图论 —— 图的连通性 —— Tarjan 求强连通分量

2023-05-16

【概述】

Tarjan 算法是基于对图深度优先搜索的算法,每个强连通分量为搜索树中的一棵子树。

搜索时,把当前搜索树中未处理的节点加入一个堆栈,回溯时可以判断栈顶到栈中的节点是否为一个强连通分量。

【基本思路】

定义 DFN(u) 为节点 u 搜索的次序编号(时间戳),即是第几个被搜索到的,Low(u) 为 u 或 u 的子树能够追溯到的最早的栈中节点的次序号。

每次找到一个新点 i,有:DFN(i)=low(i)

当点 u 与点 v 相连时,如果此时(时间为 DFN[u] 时)v不在栈中,u 的 low 值为两点的 low 值中较小的一个

即:low[u]=min(low[u],low[v])

当点 u 与点 v 相连时,如果此时(时间为 DFN[u] 时)v 在栈中,u 的 low 值为 u 的 low 值和 v 的 dfn 值中较小的一个

即:low[u]=min(low[u],dfn[v]) 

当 DFN(u)=Low(u) 时,以 u 为根的搜索子树上所有节点是一个强连通分量。

【流程】

以下图为例,共有三个强连通分量:1234、5、6

从节点 1 开始 DFS,把遍历到的节点加入栈中,搜索到节点 u=6 时,DFN[6]=LOW[6]=4,找到了一个强连通分量 {6}

返回节点 5,发现 DFN[5]=LOW[5]=3,退栈后 {5} 为一个强连通分量。

返回节点 3,继续搜索到节点 4,把 4 加入堆栈。发现节点 4 像节点 1 的后向边,节点 1 还在栈中,所以 LOW[4]=1。节点 6 已经出栈,不再访问 6,返回 3,(3,4) 为树枝边,所以 LOW[3]=LOW[4]=1。

继续回到节点 1,最后访问节点 2。访问边 (2,4),4 还在栈中,所以 LOW[2]=4。返回 1 后,发现 DFN[1]=LOW[1],把栈中节点全部取出,组成一个连通分量 {1,3,4,2}。

至此,算法结束。经过该算法,求出了图中全部的三个强连通分量{1,3,4,2}、{5}、{6}。

【时间复杂度】

通过上述流程分析,运行 Tarjan 算法的过程中,每个顶点都被访问了一次,且只进出了一次堆栈,每条边也只被访问了一次,所以该算法的时间复杂度为 O(N+M)。

【实现】

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<stack>
#include<vector>
#define N 20001
using namespace std;
int n,m;
vector<int> G[N];
stack<int> S;
int dfn[N],low[N];
bool vis[N];//标记数组
int sccno[N];//记录结点i属于哪个强连通分量
int block_cnt;//时间戳
int sig;//记录强连通分量个数
void Tarjan(int x){
    vis[x]=true;
    dfn[x]=low[x]=++block_cnt;//每找到一个新点,纪录当前节点的时间戳
    S.push(x);//当前结点入栈

    for(int i=0;i<G[x].size();i++){//遍历整个栈
        int y=G[x][i];//当前结点的下一结点
        if(vis[y]==false){//若未被访问过
            Tarjan(y);
            low[x]=min(low[x],low[y]);
        }
        else if(!sccno[y])//若已被访问过,且不属于任何一个连通分量
            low[x]=min(low[x],dfn[y]);
    }

    if(dfn[x]==low[x]){//满足强连通分量要求
        sig++;//记录强连通分量个数

        while(true){//记录元素属于第几个强连通分量
            int temp=S.top();
            S.pop();
            sccno[temp]=sig;
            if(temp==x)
                break;
        }
    }
}
int main()
{
    while(scanf("%d%d",&n,&m)!=EOF)
    {
        for(int i=0;i<n;i++)
            G[i].clear();
        while(m--)
        {
            int x,y;
            scanf("%d%d",&x,&y);
            G[x].push_back(y);
        }
        sig=0;
        block_cnt=0;
        memset(vis,0,sizeof(vis));
        memset(dfn,0,sizeof(dfn));
        memset(low,0,sizeof(low));
        memset(sccno,0,sizeof(sccno));

        for(int i=0;i<n;i++)
            if(vis[i]==false)
                Tarjan(i);

        for(int i=0;i<n;i++)
            printf("%d号点属于%d分量\n",i,sccno[i]);
    }
}
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