图的遍历(DFS & BFS)详解与完整代码+走迷宫

2023-10-30

一、深度优先遍历(DFS)

基本思想:从初始访问结点出发,先访问第一个邻接结点,然后再以该邻接结点作为初始结点,访问它的第一个邻接结点。——优先向纵向挖掘深入,而不是对一个结点的所有邻接结点进行横向访问。
——递归过程!

(深度优先遍历从某个顶点出发,首先访问这个顶点,然后访问该顶点的第一个未被访问的邻结点,以此邻结点为顶点继续访问,同时记录其余未访问的邻接点,当一个顶点的所有邻接点都被访问时,回退一个顶点,将未访问的邻接点作为顶点,重复此步骤,直到所有结点都被访问完为止。)

DFS算法步骤:

(1)访问初始结点v,并标记结点v为已访问;
(2)查找结点v的第一个邻接结点w;
(3)若w存在,则继续执行4,如果w不存在,则回到1(上一个结点),将从v的下一个结点继续;——回溯
(4)若w未被访问,对w进行深度优先遍历递归(即把w当做另一个v,然后进行步骤123);
(5)若w被访问过了,查找结点v的w邻接结点的下一个邻接结点,转到步骤3.
在这里插入图片描述
A——>B——>C——>B——>D——>B——>E

二、广度优先遍历(BFS)

基本思想:类似于一个分层搜索过程,需要使用一个队列以保存访问过的结点的顺序,以便按这个顺序来访问这些结点的邻接结点。

(广度优先遍历从某个顶点出发,首先访问这个顶点,然后找出这个结点的所有未被访问的邻接点,访问时用队列保存访问顺序,访问完后再按顺序访问这些结点的第一个邻接点的所有结点,重复此方法,直到所有结点都被访问完为止。)

BFS算法步骤:

(1)访问初始结点v并标记结点v为已访问;
(2)结点v入队列;
(3)当队列非空时,继续执行,否则算法结束;
(4)出队列,取得队头结点u;
(5)查找结点u的第一个邻接结点w;
(6)若结点u的邻接结点w不存在,则转到步骤3,否则循环执行以下三个步骤;
6.1)若结点w尚未被访问,则访问结点w并标记为已访问;
6.2)结点w入队列;
6.3)查找结点u的继w邻接结点后的下一个邻接结点w,转到步骤6.
在这里插入图片描述
A——B—A—C—B—D
对每个顶点,先把顶点相邻的结点都入队列,然后弹出此顶点,再取出下一个顶点重复此过程

总结:
DFS类似于走迷宫:走不下去再回头,回到前一个岔路口,换条路走;
BFS类似于查人脉网:例如要查查看人脉网中有没有医生,先建立一个朋友名单,先将自己认识的人的人加入名单中,先检查他们有没有当医生的,没有的话,就挨个把朋友的朋友加入到名单中,直至找到,取最短路径。

时间复杂度

DFS:遍历时,对每个顶点至多调用一次dfs函数,因为一旦某个顶点被标记为已访问,就不再从它出发进行搜索。因此,遍历图的过程实质上是对每个顶点查找其邻接点的过程,其耗费的时间取决于对图所采用的存储结构。
一般的用二维数组表示邻接矩阵时,查找每个顶点所需时间复杂度为O(n^2)(n:顶点数)

BFS:时间复杂度为O(n^2),因为每个顶点至多进一次队列,与DFS的区别就在于对顶点的访问顺序不同。

package graph;

import java.util.*;
public class Graph{
	private ArrayList<String> vertexList;//存储顶点集合
	private int[][] edges;//无向图的邻接矩阵
	private int numOfEdges;//表示边的数目
	//存储是否被访问过的状态
	private boolean[] isVisted;

	//构造器
	public Graph(int n){//传入顶点个数
		edges = new int[n][n];
		vertexList = new ArrayList<String>(n);
		numOfEdges = 0;
		
	}
	
	public static void main(String[] args){
		int n=5;//结点个数
		String Vertexs[] = {"A","B","C","D","E"};
		Graph graph = new Graph(n);
		//循环添加顶点
		for(String vertex : Vertexs){
			graph.insertVertex(vertex);
		}

		//添加边:A-B A-C B-C B-D B-E,weight为权值,此处测试设为1,v:1-5代表A-E
		graph.insertEdge(0,1,1);//A-B
		graph.insertEdge(0,2,1);//A-C
		graph.insertEdge(1,2,1);//B-C
		graph.insertEdge(1,3,1);//B-D
		graph.insertEdge(1,4,1);//B-E

		//1.显示邻接矩阵
		graph.showGraph();
		
		//2.测试dfs
		System.out.println("深度优先遍历:");
		graph.dfs();
		
		System.out.println();
		//3.测试bfs(先注释掉dfs)
		System.out.println("广度优先遍历:");
		graph.bfs();
	}
	
	//得到第一个邻接结点的下标
	/*
	 * @return 如果存在,就返回对应的下标,否则返回-1
	 */
	public int getFirstNeighbor(int index) {
		for(int j=0;j<vertexList.size();j++) {
			if(edges[index][j] > 0) {
				return j;
			}
		}
		return -1;
	}
	//获取下一个邻接结点下标:根据前一个邻接结点的下标来获取下一个邻接结点
	public int getNextNeighbor(int v1,int v2) {//v1,v2:前一邻接结点下标
		for(int j = v2+1;j<vertexList.size();j++) {
			if(edges[v1][j] == 1) {
				return j;//表示两个结点边为1,即两结点相连,返回找到的结点的下标
			}
		}
		return -1;
	}
	
	//一、深度优先遍历算法DFS
	public void dfs(boolean[] isVisited,int i) {//i起始为0,即访问起始结点
		//首先访问该结点,并输出
		System.out.print(getValueByIndex(i)+"->");
		//将结点设置为已经访问过
		isVisited[i]=true;
		//找到结点i的第一个邻接结点w
		int w = getFirstNeighbor(i);
		//判断w是否存在
		while(w != -1) {//w存在
			if(!isVisited[w]) {//还未被访问过
				dfs(isVisited,w);
			}
			//如果w结点已经被访问过
			w = getNextNeighbor(i, w);
		}	
	}
	
	//对dfs进行重载,遍历所有结点,并进行dfs
	public void dfs() {
		isVisted = new boolean[5];
		//遍历所有结点,进行dfs
		for(int i=0;i<getNumOfEdge();i++) {
			if(!isVisted[i]) {
				dfs(isVisted,i);
			}
		}
	}
	
	//二、广度优先遍历BFS
	//对一个结点进行广度优先遍历
	private void bfs(boolean[] isVisited,int i) {
		int u;//队列中的头结点对应的下标
		int w;//邻接结点w
		//队列,记录结点访问的顺序
		LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
		//访问该结点
		System.out.print(getValueByIndex(i)+"—>");
		//标记为已访问
		isVisited[i] = true;
		//将结点加入队列
		queue.addLast(i);
		
		while(!queue.isEmpty()) {
			//去除队列的头结点下标
			u = queue.removeFirst();
			//得到第一个邻接结点的下标w
			w = getFirstNeighbor(u);
			while(w != -1) {//存在,找到
				if(! isVisited[w]) {
					System.out.print(getValueByIndex(w)+"—>");
					//标记已经访问
					isVisited[w] = true;
					//入队
					queue.addLast(w);
				}
				//已经访问过:以u为前驱点,找w后面的下一个邻接点(u,w为前一邻接结点)
				w = getNextNeighbor(u,w);//广度优先的体现
			}
		}
	}
	
	//bfs重载,遍历所有的结点,都进行广度优先搜索
	public void bfs() {
		isVisted = new boolean[5];
		for(int i=0;i<getNumOfVertex();i++) {
			if(!isVisted[i]) {
				bfs(isVisted,i);
			}
		}
	}
	
	//构建图的常用方法
	//1.插入结点
	public void insertVertex(String vertex){
		vertexList.add(vertex);
	}

	//2.添加边
	public void insertEdge(int v1,int v2,int weight){//weight为权值,此处测试设为1,v:1-5代表A-E
		edges[v1][v2] = weight;
		edges[v2][v1] = weight;
		numOfEdges++;
	}

	//3.得到边的数目
	public int getNumOfEdge(){
		return numOfEdges;
	}
	
	//返回结点的个数
	public int getNumOfVertex() {
		return vertexList.size();
	}

	//5.返回结点i对应的数据:0——>“A”  1——>“B”
	public String getValueByIndex(int i){
		return vertexList.get(i);
	}

	//6.显示图对应的矩阵
	public void showGraph(){
		for(int[] link : edges){
			System.out.println(Arrays.toString(link));
		}
	}
}

在这里插入图片描述

【例题】走迷宫

定义一个二维数组N*M(其中2<=N<=10;2<=M<=10)
它表示一个迷宫,其中的1表示墙壁,0表示可以走的路,只能横着走或竖着走,不能斜着走,要求编程序找出从左上角到右下角的最短路线。入口点为[0,0],既第一空格是可以走的路。
Input
一个N × M的二维数组,表示一个迷宫。数据保证有唯一解,不考虑有多解的情况,即迷宫只有一条通道。
Output
左上角到右下角的最短路径。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String args[]){
        Scanner sc=new Scanner(System.in);
         while (sc.hasNext()) {
             int m = sc.nextInt();
             int n = sc.nextInt();
             int[][] map = new int[m][n];//定义一个Map矩阵,用来保存地图
             for (int i = 0; i < m; i++) {
                 for (int j = 0; j < n; j++) {
                     map[i][j] = sc.nextInt();//输入地图
                 }
             }
             int[][] dir = {{1, 0}, {0, 1}};//定义两个方向横着走或者竖着走(题目中说只走这两个方向,当前也可以定义多个方向)
             Stack<Node> stack = new Stack<Node>();//定义一个栈,保存路径
             int[][] visited = new int[m][n];//标记是否被访问,这个要和Map大小对应
             Node start = new Node(0, 0);//定义起始位置
             Node end = new Node(m - 1, n - 1);//定义目的位置
             visited[start.x][start.y] = 1;//将起始点标记为访问
             stack.push(start);//将起始点加入栈
             while (!stack.isEmpty()) {//如果栈为空了还没有找到解,说明就没有通路,当然本题不存在无解,题目上说了一定存在一个通路。
                 boolean flag = false;//标记是否找了一个方向
                 Node pek = stack.peek();//获取栈顶元素,注意不需要出栈
                 if (pek.x == end.x && pek.y == end.y) {//如果到达目的地则跳出循环
                     break;
                 } else {
                     for (int i = 0; i < 2; i++) {//循环两个方向
                         Node nbr = new Node(pek.x + dir[i][0], pek.y + dir[i][1]);//找到当前位置的邻居位置坐标并判断是否合法
                         if (nbr.x >= 0 && nbr.x < m && nbr.y >= 0 && nbr.y < n && map[nbr.x][nbr.y] == 0 && visited[nbr.x][nbr.y] == 0) {//判断邻居节点是否合法
                             stack.push(nbr);//合法将邻居位置加入栈
                             visited[nbr.x][nbr.y] = 1;//并标记该节点已经访问
                             flag = true;//找到了一个方向
                             break;//找到了就停止循环,顺着这个方向一直搜索
                         }
                     }
                     if (flag) {//找到了方向,就不用执行下面的出栈,沿着这个方向一直搜下去
                         continue;
                     }
                     stack.pop();//如果两个方向都不能通过,则出栈。
                 }
             }
             Stack<Node> stkRev = new Stack<Node>();//将路径反过来,因为栈中输出的路径是反的
             while (!stack.isEmpty()) {
                 stkRev.push(stack.pop());
             }
             while (!stkRev.isEmpty()) {
                  System.out.println("(" + stkRev.peek().x + "," + stkRev.peek().y + ")");
                 stkRev.pop();
             }
         }
    }
}
class Node{
    int x;
    int y;
    Node(int x,int y){
        this.x=x;
        this.y=y;
    }
}
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