点
                    System.out.print(getValueByIndex(w) + "->");
                    //将结点设置为已经访问
                    isVisited[w] = true;
                    //将以访问的结点加入队列
                    queue.addLast(w);
                }
                //获取u结点的邻结点的w的下一个结点
                w = getNextNeighbor(u, w);
            }
        }
    }

    public Graph(int size) {
        vertexList = new ArrayList<>(size);
        edges = new int[size][size];
        numOfEdges = 0;
        isVisited = new boolean[size];
    }

    //图中常用的方法
    //返回结点的个数
    public int getNumOfVertex() {
        return vertexList.size();
    }

    //显示图对应的矩阵
    public void showGraph() {
        for (int[] link : edges) {
            System.out.println(Arrays.toString(link));
        }
    }

    //得到边的数目
    public int getNumOfEdges() {
        return numOfEdges;
    }

    //返回结点 i(下标)对应的数据 0->"A" 1->"B" 2->"C"
    public String getValueByIndex(int i) {
        return vertexList.get(i);
    }

    //返回 v1 和 v2 的权值
    public int getWeight(int v1, int v2) {
        return edges[v1][v2];
    }

    //插入结点
    public void insertVertex(String vertex) {
        vertexList.add(vertex);
    }

    //添加边

    /**
     * @param v1     表示点的下标即使第几个顶点 "A"-"B" "A"->0 "B"->1
     * @param v2     第二个顶点对应的下标
     * @param weight 表示
     */
    public void insertEdge(int v1, int v2, int weight) {
        edges[v1][v2] = weight;
        edges[v2][v1] = weight;
        numOfEdges++;
    }
}

5.图的深度优先 VS 广度优先