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算法与数据结构基础10:C++实现——拓扑排序
一 定义
拓扑排序是对有向无环图(Directed Acyclic Graph简称DAG)顶点的一种排序,它使得如果存在一条从顶点A到顶点B的路径,那么在排序中B出现在A的后面。
二 先决条件
能够进行拓扑排序图有两个先决条件:有向、无环,即有向无环图。三 偏序全序
连通图:任意两点之间都存在至少一条边偏序:非连通图(有向无环图满足偏序关系)
全序:单连通图
四 结果唯一性
对于仅满足偏序关系的有向无环图中,因为有两个点之间的关系是不确定的,所以导致排序的结果是不唯一的。满足全序关系的有向无环图,两个点之间存在有向边的,因此排序结果唯一。
五 入度排序
该方法的每一步总是输出当前无前趋(即入度为零)的顶点,输出“拓扑次序”。其抽象算法可描述为:
NonPreFirstTopSort(G){//优先输出无前趋的顶点
while(G中有入度为0的顶点)do{
从G中选择一个入度为0的顶点v且输出之;
从G中删去v及其所有出边;
}
if(输出的顶点数目<|V(G)|)//若此条件不成立,则表示所有顶点均已输出,排序成功。
Error("G中存在有向环,排序失败!");
}
注意:
无前趋的顶点优先的拓扑排序算法在具体存储结构下,为便于考察每个顶点的入度,可保存各顶点当前的入度。
为避免每次选入度为0的顶点时扫描整个存储空间,可设一个栈或队列暂存所有入度为零的顶点:
在开始排序前,扫描对应的存储空间,将入度为零的顶点均入栈(队)。以后每次选入度为0的顶点时,只需做出栈(队)操作即可。
六 出度排序
该方法的每一步均是输出当前无后继(即出度为0)的顶点,输出“逆拓扑次序”。算法的抽象描述为:
NonSuccFirstTopSort(G){//优先输出无后继的顶点
while(G中有出度为0的顶点)do {
从G中选一出度为0的顶点v且输出v;
从G中删去v及v的所有入边
}
if(输出的顶点数目<|V(G)|)
Error("G中存在有向环,排序失败!");
}
七 深度优先
当从某顶点v出发的DFS搜索完成时,v的所有后继必定均已被访问过(想像它们均已被删除),此时的v相当于是无后继的顶点,因此在DFS算法返回之前输出顶点v即可得到 DAG的逆拓扑序列。
其中第一个输出的顶点必是无后继(出度为0)的顶点,它应是拓扑序列的最后一个顶点。
若希望得到的不是逆拓扑序列,可增加T来保存输出的顶点。若假设T是栈,并在DFSTraverse算法的开始处将T初始化,
利用DFS求拓扑序列的抽象算法可描述为:
void DFSTopSort(G,i,T){
//在DisTraverse中调用此算法,i是搜索的出发点,T是栈
int j;
visited[i]=TRUE; //访问i
for(所有i的邻接点j)//即<i,j>∈E(G)
if(!visited[j])
DFSTopSort(G,j,T);
//以上语句完全类似于DFS算法
Push(&T,i); //从i出发的搜索已完成,输出i
}
八 代码
只实现了出度的,另外两种差不多,没有写。// GraphList.h(在此文的代码基础上修改 算法与数据结构基础8:C++实现有向图——邻接表存储)
#include <iostream> #include <cstdio> #include <stack> #include <queue> using namespace std; // 边 struct Edge{ int vName; int weight;// 权值 struct Edge* next; }; // 顶点(链表头) struct Vertex{ int vName; int in;// 入度 int out; // 初度 struct Edge* next; }; // 有向图 class GraphList { public: ~GraphList(); void createGraph(); void printGraph(); bool topsortInDegree(); bool topsortOutDegree(); private: // 1. 输入定点数 void inputVertexCount(); // 2. 生成定点数组 void makeVertexArray(); // 3. 输入边数 void inputEdgeCount(); // 4. 输入边的起始点 void inputEdgeInfo(); // 5. 添加边节点至对应的链表中 void addEdgeToList(int vFrom, int weight, int vTo); private: int m_vCount; int m_eCount; Vertex* m_vVertex; }; GraphList::~GraphList(){ for (int i = 0; i < m_vCount; ++i){ Edge* tmp = m_vVertex[i].next; Edge* edge = NULL; while(tmp){ edge = tmp; tmp = tmp->next; delete edge; edge = NULL; } } delete[] m_vVertex; } void GraphList::inputVertexCount() { cout << "please input count of vertex:"; cin >> m_vCount; } void GraphList::makeVertexArray() { m_vVertex = new Vertex[m_vCount]; // 初始化 for (int i = 0; i < m_vCount; ++i){ m_vVertex[i].vName = i; m_vVertex[i].next = NULL; m_vVertex[i].in = 0; m_vVertex[i].out = 0; } } void GraphList::inputEdgeCount() { cout << "please input count of edge:"; cin >> m_eCount; } void GraphList::inputEdgeInfo() { cout << "please input edge information:" << endl; for (int i = 0; i < m_eCount; ++i){ cout << "the edge " << i << ":" << endl; // 起点 int from = 0; cout << "From: "; cin >> from; // 权值 int weight = 0; cout << "Weight:"; cin >> weight; // 终点 int to = 0; cout << "To: "; cin >> to; cout << endl; addEdgeToList(from, weight, to); } } void GraphList::addEdgeToList(int vFrom, int weight, int vTo) { Edge* edge = new Edge(); edge->vName = vTo; edge->weight = weight; edge->next = NULL; Edge* tmp = m_vVertex[vFrom].next; if (tmp){ while(tmp->next){ tmp = tmp->next; } tmp->next = edge; }else{ m_vVertex[vFrom].next = edge; } ++m_vVertex[vTo].in; // 终点入度加1 ++m_vVertex[vFrom].out; // 起点初度加1 } void GraphList::printGraph() { for (int i = 0; i < m_vCount; ++i){ Edge* tmp = m_vVertex[i].next; cout << "list:" << m_vVertex[i].vName << "(in:" << m_vVertex[i].in << ")"<< "->"; while(tmp){ cout << "(weight:" << tmp->weight << ")"; cout << tmp->vName << "->"; tmp = tmp->next; } cout << "NULL" << endl; } } bool GraphList::topsortInDegree() { stack<Vertex*> vertexStack; queue<Vertex*> vertexQueue; int* degree = new int[m_vCount];// 声明一个临时变量,保存入度值,作操作,避免影响原始节点中的数据 // 1 统计入度为0的点 for(int i = 0; i < m_vCount; ++i){ degree[i] = m_vVertex[i].in; if(!degree[i]){ vertexStack.push(&m_vVertex[i]); } } int count = 0; while(!vertexStack.empty()){ // 保存入度为0的点 Vertex* tmp = vertexStack.top(); vertexStack.pop(); vertexQueue.push(tmp); ++count; // 2 从图中删除该结点以及它的所有出边(即与之相邻点入度减1) Edge* edge = tmp->next; while(edge){ Vertex* vertex = &m_vVertex[edge->vName]; --degree[edge->vName]; if (!degree[edge->vName]){ vertexStack.push(vertex); } edge = edge->next; } } // 判断是否有环 if (count < m_vCount) { return false; } // 输出排序结果 while(!vertexQueue.empty()){ Vertex* tmp = vertexQueue.front(); vertexQueue.pop(); cout << tmp->vName << " "; } cout << endl; delete[] degree; return true; } // ************************************************************************** // 流程控制 // ************************************************************************** void GraphList::createGraph() { inputVertexCount(); makeVertexArray(); inputEdgeCount(); inputEdgeInfo(); }
// main.cpp
// test for GraphList #include "GraphList.h" #include <cstdlib> int main() { GraphList graph; graph.createGraph(); graph.printGraph(); graph.topsort(); system("pause"); return 0; }
假如有图如下:(就是用的前面两节的图)
结果:
算法与数据结构基础10:C++实现——拓扑排序
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