图->有向无环图->拓扑排序

文字描述

　　关于有向无环图的基础定义：

　　　　一个无环的有向图称为有向无环图，简称DAG图(directed acycline graph)。DAG图是一类较有向树更一般的特殊有向图。

　　　　举个例子说明有向无环图的应用。假如有一个表达式: ((a+b)*(b*(c+d))+(c+d)*e)*((c+d)*e), 可以用之前讨论的二叉树来表示，也可以用有向无环图来表示，如下图。显然有向无环图实现了对相同子式的共享，从而比二叉树更节省空间。

　　关于拓扑排序的基础定义:

　　　　由某个集合上的一个偏序得到该集合上的一个全须，这个操作称之为拓扑排序。理解起来可能有点费解，但是通俗的讲，就是如下几个操作步骤：

　　　　　　1 在有向图中选一个没有前驱的顶点且输出之

　　　　　　2 从图中删除该顶点和所有以它为尾的弧。

　　　　重复上述两步，直至全部顶点均已输出，或者当前图中不存在无前驱的顶点为止。后一种情况说明有向图中存在环。

　　备注：AOV-网(Activity On Vertex Network)的意思是用顶点表示活动，用弧表示活动间的优先关系的有向图称为顶点表示活动的网。

示意图：

算法分析

　　对n个顶点和e条弧的有向图而言，建立求各顶点的入度的时间复杂度为O(e)；建零入度顶点栈的时间复杂度为O(n)；在拓扑排序过程中，若有向图无环，则每个顶点进一次栈，出一次栈，入度减1的操作在while语句中总共进行e次，所以总的时间复杂度为O(n+e)。

代码实现

  1 //
  2 // Created by lady on 18-12-28.
  3 //
  4 #include <stdio.h>
  5 #include <stdlib.h>
  6 #define MAX_VERTEX_NUM 20 //最大顶点数
  7 typedef enum {DG,DN, UDG, UDN} GraphKind; //{有向图，有向网，无向图，无向网}
  8 typedef struct ArcNode{
  9     int adjvex;    //该弧所指向的顶点的位置
 10     struct ArcNode *nextarc;    //指向下一条弧的指针
 11     char info;    //该弧相关信息的指针
 12 }ArcNode;
 13 typedef struct VNode{
 14     char data[10];//顶点信息
 15     ArcNode *firstarcIN;//第一条以该顶点为弧头的弧结点，其他顶点->该结点
 16     ArcNode *firstarcOUT;//第一条以该顶点为弧尾的弧结点，该结点->其他顶点
 17 }VNode, AdjList[MAX_VERTEX_NUM];
 18 typedef struct{
 19     AdjList vertices;
 20     int vexnum;//图的顶点数
 21     int arcnum;//图的弧数
 22     int kind; //图的种类标志
 23 }ALGraph;
 24
 25 //根据顶点信息，返回该顶点在图中的位置坐标。
 26 int LocateVex(ALGraph *G, char data[])
 27 {
 28     int i = 0;
 29     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
 30         if(!strncmp(G->vertices[i].data, data, strlen(G->vertices[i].data))){
 31             return i;
 32         }
 33     }
 34     return -1;
 35 }
 36
 37 //利用头插法，在弧结点链表头部，插入位置v的弧结点
 38 int InsFirst(ArcNode *L, int v)
 39 {
 40     if((L==NULL) || (v<0)){
 41         return -1;
 42     }
 43     ArcNode *n = (ArcNode *)malloc(sizeof(struct ArcNode));
 44     n->adjvex = v;
 45     n->nextarc = L->nextarc;
 46     L->nextarc = n;
 47     return 0;
 48 }
 49
 50 //采用邻接表存储方法，创建有向图
 51 int CreateDG(ALGraph *G)
 52 {
 53     printf("开始创建一个有向图,请输入顶点数，弧数:");
 54     int i = 0, j = 0, k = 0;
 55     char v1[10] = {0}, v2[10]={0};
 56     char tmp[20] = {0};
 57     G->kind = DG;
 58     scanf("%d,%d", &G->vexnum, &G->arcnum);
 59     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
 60         printf("输入第%d个顶点: ", i+1);
 61         memset(G->vertices[i].data, 0, sizeof(G->vertices[i].data));
 62         scanf("%s", G->vertices[i].data);
 63         G->vertices[i].firstarcOUT = (struct ArcNode *)malloc(sizeof(struct ArcNode));
 64         G->vertices[i].firstarcOUT->adjvex = -1;
 65         G->vertices[i].firstarcOUT->nextarc = NULL;
 66         G->vertices[i].firstarcIN = (struct ArcNode *)malloc(sizeof(struct ArcNode));
 67         G->vertices[i].firstarcIN->adjvex = -1;
 68         G->vertices[i].firstarcIN->nextarc = NULL;
 69     }
 70     for(k=0; k<G->arcnum; k++)
 71     {
 72         printf("输入第%d条弧(顶点1, 顶点2): ", k+1);
 73         memset(tmp, 0, sizeof(tmp));
 74         scanf("%s", tmp);
 75         sscanf(tmp, "%[^‘,‘],%s[^\\n]", v1, v2);
 76         i = LocateVex(G, v1);
 77         j = LocateVex(G, v2);
 78         if(i<0 || j<0){
 79             printf("<%s,%s> is a invalid arch!\n", v1, v2);
 80             return -1;
 81         }
 82         InsFirst(G->vertices[i].firstarcOUT, j);
 83         InsFirst(G->vertices[j].firstarcIN, i);
 84     }
 85     return 0;
 86 }
 87
 88 void printG(ALGraph *G)
 89 {
 90     printf("\n");
 91     if(G->kind == DG){
 92         printf("类型：有向图；顶点数 %d, 弧数 %d\n", G->vexnum, G->arcnum);
 93     }else if(G->kind == DN){
 94         printf("类型：有向网；顶点数 %d, 弧数 %d\n", G->vexnum, G->arcnum);
 95     }else if(G->kind == UDG){
 96         printf("类型：无向图；顶点数 %d, 弧数 %d\n", G->vexnum, G->arcnum);
 97     }else if(G->kind == UDN){
 98         printf("类型：无向网；顶点数 %d, 弧数 %d\n", G->vexnum, G->arcnum);
 99     }
100     int i = 0;
101     ArcNode *p = NULL;
102     printf("邻接表:\n");
103     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
104         printf("(%d,%s)\t", i,G->vertices[i].data);
105         p = G->vertices[i].firstarcOUT;
106         while(p){
107             if(p->adjvex >= 0)
108                 printf("(%d,%s)\t", p->adjvex, G->vertices[p->adjvex].data);
109             p = p->nextarc;
110         }
111         printf("\n");
112     }
113     printf("逆邻接表:\n");
114     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
115         printf("(%d,%s)\t", i,G->vertices[i].data);
116         p = G->vertices[i].firstarcIN;
117         while(p){
118             if(p->adjvex >= 0)
119                 printf("(%d,%s)\t", p->adjvex, G->vertices[p->adjvex].data);
120             p = p->nextarc;
121         }
122         printf("\n");
123     }
124     return;
125 }
126
127 #define STACK_INIT_SIZE 20  //栈的初始分配量大小
128 #define STACK_INCREMENT 5   //栈容量不足时需新增的容量大小
129 typedef struct {
130     int *base;  //指向栈底指针
131     int *top;   //指向栈顶指针
132     int stacksize;  //栈的当前容量大小
133 }SqStack;
134
135 int InitStack(SqStack *s);  //初始化一个栈
136 int StackEmpty(SqStack *s); //判断栈是否为空
137 int Push(SqStack *S, int *e);  //入栈函数
138 int Pop(SqStack *S, int *e);    //出栈函数
139
140 //算法各个顶点的入度，并将结果存放在indegree数组中
141 int FindInDegree(ALGraph *G, int indegree[])
142 {
143     printf("\n对各个顶点求入度...\n");
144     int i = 0;
145     ArcNode *p = NULL;
146     for(i=0; i<G->vexnum; i++) {
147         p = G->vertices[i].firstarcIN;
148         while (p) {
149             if (p->adjvex >= 0) {
150                 indegree[i] += 1;
151             }
152             p = p->nextarc;
153         }
154     }
155     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
156         printf("(%d,%s)的入度为%d\n", i, G->vertices[i].data, indegree[i]);
157     }
158     return 0;
159 }
160
161 //进行拓扑排序
162 int ToplogicalSort(ALGraph *G)
163 {
164     int i = 0;
165     int k = 0;
166     int count = 0;
167     int indegree[MAX_VERTEX_NUM] = {0};
168     ArcNode *p = NULL;
169     SqStack S;
170     //求各个顶点的入度
171     FindInDegree(G, indegree);
172     if(InitStack(&S) <0){
173         return -1;
174     }
175     //将入度为0的顶点入栈.
176     for(i=0; i<G->vexnum; i++){
177         if(!indegree[i]) {
178             Push(&S, &i);
179         }
180     }
181     printf("\n进行拓扑排序:");
182     while(StackEmpty(&S)){
183         //如果栈不为空
184         Pop(&S, &i);
185         //输入i号顶点并计数
186         printf("(%d,%s)\t", i, G->vertices[i].data);
187         ++count;
188         for(p=G->vertices[i].firstarcOUT; p; p=p->nextarc){
189             //对i号顶点的每个邻接点的入度减1
190             k = p->adjvex;
191             if(!(--indegree[k])) {
192                 //若入度减为0,则入栈
193                 Push(&S, &k);
194             }
195         }
196     }
197     printf("\n");
198     if(count < G->vexnum){
199         printf("警告：该图有环路!!\n");
200         return -1;
201     }else{
202         return 0;
203     }
204 }
205
206 int main(int argc, char *argv[])
207 {
208     ALGraph G;
209     //创建有向图
210     if(CreateDG(&G)<0){
211         printf("创建有向图时出错!\n");
212         return -1;
213     }
214     //打印图
215     printG(&G);
216     //进行拓扑排序
217     ToplogicalSort(&G);
218     return 0;
219 }
220
221
222 int InitStack(SqStack *S){
223     S->base = (int *) malloc(STACK_INIT_SIZE * sizeof(int));
224     if(!S->base){
225         return -1;
226     }
227     S->top = S->base;
228     S->stacksize = STACK_INIT_SIZE;
229     return 0;
230 }
231
232 int StackEmpty(SqStack *s){
233     if(s->base == s->top){
234         return 0;
235     }else{
236         return -1;
237     }
238 }
239
240 int Push(SqStack *s, int *e){
241     if((s->top-s->base) >= s->stacksize){
242         s->base = (int*)realloc(s->base, (s->stacksize+STACK_INCREMENT)*(sizeof(int)));
243         if(!s->base){
244             return -1;
245         }
246         s->top = s->base + s->stacksize;
247         s->stacksize += STACK_INCREMENT;
248     }
249     if(e == NULL){
250         return -1;
251     }else{
252         *s->top = *e;
253     }
254     s->top += 1;
255     return 0;
256 }
257
258 int Pop(SqStack *s, int *e)
259 {
260     if(s->top == s->base) {
261         return -1;
262     }else{
263         s->top -=1;
264         *e = *s->top;
265         return 0;
266     }
267 }

有向无环图的拓扑排序算法

代码运行

/home/lady/CLionProjects/untitled/cmake-build-debug/untitled
开始创建一个有向图,请输入顶点数，弧数:6,8
输入第1个顶点: V1
输入第2个顶点: V2
输入第3个顶点: V3
输入第4个顶点: V4
输入第5个顶点: V5
输入第6个顶点: V6
输入第1条弧(顶点1, 顶点2): V1,V2
输入第2条弧(顶点1, 顶点2): V1,V3
输入第3条弧(顶点1, 顶点2): V1,V4
输入第4条弧(顶点1, 顶点2): V3,V2
输入第5条弧(顶点1, 顶点2): V3,V5
输入第6条弧(顶点1, 顶点2): V4,V5
输入第7条弧(顶点1, 顶点2): V6,V4
输入第8条弧(顶点1, 顶点2): V6,V5

类型：有向图；顶点数 6, 弧数 8
邻接表:
(0,V1)    (3,V4)    (2,V3)    (1,V2)
(1,V2)
(2,V3)    (4,V5)    (1,V2)
(3,V4)    (4,V5)
(4,V5)
(5,V6)    (4,V5)    (3,V4)
逆邻接表:
(0,V1)
(1,V2)    (2,V3)    (0,V1)
(2,V3)    (0,V1)
(3,V4)    (5,V6)    (0,V1)
(4,V5)    (5,V6)    (3,V4)    (2,V3)
(5,V6)    

对各个顶点求入度...
(0,V1)的入度为0
(1,V2)的入度为2
(2,V3)的入度为1
(3,V4)的入度为2
(4,V5)的入度为3
(5,V6)的入度为0

进行拓扑排序:(5,V6)    (0,V1)    (2,V3)    (1,V2)    (3,V4)    (4,V5)    

Process finished with exit code 0

原文地址：https://www.cnblogs.com/aimmiao/p/10195193.html