展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows macOS软件 IOS软件 Android AI PDF教程 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > Java这么实现无向图

Java这么实现无向图

基本概念图的定义一个图是由点集V={vi}和VV中元素的无序对的一个集合E={ek}所构成的二元组,记为G=(V,E),V中的元素vi叫做顶点,E中的元素ek叫做边。对于V中的两个点u,v,如果边(u,v)属于E,则称u,v两点相邻,u,v称为边(u,v)的端点。我们可以用m(G)=|E|表示图G中的边数,用n(G)=|V|表示图G中的顶点个数。无向图的定义对于E中的任意一条边(vi,vj),如果边(vi,vj)端点无序,则它是无向边,此时图G称为无向图。无向图是最简单的图模型,下图显示了同一幅无向图,顶

    基本概念

    图的定义

    一个图是由点集V={vi} 和 VV 中元素的无序对的一个集合E={ek} 所构成的二元组,记为G=(V,E),V中的元素vi叫做顶点,E中的元素 ek叫做边。

    对于V中的两个点 u,v,如果边(u,v) 属于E,则称 u,v两点相邻,u,v称为边(u,v)的端点。

    我们可以用m(G)=|E| 表示图G中的边数,用n(G)=|V|表示图G中的顶点个数。

    无向图的定义

    对于E中的任意一条边(vi,vj),如果边(vi,vj) 端点无序,则它是无向边,此时图G称为无向图。无向图是最简单的图模型,下图显示了同一幅无向图,顶点使用圆圈表示,边则是顶点之间的连线,没有箭头(图片来自于《算法第四版》):

    Java这么实现无向图

    无向图的 API

    对于一幅无向图,我们关心图的顶点数、边数、每个顶点的相邻顶点和边的添加操作,所以接口如下所示:

    package com.zhiyiyo.graph;
    
    /**
     * 无向图
     */
    public interface Graph {
        /**
         * 返回图中的顶点数
         */
        int V();
    
        /**
         * 返回图中的边数
         */
        int E();
    
        /**
         * 向图中添加一条边
         * @param v 顶点 v
         * @param w 顶点 w
         */
        void addEdge(int v, int w);
    
        /**
         * 返回所有相邻顶点
         * @param v 顶点 v
         * @return 所有相邻顶点
         */
        Iterable adj(int v);
    }

    无向图的实现方式

    邻接矩阵

    用矩阵表示图对研究图的性质及应用常常是比较方便的,对于各种图有各种矩阵表示方式,比如权矩阵和邻接矩阵,这里我们只关注邻接矩阵。它的定义为:

    对于图G=(V,E),|V|=n,构造一个矩阵 A=(aij)n×n,其中:

    Java这么实现无向图

    则称矩阵A为图G的邻接矩阵。

    由定义可知,我们可以使用一个二维的布尔数组 A 来实现邻接矩阵,当 A[i][j] = true 时说明顶点 i 和 j 相邻。

    对于 n个顶点的图 G,邻接矩阵需要消耗的空间为 n2个布尔值的大小,对于稀疏图来说会造成很大的浪费,当顶点数很大时所消耗的空间会是个天文数字。同时当图比较特殊,存在自环以及平行边时,邻接矩阵的表示方式是无能为力的。《算法》中给出了存在这两种情况的图:

    Java这么实现无向图

    边的数组

    对于无向图,我们可以实现一个类 Edge,里面只用两个实例变量用来存储两个顶点 u和 v,接着在一个数组里面保存所有 Edge 即可。这样做有一个很大的问题,就是在获取顶点 v的所有相邻顶点时必须遍历整个数组才能得到,时间复杂度是O(|E|),由于获取相邻顶点是很常用的操作,所以这种表示方式也不太行。

    邻接表数组

    如果我们把顶点表示为一个整数,取值范围为0∼|V|−1,那么就可以用一个长度为|V| 的数组的索引表示每一个顶点,然后将每一个数组元素设置为一个链表,上面挂载着索引所代表的的顶点相邻的其他顶点。图一所示的无向图可以用下图所示的邻接表数组表示出来:

    Java这么实现无向图

    使用邻接表实现无向图的代码如下所示,由于邻接表数组中的每个链表都会保存与顶点相邻的顶点,所以将边添加到图中时需要对数组中的两个链表进行添加节点的操作:

    package com.zhiyiyo.graph;
    
    import com.zhiyiyo.collection.stack.LinkStack;
    
    /**
     * 使用邻接表实现的无向图
     */
    public class LinkGraph implements Graph {
        private final int V;
        private int E;
        private LinkStack[] adj;
    
        public LinkGraph(int V) {
            this.V = V;
            adj = (LinkStack[]) 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 adj(int v) {
            return adj[v];
        }
    }

    这里用到的栈代码如下所示,栈的实现不是这篇博客的重点,所以这里不做过多解释:

    package com.zhiyiyo.collection.stack;
    
    import java.util.EmptyStackException;
    import java.util.Iterator;
    
    /**
     * 使用链表实现的堆栈
     */
    public class LinkStack {
        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 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 {
            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() {
            }
        }
    }

    无向图的遍历

    给定下面一幅图,现在要求找到每个顶点到顶点 0 的路径,该如何实现?或者简单点,给定顶点 0 和 4,要求判断从顶点 0 开始走,能否到达顶点 4,该如何实现?这就要用到两种图的遍历方式:深度优先搜索和广度优先搜索。

    Java这么实现无向图

    在介绍这两种遍历方式之前,先给出解决上述问题需要实现的 API:

    package com.zhiyiyo.graph;
    
    public interface Search {
        /**
         * 起点 s 和 顶点 v 之间是否连通
         * @param v 顶点 v
         * @return 是否连通
         */
        boolean connected(int v);
    
        /**
         * 返回与顶点 s 相连通的顶点个数(包括 s)
         */
        int count();
    
        /**
         * 是否存在从起点 s 到顶点 v 的路径
         * @param v 顶点 v
         * @return 是否存在路径
         */
        boolean hasPathTo(int v);
    
        /**
         * 从起点 s 到顶点 v 的路径,不存在则返回 null
         * @param v 顶点 v
         * @return 路径
         */
        Iterable pathTo(int v);
    }

    深度优先搜索

    深度优先搜索的思想类似树的先序遍历。我们从顶点 0 开始,将它的相邻顶点 2、1、5 加到栈中。接着弹出栈顶的顶点 2,将它相邻的顶点 0、1、3、4 添加到栈中,但是写到这你就会发现一个问题:顶点 0 和 1明明已经在栈中了,如果还把他们加到栈中,那这个栈岂不是永远不会变回空。所以还需要维护一个数组 boolean[] marked,当我们将一个顶点 i 添加到栈中时,就将 marked[i] 置为 true,这样下次要想将顶点 加入栈中时,就得先检查一个 marked[i] 是否为 true,如果为 true 就不用再添加了。重复栈顶节点的弹出和节点相邻节点的入栈操作,直到栈为空,我们就完成了顶点 0 可达的所有顶点的遍历。

    为了记录每个顶点到顶点 0 的路径,我们还需要一个数组 int[] edgeTo。每当我们访问到顶点 u 并将其一个相邻顶点 i 压入栈中时,就将 edgeTo[i] 设置为 u,说明要想从顶点i 到达顶点 0,需要先回退顶点 u,接着再从顶点 edgeTo[u] 处获取下一步要回退的顶点直至找到顶点 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();
        }
    
        /**
         * 递归实现的深度优先搜索
         *
         * @param v 顶点 v
         */
        private void dfs(int v) {
            marked[v] = true;
            N++;
            for (int i : graph.adj(v)) {
                if (!marked[i]) {
                    edgeTo[i] = v;
                    dfs(i);
                }
            }
        }
    
        /**
         * 堆栈实现的深度优先搜索
         */
        private void dfs() {
            Stack vertexes = new LinkStack<>();
            vertexes.push(s);
            marked[s] = true;
    
            while (!vertexes.isEmpty()) {
                Integer v = vertexes.pop();
                N++;
    
                // 将所有相邻顶点加到堆栈中
                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 pathTo(int v) {
            if (!hasPathTo(v)) return null;
            Stack path = new LinkStack<>();
    
            int vertex = v;
            while (vertex != s) {
                path.push(vertex);
                vertex = edgeTo[vertex];
            }
    
            path.push(s);
            return path;
        }
    }

    广度优先搜索

    广度优先搜索的思想类似树的层序遍历。与深度优先搜索不同,从顶点 0 出发,广度优先搜索会先处理完所有与顶点 0 相邻的顶点 2、1、5 后,才会接着处理顶点 2、1、5 的相邻顶点。这个搜索过程就是一圈一圈往外扩展、越走越远的过程,所以可以用来获取顶点 0 到其他节点的最短路径。只要将深度优先搜索中的堆换成队列,就能实现广度优先搜索:

    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 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);
                    }
                }
            }
        }
    }

    队列的实现代码如下:

    package com.zhiyiyo.collection.queue;
    
    
    import java.util.EmptyStackException;
    
    
    public class LinkQueue {
        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;
            }
        }
    }
    本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
    作者最新文章
    编程开发 Java
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    本月促销

    正软商城本月促销专区,汇集办公、设计、安全、影音、系统工具及AI软件等正版软件优惠活动,提供限时折扣、特价授权和优惠购买信息,活动库存及价格以页面实时展示为准。

    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    灵活计算器
    灵活计算器

    灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

    赤友清理大师
    赤友清理大师

    赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

    极度公式
    极度公式

    极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

    图几
    图几

    图几是一款适用于 macOS 的截图、标注与美化工具,支持离线操作保障隐私。界面整理和高频系统操作被放到一起考虑,桌面或窗口内容一多时,管理起来会更省心。

    密码键盘
    密码键盘

    密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

    思源笔记
    思源笔记

    思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

    Office 365 简体中文
    Office 365 简体中文

    一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

    WALTR PRO
    WALTR PRO

    WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

    CodeExpander
    CodeExpander

    CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

    Mountain Duck
    Mountain Duck

    Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

    Menuist
    Menuist

    Menuist 是一款面向 macOS 的 Finder 右键菜单增强工具,主要用来补充新建文件、快捷导航等常用操作,让日常文件管理和访问路径时更高效、更顺手。

    Mole
    Mole

    Mole 是一款专为 Mac 设计的深度清理优化工具,涵盖缓存清理、应用管理及实时状态监控等功能。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

    WINDOWS 更多
    Windows 10
    Windows 10

    Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

    极度公式
    极度公式

    极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

    密码键盘
    密码键盘

    密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

    思源笔记
    思源笔记

    思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

    傲梅轻松备份
    傲梅轻松备份

    傲梅轻松备份是一款专业易用的数据备份软件,为重要数据提供安全保障。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

    Office 365 简体中文
    Office 365 简体中文

    一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

    Wise Folder Hider Pro
    Wise Folder Hider Pro

    Wise Folder Hider Pro 是一款专业级文件和文件夹隐藏加密软件,为私密数据添加多重保护。高频操作更强调就近处理,浏览、整理和跨目录移动文件时,来回切换和重复点击都会少很多。

    WALTR PRO
    WALTR PRO

    WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

    CodeExpander
    CodeExpander

    CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

    PinStack
    PinStack

    PinStack是一款轻量级的Windows平台剪贴板管理工具,优化您的剪贴板使用体验。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

    Mountain Duck
    Mountain Duck

    Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

    Seer
    Seer

    Seer是一款在Win平台下的空格键功能增强效率工具,只需轻敲空格键,就能预览几乎任何格式的文件。它更适合把零散的小功能集中起来使用,处理高频琐碎任务时会更省事。