深度搜索和广度搜索 - 图的遍历

数据结构

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一. 图的连接表示

一种表示图的直接方法是使用二维数组，也称为邻接矩阵。通过邻接矩阵表示顶点 i 和 j 之间是否存在一条边（检查邻接矩阵中行 i 和 j 处是否为非零值）。定义数组visited[N] 标记节点是否被访问过。
以下程序：如果在图中顶点 i 和顶点 j 或者顶点 j 和顶点 i 之间存在一条边，就把关联矩阵 G->edges[i][j] 和 G->edges[j][i] 设置为 1 ；如果不存在这样的边，则设置为 0 。

创建图的程序如下：

typedef struct Graph
{
    int edges[MAX][MAX]; //连接矩阵
    int e;  //边数
    int n;  //顶点数
}Graph;
void CreatGraph(Graph* G)
{
    for(int i = 0; i < G->n; i++)
    {
        for(int j = 0; j < G->n; j++)
        {
            G->edges[i][j] = 0; //初始化连接矩阵
        }
        visited[i] = 0; //初始化访问标记
    }
    //输入相连的顶点
    for(int k = 0; k < G->e; k++)
    {
        int s, t, v;
        v = 1;//权重，非0即连接
        printf("Please enter two connected vertices\n");
        scanf("%d%d", &s, &t);
        G->edges[s][t] = v;
    }
}

二. 图的遍历

1. 深度优先搜索算法（Depth-First-Search）

沿着树的深度遍历树的节点，尽可能深的搜索树的分支。当节点v的所有边都己被探寻过，搜索将回溯到发现节点v的那条边的起始节点。这一过程一直进行到已发现从源节点可达的所有节点为止。如果还存在未被发现的节点，则选择其中一个作为源节点并重复以上过程，整个进程反复进行直到所有节点都被访问为止。属于盲目搜索。

如上图所示的无向图，从0 节点开始遍历的顺序：0 -> 1 -> 3 -> 5 -> 4 -> 2
DFS的实现方式一般有两种：递归实现和非递归实现：

递归实现

实现程序简单，比较常用

void DFS(Graph* G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    for(int j = 0; j < G->n; j++)
    {
        if(G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            DFS(G, j);
    }
}

非递归实现：

使用栈压入每一个没有被访问过的节点，由于栈的后进先出的原理，我们总是以最后访问的那一节点（栈顶节点）为起始节点，访问下一个未被访问过的节点，当当前栈顶节点没有后续连接节点要访问时，从栈中弹出。

例如上图从节点 0 开始访问的过程为：
访问 0，压入 0 ，访问 1 压入 1，访问 3 压入 3，访问 5 压入 5， 弹出 5（无与 5 相连且未访问的节点），弹出 3 ，访问 4 （此时栈顶为 1），压入 4，弹出 4，访问 2，弹出 2，弹出 0， 栈空。
遍历的顺序：0 -> 1 -> 3 -> 5 -> 4 -> 2

void DFS1(Graph* G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    Stack s = NULL;
    s = StackInit(s);
    StackPush(s, i);
    while (!StackIsEmpty(s))
    {
        i = StackTop(s);
        int j;
        for (j = 0; j < G->n; j++)
        {
            if (G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            {
                printf("Visiting %d\n", j);
                visited[j] = 1;
                StackPush(s, j);
                break;
            }
        }
        if (j == G->n) //已无与i相连且未访问的节点
        {
            StackPop(s);
        }
    }
}

2. 广度优先搜索算法（Breadth-First-Search）

又译作宽度优先搜索，或横向优先搜索，简称BFS，是一种图形搜索算法。简单的说，BFS是从根节点开始，沿着树的宽度遍历树的节点。如果所有节点均被访问，则算法中止。
使用FIFO队列压入每一个没有被访问过的节点， 由于队列的先进先出的原理，我们总是以最开始访问的那一节点（队列顶节点）为起始节点，访问所有与之相连且未被访问过的节点，当当前队列顶节点没有后续连接节点要访问时，从队列中弹出。

访问顺序为：0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5
遍历过程为： 访问 0 ，压入 0， (队列顶一直为 0 )<访问 1 压入 1，访问 2 压入 2 >，弹出 0 ，(队列顶一直为 1 )<访问 3 压入 3，访问 4 压入 4>，弹出 1，（队顶为2），弹出 2，（队顶为3）访问 5 ，弹出 3，（队顶为4）弹出 4，访问压入5，弹出 5.

void BFS(Graph *G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    Queue q = NULL;
    q = (Queue)malloc(sizeof(q));
    QueueInit(q); //上一句分配内存后，应该初始化后才能正常使用
    QueuePut(q, i);
    while(!QueueIsEmpty(q))
    {
        i = QueueGet(q);
        for(int j = 0; j < G->n; j++)
        {
            if(G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            {
                printf("Visiting %d\n", j);
                visited[j] = 1;
                QueuePut(q, j);
            }   
        }   
    }
}

三.测试主程序

#include<stdio.h>
#include "stack.h"
#include "queue.h"
#define MAX 100
typedef struct Graph Graph;
int visited[MAX];
struct Graph
{
    int edges[MAX][MAX]; //连接矩阵
    int e;  //边数
    int n;  //顶点数
};
//将visited[]全部设为0
void visitedInit(Graph* G, int visited[])
{
    for (int i = 0; i < G->n; i++)
    {
        visited[i] = 0;
    }
}
//创建图（矩阵连接）
void CreatGraph(Graph* G)
{
    for(int i = 0; i < G->n; i++)
    {
        for(int j = 0; j < G->n; j++)
        {
            G->edges[i][j] = 0; //初始化连接矩阵
        }
        visited[i] = 0; //初始化访问标记
    }
    //输入相连的顶点
    for(int k = 0; k < G->e; k++)
    {
        int s, t, v;
        v = 1;//权重，非0即连接
        printf("Please enter the two connected vertices\n");
        scanf("%d%d", &s, &t);
        G->edges[s][t] = v;
    }
}
//递归深度优先搜索
void DFS(Graph* G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    for(int j = 0; j < G->n; j++)
    {
        if(G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            DFS(G, j);
    }
}
//非递归深度优先搜索，栈
void DFS1(Graph* G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    Stack s = NULL;
    s = StackInit(s);
    StackPush(s, i);
    while (!StackIsEmpty(s))
    {
        i = StackTop(s);
        int j;
        for (j = 0; j < G->n; j++)
        {
            if (G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            {
                printf("Visiting %d\n", j);
                visited[j] = 1;
                StackPush(s, j);
                break;
            }
        }
        if (j == G->n)
        {
            StackPop(s);
        }
    }
}
//广度优先搜索
void BFS(Graph *G, int i)
{
    printf("Visiting %d\n", i);
    visited[i] = 1;
    Queue q = NULL;
    q = (Queue)malloc(sizeof(q));
    QueueInit(q); //上一句分配内存后，应该初始化后才能正常使用
    QueuePut(q, i);
    while(!QueueIsEmpty(q))
    {
        i = QueueGet(q);
        for(int j = 0; j < G->n; j++)
        {
            if(G->edges[i][j] != 0 && visited[j] == 0)
            {
                printf("Visiting %d\n", j);
                visited[j] = 1;
                QueuePut(q, j);
            }   
        }   
    }
}
int main()
{
    int n, e;
    Graph* G = (Graph*)malloc(sizeof(*G));
    printf("Please enter the number of vertices and edges\n");
    scanf("%d %d", &n, &e); //输入图的顶点数和边数
    G->n = n;
    G->e = e;
    CreatGraph(G);
    printf("\nDepth-First-Search-1:\n");
    DFS(G, 0);
    visitedInit(G, visited); //将visited[]全部设为0
    printf("\nDepth-First-Search-2:\n");
    DFS1(G, 0);
    visitedInit(G, visited); //将visited[]全部设为0
    printf("\nBreadth-First-Search:\n");
    BFS(G, 0);
    system("pause");
    return 0;
}

结果如下：

四. 源代码下载

http://pan.baidu.com/s/1DAD6u