图-基本知识

Graph-基本知识

Graph: 图。

图是由一些点V和一些边E组成的数据结构E。对于任一一条边(v, w),v,w 都属于V。

图分有向图和无向图。比如这样:

graph

根据图的边是否带权重,我们还可以把图分为有权图和无权图。

图的存储

图的存储一般有两类:邻接矩阵和邻接表。邻接表用的比较多,因为比较节省空间。

下面分别是简单的抽象:

//
// Created on 3/22/18.
//

#ifndef AGORITHM_GRAPH_H
#define AGORITHM_GRAPH_H

#include <functional>

class Graph {
public:
    static void test();

    enum Kind {
        UNDIRECTED = 0,
        DIRECTED,
    };

    using VisitFunc = std::function<void(int)>;

    struct Edge {
    public:
        Edge() : Edge(0, 0, 0) {}

        Edge(int x, int y) : Edge(x, y, 0) {}

        Edge(int x, int y, int w) {
            this->x = x;
            this->y = y;
            this->weight = w;
        }

        int x = 0;
        int y = 0;
        int weight = 0;
    };

    class NodeIterator {
    public:
        virtual bool HasNext() = 0;

        virtual Edge Next() = 0;
    };

    explicit Graph(Kind kind, int numberOfNodes);;

    virtual ~Graph() = default;

    Kind GetKind() const { return mKind; }

    int GetNumberOfNodes() const { return mNumberOfNodes; }

    virtual void AddEdge(int x, int y, int weight) = 0;

    virtual void AddEdge(const Edge &e);

    virtual void DFS(const VisitFunc &fn, int start) const = 0;

    virtual void BFS(const VisitFunc &fn, int start) const = 0;

    std::shared_ptr<NodeIterator> CreateSpIteratorForNode(int x) const;

    virtual int GetWeightForEdge(int x, int y) const = 0;

protected:
    virtual NodeIterator *CreateIteratorForNode(int x) const = 0;

private:
    Kind mKind = UNDIRECTED;
    int mNumberOfNodes = 0;
};


#endif //AGORITHM_GRAPH_H

邻接矩阵:

// .h
//
// Created on 3/22/18.
//

#ifndef AGORITHM_MATRIXGRAPH_H
#define AGORITHM_MATRIXGRAPH_H

#include <vector>
#include "Graph.h"

class MatrixGraph : public Graph {
public:
    explicit MatrixGraph(Kind kind, int nNode = MAX_NODE);

    static const int MAX_NODE = 100;

    void AddEdge(int x, int y, int weight) override;

    void DFS(const VisitFunc &fn, int start) const override;

    void BFS(const VisitFunc &fn, int start) const override;

    int GetWeightForEdge(int x, int y) const override;

protected:
    NodeIterator *CreateIteratorForNode(int x) const override;

    class MatrixNodeIterator : public NodeIterator {
    public:
        explicit MatrixNodeIterator(const MatrixGraph *graph, int x);

        bool HasNext() override;

        Edge Next() override;

    private:
        int next(int start);

    private:
        const MatrixGraph *mGraph = nullptr;
        int mNodeX = 0;
        int mCurrentX = 0;
    };

protected:
    virtual void doDfs(int x, std::vector<int> &vis, const VisitFunc &fn)  const;

private:
    std::vector<std::vector<int>> mMatrix;
};


#endif //AGORITHM_MATRIXGRAPH_H

// .cpp
//
// Created on 3/22/18.
//

#include <cassert>
#include <queue>
#include <string>
#include "MatrixGraph.h"


MatrixGraph::MatrixGraph(Graph::Kind kind, int nNode) : Graph(kind, nNode) {
    assert(nNode > 0);

    mMatrix.resize(nNode, std::vector<int>(nNode, 0));
}

void MatrixGraph::AddEdge(int x, int y, int weight) {
    mMatrix[x][y] = weight;
    if (GetKind() == UNDIRECTED) {
        mMatrix[y][x] = weight;
    }
}

void MatrixGraph::DFS(const VisitFunc &fn, int start) const {
    int n = GetNumberOfNodes();
    std::vector<int> vis(n, 0);

    doDfs(start, vis, fn);

    for (int i = 0; i < n; i++) {   // remaining if any
        doDfs(i, vis, fn);
    }
}

void MatrixGraph::doDfs(int x, std::vector<int> &vis, const Graph::VisitFunc &fn) const {
    if (!vis[x]) {
        vis[x] = 1;
        fn(x);
        int n = GetNumberOfNodes();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (mMatrix[x][i] > 0) {
                if (!vis[i]) {
                    doDfs(i, vis, fn);
                }
            }
        }
    }
}

void MatrixGraph::BFS(const VisitFunc &fn, int start) const {
    int n = GetNumberOfNodes();
    std::vector<int> vis(n, 0);
    std::queue<int> queue;

    auto run = [&](int i) {
        if (!vis[i]) {
            queue.push(i);
            while (!queue.empty()) {
                int x = queue.front();
                queue.pop();

                if (!vis[x]) {
                    vis[x] = 1;
                    fn(x);
                    for (int j = 0; j < n; j++) {
                        if (!vis[j]) {
                            queue.push(j);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    };

    run(start);
    for (int i = 0; i < n; i++) {   // remaining
        run(i);
    }
}
Graph::NodeIterator *MatrixGraph::CreateIteratorForNode(int x) const {
    return new MatrixNodeIterator(this, x);
}

int MatrixGraph::GetWeightForEdge(int x, int y) const {
    return mMatrix[x][y];
}

bool MatrixGraph::MatrixNodeIterator::HasNext() {
    return mCurrentX < mGraph->GetNumberOfNodes();
}

Graph::Edge MatrixGraph::MatrixNodeIterator::Next() {
    if (mCurrentX >= mGraph->GetNumberOfNodes()) {
        throw std::range_error("mCurrentX: " + std::to_string(mCurrentX));
    }

    int oldX = mCurrentX;
    mCurrentX = next(mCurrentX + 1);

    return {mNodeX, oldX, mGraph->mMatrix[mNodeX][oldX]};
}

MatrixGraph::MatrixNodeIterator::MatrixNodeIterator(const MatrixGraph *graph, int x) {
    mGraph = graph;
    mNodeX = x;
    mCurrentX = next(0);
}

int MatrixGraph::MatrixNodeIterator::next(int start) {
    int i = start;
    for (; i < mGraph->GetNumberOfNodes(); i++) {
        if (mGraph->mMatrix[mNodeX][i]) {
            break;
        }
    }
    return i;
}

邻接表:

//.h
//
// Created on 3/22/18.
//

#ifndef AGORITHM_LISTGRAPH_H
#define AGORITHM_LISTGRAPH_H


#include <vector>
#include "Graph.h"

class ListGraph : public Graph {
public:
    ListGraph(Kind kind, int numberOfNodes);

    void AddEdge(int x, int y, int weight) override;

    virtual void AddEdge(int x, int y, int weight, Kind kind, bool append);

    void DFS(const VisitFunc &fn, int start) const override;

    void BFS(const VisitFunc &fn, int start) const override;

    int GetWeightForEdge(int x, int y) const override;

protected:
    NodeIterator *CreateIteratorForNode(int x) const override;

    struct ListEdge;
    using SpEdge = std::shared_ptr<ListEdge>;

    struct ListEdge {
    public:
        SpEdge next = nullptr;
        int y = 0;
        int weight = 0;
    };

    class ListNodeIterator : public NodeIterator {
    public:
        ListNodeIterator(const ListGraph *g, int x);

        bool HasNext() override;

        Edge Next() override;

    private:
        const ListGraph *mGraph = nullptr;
        int mNodeX = 0;
        SpEdge mCurrentEdge = nullptr;
    };

private:
    void doDfs(int x, std::vector<int> &vis, const VisitFunc &fn) const;


public:
    std::vector<std::shared_ptr<ListEdge>> mEdges;
//    std::vector<ListEdge *> mEdges;
};


#endif //AGORITHM_LISTGRAPH_H

// .cpp
//
// Created on 3/22/18.
//

#include <queue>
#include "ListGraph.h"

using namespace std;

ListGraph::ListGraph(Graph::Kind kind, int numberOfNodes) : Graph(kind, numberOfNodes) {
    mEdges.resize(numberOfNodes, nullptr);
}

void ListGraph::AddEdge(int x, int y, int weight) {
    AddEdge(x, y, weight, GetKind(), true);
}

void ListGraph::AddEdge(int x, int y, int weight, Kind kind, bool append) {
    auto edge = std::make_shared<ListEdge>();
    edge->y = y;
    edge->weight = weight;

    if (append) {
        if (mEdges[x]) {
            auto p = mEdges[x];
            while (p->next) {
                p = p->next;
            }
            p->next = edge;
        } else {
            mEdges[x] = edge;
        }
    } else {
        auto p = mEdges[x];
        edge->next = p;
        mEdges[x] = edge;
    }
    if (kind == UNDIRECTED) {
        AddEdge(y, x, weight, DIRECTED, append);
    }
}

void ListGraph::DFS(const VisitFunc &fn, int start)  const {
    const int n = GetNumberOfNodes();
    vector<int> vis(n, 0);

    doDfs(start, vis, fn);

    for (int i = 0; i < n; i++) {   // remaining
        if (!vis[i]) {
            doDfs(i, vis, fn);
        }
    }
}


void ListGraph::doDfs(int x, std::vector<int> &vis, const Graph::VisitFunc &fn) const {
    if (!vis[x]) {
        vis[x] = 1;
        fn(x);
        auto p = mEdges[x];
        while (p) {
            if (!vis[p->y]) {
                doDfs(p->y, vis, fn);
            }
            p = p->next;
        }
    }
}


void ListGraph::BFS(const VisitFunc &fn, int start) const {
    std::queue<int> q;

    const int N = GetNumberOfNodes();
    vector<int> vis(N, 0);

    auto run = [&](int i) {
        if (!vis[i]) {
            q.push(i);
        }
        while (!q.empty()) {
            int x = q.front();
            q.pop();

            if (!vis[x]) {
                vis[x] = 1;
                fn(x);
                auto p = mEdges[x];
                while (p) {
                    if (!vis[p->y]) {
                        q.push(p->y);
                    }
                    p = p->next;
                }
            }
        }
    };

    run(start);
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        run(i);
    }
}

Graph::NodeIterator *ListGraph::CreateIteratorForNode(int x) const {
    return new ListNodeIterator(this, x);
}

int ListGraph::GetWeightForEdge(int x, int y) const {
    auto p = mEdges[x];
    while (p) {
        if (p->y == y) {
            return p->weight;
        }
        p = p->next;
    }
    return 0;
}

bool ListGraph::ListNodeIterator::HasNext() {
    return mCurrentEdge != nullptr;
}

Graph::Edge ListGraph::ListNodeIterator::Next() {
    if (!mCurrentEdge) {
        throw std::range_error("out of range");
    }

    auto p = mCurrentEdge;
    mCurrentEdge = mCurrentEdge->next;

    return {mNodeX, p->y, p->weight};
}

ListGraph::ListNodeIterator::ListNodeIterator(const ListGraph *g, int x) {
    mGraph = g;
    mNodeX = x;
    mCurrentEdge = mGraph->mEdges[mNodeX];
}

其中NodeIterator的意思是,和某个点直接相连的所有点。上面都用了一个shared_ptr来包括iterator,以防内存泄露。

访问图所有点的方法,有DFS(深度优先)和BFS(广度优先)。

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 199,902评论 5 468
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 84,037评论 2 377
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 146,978评论 0 332
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 53,867评论 1 272
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 62,763评论 5 360
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,104评论 1 277
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,565评论 3 390
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,236评论 0 254
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,379评论 1 294
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,313评论 2 317
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,363评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,034评论 3 315
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,637评论 3 303
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,719评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 30,952评论 1 255
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,371评论 2 346
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 41,948评论 2 341

推荐阅读更多精彩内容

  • https://zh.visualgo.net/graphds 浅谈图形结构https://zh.visualgo...
    狼之独步阅读 4,097评论 0 0
  • -DFS(Depth First Search):深度优先搜索 访问完一个顶点的所有邻接点之后,会按原路返回,对应...
    Spicy_Crayfish阅读 2,817评论 1 0
  • 图是一种比线性表和树更复杂的数据结构,在图中,结点之间的关系是任意的,任意两个数据元素之间都可能相关。图是一种多对...
    Alent阅读 2,273评论 1 22
  • "放松你的脸部肌肉,你的眉心,你的眼皮,你的眼球,你没有睡着,你是警醒的。一呼一吸,一呼一吸,你还在呼吸,万事皆有...
    Connie1314邓雅之阅读 373评论 7 3
  • 《春意嫣然》 好景精读菜花溪, 苍山翠碧阳春至。 春江舟行美诗情, 春洒人间君不知。 春风又绿江南岸, 清风江畔二...
    纯水陆零阅读 975评论 0 8