13_图
为什么要有图
为什么要有图
前面我们看了线性表和树
我们知道线性表局限于只有一个前驱和后继的关系
树也只能有一个直接前趋，但是可以有多个后继
但是这里有一些情况，假如我们需要使用多个直接前趋该怎么办呢？比如我们描述多对多关系的时候
假如说现在有学生和老师这种情况，学生要有多个老师，老师也有多个学生
当我们描述这种多对多关系，就需要图
图的基本概述
图的基本概述
图是一种数据结构，其中一个节点可以有零个或者多个相邻的元素
两个节点之间的连接称为边
节点也可以称为顶点
我们看上面的图，这个就是图，其中两个顶点的相连为边，比如BD
图的常用概念
1、顶点：也就是节点，上图的A、B、C、D、E
2、边：两个节点的链接，比如AB
3、路径：和无向图还是有向图有关，比如上图从D到C的路径可以为：D->B->C，或者D->A->B->D
4、无向图：上图就是无向图，也就是顶点的连接没有方向，比如A和B，可以从A->B，也可以从B->A
5、有向图：顶点之间有方向
比如这里
6、带权图：边带有权值，带权图也叫做网
图的表示方式
1、二维数组表示，我们称为邻接矩阵
2、链表表示（或者数组+链表），我们称为邻接表
邻接矩阵
邻接矩阵是表示图形中顶点之间相邻关系的矩阵，对于n个顶点的图来说，矩阵的row和col表示的是1...n个点
在上图中，0代表不直接联通，1代表可直接联通
比如0和0的值就是0，代表不联通，0和1之间是1，代表可联通
但是有一些虽然不可以直接联通，但是是可以通过其他节点间接连通的
邻接表
邻接矩阵其实有个缺点，它为所有的顶点都分配了n个边的空间，其实这里面有很多空间都浪费掉了，所以为了避免资源的浪费，我们推出了邻接表，邻接表只关心存在的边，不关心不存在的边，所以不存在空间的浪费
其实稀疏数组是可以对邻接矩阵进行优化的，但是转来转去太麻烦了，直接看邻接表
在上图中，是使用数组+链表构成的，其中在数组索引中，0代表标号为0的顶点，1代表标号为1的顶点，....
我们看标号为0的链表，举个例子。标号为0的链表上有1、2、3、4，这就代表顶点0可以和1、2、3、4直接相连
再举个例子，看标号为1的链表，它有0、4，代表顶点1可以和顶点0、4直接相连
注意，链表的节点不代表顺序，只代表和谁相连接
图创建和代码实现
思路分析
代码实现以上结构：
1、首先要存储这几个顶点，比如我们使用一个ArrayList来存储
2、图的关系我们使用二维数组来保存这个矩阵int[][] edges，1代表能够直连，0代表不能直连
代码实现
package com.howling;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
public class GraphDemo {
// 图中顶点的集合
private ArrayList<String> vertexList;
// 图中的顶点之间的连接关系，二维矩阵
private int[][] edges;
// 边的条数
private int numOfEdges;
/**
* 构造器
*
* @param n 代表图中顶点的个数
*/
public GraphDemo(int n) {
// 初始化二维矩阵
edges = new int[n][n];
// 初始化顶点的ArrayList
vertexList = new ArrayList<>(n);
// 因为还不知道边的关系，所以初始化为0
numOfEdges = 0;
}
/**
* 插入节点
*
* @param vertex 向集合中插入节点
*/
public void insertVertex(String vertex) {
vertexList.add(vertex);
}
/**
* 获取图中的顶点个数
*
* @return
*/
public int getNumOfVertex() {
return this.vertexList.size();
}
/**
* 根据索引下标获取对应的值，索引取决于顶点添加的顺序
*
* @param index 对应的索引下标
* @return
*/
public String getValueByIndex(int index) {
return vertexList.get(index);
}
/**
* 添加两个顶点之间的边和边的权值
* 假如两个顶点之间可以直接链接就是1，不能直接链接就是0
*
* @param v1 顶点1
* @param v2 顶点2
* @param weight 边的权值
*/
public void insertEdge(int v1, int v2, int weight) {
edges[v1][v2] = weight;
edges[v2][v1] = weight;
numOfEdges++;
}
/**
* 获取边的个数
*
* @return 边的个数
*/
public int getNumOfEdges() {
return this.numOfEdges;
}
/**
* 获取两个顶点之间，边的权值
*
* @param v1 顶点1
* @param v2 顶点2
* @return 权值
*/
public int getWeight(int v1, int v2) {
return edges[v1][v2];
}
public void showGraph() {
Arrays.stream(edges).forEach(e -> System.out.println(Arrays.toString(e)));
}
public static void main(String[] args) {
int n = 5;
String[] VertexValue = {"A", "B", "C", "D", "E"};
GraphDemo graph = new GraphDemo(n);
// 添加顶点
Arrays.stream(VertexValue).forEach(graph::insertVertex);
// 添加边，A-B、A-C、B-C、B-D、B-E
graph.insertEdge(0, 1, 1);
graph.insertEdge(0, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 3, 1);
graph.insertEdge(1, 4, 1);
graph.showGraph();
}
}
图的遍历
图的遍历介绍
图的遍历，也就是对节点的访问。一个图中有许多节点，那么我们遍历这种节点需要一些策略
一般来讲，有两种遍历策略：
1、深度优先遍历
2、广度优先遍历
图的深度优先
图的深度优先思想（Depth First Search）
1、深度优先遍历，也就是从初始访问节点出发，初始访问节点可能有多个邻接节点
深度优先遍历的策略是首先访问第一个节点，再以这个被访问的邻接节点作为初始访问节点，继续下一次访问
2、我们可以看到，这种访问策略是优先向纵深方向，而不是对一个节点的所有邻接节点进行的横向访问
3、显然，深度优先是一个递归的过程
深度优先的算法步骤
1、访问初始节点v，并标记v节点已访问
2、查找v的第一个邻接节点w
2.1、假如w不存在（不直接连通），那么返回第一步，从v的下一个节点继续
2.2、假如w存在（直接连通）
2.2.1、假如w未被访问，则标记w已访问，并以w作为初始节点，进行第一步
2.2.2、假如w已经被访问，则查找节点v的其他邻接节点，转向第二步
深度优先举例
我们以上图来举例子，假如我现在从顶点A开始进行深度优先遍历
那么我首先规定，这几个节点的相邻顺序为：A->B->C->D->E
1、A为开始节点，标记为已遍历
2、A找到相邻节点B，发现与B不能直接连通，继续寻找下一个节点
3、A找到相邻节点C，发现可以与C直接连通，则进入C并标记C为已遍历
4、C找到相邻节点A，发现可以连通但是已遍历，继续寻找下一个节点
5、C找到相邻节点B，发现可以连通并且没有遍历，则进入B并标记B为已遍历
6、B寻找到A和C，发现A不可连通，C已经遍历，继续寻找下一个节点
7、B寻找D，发现D满足条件，则进入D并标记D为已遍历
8、D分别找到了A、B、C、E，发现均不满足条件，则返回上一层B
9、B继续寻找到E，发现E满足条件，进入到E并标记E为已遍历
10、E寻找到了A、B、C、D，发现均不满足条件，有没有其他节点，所以推出到上一层B
11、B发现没有其他节点，推出到上一层C
12、C继续寻找D、E，发现均不满足条件，没有了其他节点，退出到A
13、A继续寻找D、E，发现均不满足条件，没有其他节点，结束递归
图的深度优先代码实现
我们按照这张图来进行一次深度优先
package com.howling;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
public class GraphDemo {
// 图中顶点的集合
private ArrayList<String> vertexList;
// 图中的顶点之间的连接关系，二维矩阵
private int[][] edges;
// 边的条数
private int numOfEdges;
// 定义boolean数组，标记某个节点是否被访问
private boolean[] isVisited;
/**
* 构造器
*
* @param n 代表图中顶点的个数
*/
public GraphDemo(int n) {
// 初始化二维矩阵
edges = new int[n][n];
// 初始化顶点的ArrayList
vertexList = new ArrayList<>(n);
// 因为还不知道边的关系，所以初始化为0
numOfEdges = 0;
// 记录某个顶点是否被访问
isVisited = new boolean[n];
}
/**
* 返回没有遍历过的相邻节点的下标
*
* @param index 当前节点的下标
* @return 邻接节点的下标
*/
public int getNeighbor(int index) {
// 首先把自己标记为已经遍历
isVisited[index] = true;
// 从头开始遍历，找到能够连接并且没有标记为已遍历的节点
for (int i = 0; i < vertexList.size(); i++) {
if (i == index) {
continue;
}
// 假如找到一个能够连通的，并且没有遍历过的，那么就标记此节点已经遍历并返回对应的坐标
if (edges[index][i] > 0 && !isVisited[i]) {
return i;
}
}
// 假如找不到符合要求的节点，返回-1
return -1;
}
/**
* 图的深度优先遍历
*
* @param index 当前节点
*/
public void DFS(int index) {
// 首先输出当前节点
System.out.println(vertexList.get(index));
// 找到下一个相邻的、可以直接连通、没有遍历过的节点，递归
while (true) {
int neighbor = getNeighbor(index);
if (neighbor == -1) {
return;
}
DFS(neighbor);
}
}
public static void main(String[] args) {
int n = 5;
String[] VertexValue = {"A", "B", "C", "D", "E"};
GraphDemo graph = new GraphDemo(n);
// 添加顶点
Arrays.stream(VertexValue).forEach(graph::insertVertex);
// 添加边，A-C、B-C、B-D、B-E、C-D
graph.insertEdge(0, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 3, 1);
graph.insertEdge(1, 4, 1);
graph.insertEdge(2, 3, 1);
// 关系图
graph.showGraph();
System.out.println("-----------------------");
// 深度优先遍历，顺序应该为：A-->C-->B-->D-->E
graph.DFS(0);
}
}
因为东西太多，所以只放出部分，剩下的在之前都有实现
图的广度优先
图的广度优先思想（Broad First Search）
广度优先类似一个分层搜索的功能，需要使用一个队列以保持访问过的节点的顺序。
简单来说，比如说从A开始访问，那么我首先走一遍能和A进行互通的所有节点入队列。
等到A所互通的节点走完之后，就把A从队列里面剔除，从队列的头开始再次进行遍历，遍历到之后就入队列，循环往复。
这个时候，只要队列不为空，就说明还没有结束，假如队列为空，则代表全部都已经遍历完了
广度优先遍历算法步骤
1、访问初始节点v，将v标记为已经访问
2、节点v入队列，当队列非空时，继续执行，否则算法结束
3、查找v的相邻节点，全部入队列，并标记为已经访问
4、v的相邻节点全部遍历完成，则v出队列
5、根据队列中的第一个元素u进行查找相邻节点，循环往复
6、当队列为空时，算法结束
这个广度优先还不算很难，所以不举例子了
广度优先代码实现
按照广度优先遍历，这个最终输出的顺序应该为：A-->C-->B-->D-->E
package com.howling;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;
public class GraphDemo {
// 图中顶点的集合
private ArrayList<String> vertexList;
// 图中的顶点之间的连接关系，二维矩阵
private int[][] edges;
// 边的条数
private int numOfEdges;
// 定义boolean数组，标记某个节点是否被访问
private boolean[] isVisited;
/**
* 构造器
*
* @param n 代表图中顶点的个数
*/
public GraphDemo(int n) {
// 初始化二维矩阵
edges = new int[n][n];
// 初始化顶点的ArrayList
vertexList = new ArrayList<>(n);
// 因为还不知道边的关系，所以初始化为0
numOfEdges = 0;
// 记录某个顶点是否被访问
isVisited = new boolean[n];
}
/**
* 返回没有遍历过的相邻节点的下标
*
* @param index 当前节点的下标
* @return 邻接节点的下标
*/
public int getNeighbor(int index) {
// 首先把自己标记为已经遍历
isVisited[index] = true;
// 从头开始遍历，找到能够连接并且没有标记为已遍历的节点
for (int i = 0; i < vertexList.size(); i++) {
if (i == index) {
continue;
}
// 假如找到一个能够连通的，并且没有遍历过的，那么就标记此节点已经遍历并返回对应的坐标
if (edges[index][i] > 0 && !isVisited[i]) {
isVisited[i] = true;
return i;
}
}
// 假如找不到符合要求的节点，返回-1
return -1;
}
/**
* 图的广度优先遍历
*
* @param index 开始的下标
*/
public void BFS(int index) {
// 队列
LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<>();
// 首先将初始节点加入到队列中
queue.add(index);
while (!queue.isEmpty()) {
// 查找下一个相邻的、可以直接连通的、没有访问过的节点
int neighbor = getNeighbor(queue.get(0));
// 假如可以找到符合要求的节点
if (neighbor != -1) {
// 将指定的节点加入到队列中
queue.add(neighbor);
}
// 假如可以找到符合要求的节点，那么队列首部出队列并且打印
else {
Integer first = queue.removeFirst();
System.out.print(vertexList.get(first) + " ");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int n = 5;
String[] VertexValue = {"A", "B", "C", "D", "E"};
GraphDemo graph = new GraphDemo(n);
// 添加顶点
Arrays.stream(VertexValue).forEach(graph::insertVertex);
// 添加边，A-C、B-C、B-D、B-E、C-D
graph.insertEdge(0, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 2, 1);
graph.insertEdge(1, 3, 1);
graph.insertEdge(1, 4, 1);
graph.insertEdge(2, 3, 1);
// 关系图
graph.showGraph();
System.out.println("-----------------------");
// 深度优先遍历，顺序应该为：A-->C-->B-->D-->E
graph.BFS(0);
}
}
这里小小地修改了
getNeighbor，在返回节点之前也进行了一次的改变遍历的状态
广度优先和深度优先比较
在上图中：
1、深度优先：1-->2-->4-->8-->5-->3-->6-->7
2、广度优先：1-->2-->3-->4-->5-->6-->7-->8
