图的遍历课程设计.docx
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图的遍历课程设计
程设计任务书
设计题目
图的遍历
学生姓名
方萌萌
所在院系
计算机科学与信息工程系
专业、年级、班
08网络工程一班
设计要求:
实现以下几个功能
1、实现图的深度优先;
2、实现图的广度优先;
3、输出原图结构及遍历结果。
学生应完成的工作:
(1)根据课程设计要求,分析思路并构建模型,划分子模块、完善其功能;
(2)根据各模块的功能设计并编写程序段、连接各程序段使之形成一个有机的整体;
(3)调试、运行程序进而得到正确的结果;
(4)根据实验设计运行过程,写出实验论文并总结实验教训。
参考文献阅读:
数据结构程序设计(苏仕华等,机械工业出版社);
c语言程序设计(潭浩强第二版,清华大学出版社);
数据结构(吴伟民等c语言版,清华大学出版社);
C++程序设计导学(李春葆等清华大学出版社)。
工作计划:
(1)2010.6.7–9分析课程题目设计要求,构建模型,划分子模块进行分工合作;
(2)2010.6.10–13根据设计要求和模块写出各部分相应的程序代码;
(3)2010.6.14–15组合并调试程序,得到相应的实验结果;
(4)2010.6.16-19根据设计过程写出实验论文并总结
任务下达日期:
2010年6月5日
任务完成日期:
2010年6月5日
指导教师(签名):
学生(签名):
图的遍历
2.设计方案
2、1总体设计流程
1图的初始化
定义图并初始化图
2.建立图的邻接表
3.图的遍历
1.图的深度优先搜索
2.图的广度优先搜索
2、2图的遍历的模块化
1.图的存储结构;
2.图的输入;
3.BFS和DFS编码;
3.方案实施
3.1实验的基本思想和基本原理
和树的遍历类似,图的遍历也是从某个顶点出发,沿着某条搜索路径对图中每个顶点各做一次且仅做一次访问。
它是许多图的算法的基础。
遍历常用两种方法:
深度优先搜索遍历;广度优先搜索遍历
3.2图的遍历
3.2.1图的深度优先搜索
深度优先搜索是一种递归的过程,正如算法名称那样,深度优先搜索所遵循的搜索策略是尽可能“深”地搜索图。
在深度优先搜索中,对于最新发现的顶点,如果它还有以此为起点而未探测到的边,就沿此边继续下去。
当结点v的所有边都己被探寻过,搜索将回溯到发现结点v有那条边的始结点。
这一过程一直进行到已发现从源结点可达的所有结点为止。
如果还存在未被发现的结点,则选择其中一个作为源结点并重复以上过程,整个进程反复进行直到所有结点都被发现为止。
<1>图的深度优先遍历的递归定义
假设给定图G的初态是所有顶点均未曾访问过。
在G中任选一顶点v为初始出发点(源点),则深度优先遍历可定义如下:
首先访问出发点v,并将其标记为已访问过;然后依次从v出发搜索v的每个邻接点w。
若w未曾访问过,则以w为新的出发点继续进行深度优先遍历,直至图中所有和源点v有路径相通的顶点(亦称为从源点可达的顶点)均已被访问为止。
若此时图中仍有未访问的顶点,则另选一个尚未访问的顶点作为新的源点重复上述过程,直至图中所有顶点均已被访问为止。
图的深度优先遍历类似于树的前序遍历。
采用的搜索方法的特点是尽可能先对纵深方向进行搜索。
这种搜索方法称为深度优先搜索(Depth-FirstSearch)。
相应地,用此方法遍历图就很自然地称之为图的深度优先遍历。
<2>深度优先搜索的过程
设x是当前被访问顶点,在对x做过访问标记后,选择一条从x出发的未检测过的边(x,y)。
若发现顶点y已访问过,则重新选择另一条从x出发的未检测过的边,否则沿边(x,y)到达未曾访问过的y,对y访问并将其标记为已访问过;然后从y开始搜索,直到搜索完从y出发的所有路径,即访问完所有从y出发可达的顶点之后,才回溯到顶点x,并且再选择一条从x出发的未检测过的边。
上述过程直至从x出发的所有边都已检测过为止。
此时,若x不是源点,则回溯到在x之前被访问过的顶点;否则图中所有和源点有路径相通的顶点(即从源点可达的所有顶点)都已被访问过,若图G是连通图,则遍历过程结束,否则继续选择一个尚未被访问的顶点作为新源点,进行新的搜索过程。
算法思路:
(1)、首先访问一个顶点vi(初始点),将其标记为已访问过(因为图的每个顶点可能有多个前驱和后继,所以当一个顶点被访问以后,必须记录它已经被访问,以避免再次被访问,为此设置一个辅助数组visited[n],它的每个元素的初值均为逻辑值假(false),即为常量0,表明尚未被访问,一旦访问了顶点vi,就将对应元素visited[i]设置为逻辑值真,即为常量1,表明vi已被访问)。
(2)、然后从vi的任一未被访问过的邻接点出发进行深度优先搜索遍历,当vi所有邻接点均被访问过,则退回到上一个顶点vk,从vk的另一个未被访问过的邻接点出发进行深度优先搜索遍历,直到退回到初始点并且没有未被访问过的邻接点为止。
(1)访问vo,记录visited[0]=True,从v0的一个未被访问过的邻接点v1出发遍历;
(2)访问v1,visited[1]=True,从v1的一个未被访问过的邻接点v4出发遍历;
(3)访问v4,visited[4]=True,从v4的一个未被访问过的邻接点v5出发遍历;
(4)访问v5,visited[5]=True,由于v5的两个邻接点v1和v4都被访问过,退回上一邻接点v4,又v4的两个邻接点v1和v5都被访问过,再退回上一邻接点v1,从未被访问过邻接点V6出发遍历;
(5)访问v6,visited[6]=True,从v6的一个未被访问过的邻接点v2出发遍历;
(6)访问v2,visited[2]=True,v2所有邻接点都访问过,退回上一顶点v6,同理,v6退回v1,v1退回v0,再从v0未被访问过邻接点v3出发遍历;
(7)访问v3,visited[3]=True,退回v0,因所有邻接点都访问过,再退回,结束。
3.2.2图的广度优先搜索
广度优先搜索算法(又称宽度优先搜索)是最简便的图的搜索算法之一,这一算法也是很多重要的图的算法的原型。
<1>广度优先搜索的基本思想
首先访问图中指定的起始点Vi并将其标记为已访问过,然后由Vi出发访问与它相邻接的所有顶点Vj、Vk……,并均标记为已访问过,然后再按照Vj、Vk……的次序,访问每一个顶点的所有未被访问过的邻接顶点,并均标记为已访问过,下一步再从这些顶点出发访问与它们相邻接的尚未被访问的顶点,如此做下去,直到所有的顶点均被访问过为止
在广度优先搜索中,若对顶点V1的访问先于顶点V2的访问,则对V1邻接顶点的访问也先于V2邻接顶点的访问。
就是说广度优先搜索中对邻接点的寻找具有“先进先出”的特性。
因此,为了保证访问顶点的这种先后关系,需借助一个队列暂存那些刚访问过的顶点。
设此队列由一个一维数组构成,数组名为Queue,队首指针和队尾指针分别为front和rear。
假设数组足够大,不必考虑有溢出的可能性。
广度优先搜索不是递归过程,不能用递归形式。
<2>遍历过程
(1)访问v0,visited[0]=True
(2)访问v0所有未访问过邻接v1和v2,visited[1]=True,visited[2]=True;
(3)访问v1所有未被访问过的邻接点v3和v4,v5,并将它们标记已访问过;
(4)访问v2所有未被访问过的邻接点v6,visited[6]=True;
(5)访问v3所有未被访问过的邻接点v7,visited[7]=True;
(6)访问v4所有未被访问过的邻接点(无)
(7)访问v5所有未被访问过的邻接点v8,visited[8]=True;
(8)访问v6所有未被访问过的邻接点(无);
(9)依次访问v7,v8所有未被访问过的邻接点(无),结束。
4.算法描述
4.1图的初始化。
4.1.1定义图
typedefstructnode{/*边表结点*/
intadjvex;/*邻接点域*/
structnode*next;/*链域*/
}EdgeNode;
typedefstructvnode{/*顶点表结点*/
charvertex;/*顶点域*/
EdgeNode*firstedge;/*边表头指针*/
}VertexNode;
typedefVertexNodeAdjList[MaxVertexNum];/*AdjList是邻接表类型*/
typedefstruct{
AdjListadjlist;/*邻接表*/
intn,e;/*图中当前顶点数和边数*/
}ALGraph;/*图类型*/
4.1.2建立图的邻接表
voidCreatALGraph(ALGraph*G)
{
inti,j,k;
chara;
EdgeNode*s;/*定义边表结点*/
printf("InputVertexNum(n)andEdgesNum(e):
");
scanf("%d,%d",&G->n,&G->e);/*读入顶点数和边数*/
scanf("%c",&a);
printf("InputVertexstring:
");
for(i=0;in;i++)/*建立边表*/
{
scanf("%c",&a);
G->adjlist[i].vertex=a;/*读入顶点信息*/
G->adjlist[i].firstedge=NULL;/*边表置为空表*/
}
printf("Inputedges,CreatAdjacencyList\n");
for(k=0;ke;k++){/*建立边表*/
scanf("%d%d",&i,&j);/*读入边(Vi,Vj)的顶点对序号*/
s=(EdgeNode*)malloc(sizeof(EdgeNode));/*/生成边表结点*/
s->adjvex=j;/*邻接点序号为j*/
s->next=G->adjlist[i].firstedge;
G->adjlist[i].firstedge=s;/*将新结点*S插入顶点Vi的边表头部*/
s=(EdgeNode*)malloc(sizeof(EdgeNode));
s->adjvex=i;/*邻接点序号为i*/
s->next=G->adjlist[j].firstedge;
G->adjlist[j].firstedge=s;/*将新结点*S插入顶点Vj的边表头部*/
}
}
4.2图的遍历。
4.2.1图的深度优先搜索
<1>算法
#defineMAXVEX100
voiddfs(adjlistg,intv,intn)
/*从顶点v出发进行深度优先遍历*/
{
structvexnode*stack[MAXVEX],*p;
intvisited[MAXVEX],top=0;
for(i=1;i<=n;i++)
visited[i]=0;
printf(“%d”,v);
p=g[v].link;
visited[v]=1;
while(top>0||p!
=NULL)
{
while(p!
=NULL)
if(visited[p->adjvex]==1)
p=p->next;
else
{
printf(“%d”,p->adjvex);
visited[p->adjvex]=1;
top++;
stack[top]=p;
p=g[p->adjvex].link;
}
if(top>0)
{
top--;
/*退栈,回溯查找已被访问结点的未被访问过的邻接点*/
p=stack[top];
p=p->next;
}
}
}
<2>时间复杂性
一个有n个顶点、e条边的图,在深度优先搜索图的过程中,找邻接点所需时间为O(e)。
对辅助数组初始化时间为O(n)。
因此,当用邻接表作为图的存储结构时,深度优先搜索图的时间复杂性为O(e+n)。
4.2.2图的广度优先搜索
算法
voidBFSM(MGraph*G,intk)
{以vk为源点对用邻接矩阵表示的图G进行广度优先搜索
inti,j;
CirQueueQ;
InitQueue(&Q);
printf("visitvertex:
%c",G->vexs[k]);//访问源点vk
visited[k]=TRUE;
EnQueue(&Q,k);
while(!
QueueEmpty(&Q)){
i=DeQueue(&Q);//vi出队
for(j=0;jn;j++)//依次搜索vi的邻接点vj
if(G->edges[i][j]==1&&!
visited[j]){//vi未访问
printf("visitvertex:
%c",G->vexs[j]);//访问vi
visited[j]=TRUE;
EnQueue(&Q,j);//访问过的vi人队
}
}//endwhile
}//BFSM
5.结果与结论
5.1源程序代码
#include"stdio.h"
#include"stdlib.h"
#defineMaxVertexNum50/*定义最大顶点数*/
typedefstructnode{/*边表结点*/
intadjvex;/*邻接点域*/
structnode*next;/*链域*/
}EdgeNode;
typedefstructvnode{/*顶点表结点*/
charvertex;/*顶点域*/
EdgeNode*firstedge;/*边表头指针*/
}VertexNode;
typedefVertexNodeAdjList[MaxVertexNum];/*AdjList是邻接表类型*/
typedefstruct{
AdjListadjlist;/*邻接表*/
intn,e;/*图中当前顶点数和边数*/
}ALGraph;/*图类型*/
/*建立图的邻接表*/
voidCreatALGraph(ALGraph*G)
{
inti,j,k;
chara;
EdgeNode*s;/*定义边表结点*/
printf("InputVertexNum(n)andEdgesNum(e):
");
scanf("%d,%d",&G->n,&G->e);/*读入顶点数和边数*/
scanf("%c",&a);
printf("InputVertexstring:
");
for(i=0;in;i++)/*建立边表*/
{
scanf("%c",&a);
G->adjlist[i].vertex=a;/*读入顶点信息*/
G->adjlist[i].firstedge=NULL;/*边表置为空表*/
}
printf("Inputedges,CreatAdjacencyList\n");
for(k=0;ke;k++){/*建立边表*/
scanf("%d%d",&i,&j);/*读入边(Vi,Vj)的顶点对序号*/
s=(EdgeNode*)malloc(sizeof(EdgeNode));/*/生成边表结点*/
s->adjvex=j;/*邻接点序号为j*/
s->next=G->adjlist[i].firstedge;
G->adjlist[i].firstedge=s;/*将新结点*S插入顶点Vi的边表头部*/
s=(EdgeNode*)malloc(sizeof(EdgeNode));
s->adjvex=i;/*邻接点序号为i*/
s->next=G->adjlist[j].firstedge;
G->adjlist[j].firstedge=s;/*将新结点*S插入顶点Vj的边表头部*/
}
}
/*定义标志向量,为全局变量*/
typedefenum{FALSE,TRUE}Boolean;
Booleanvisited[MaxVertexNum];
/*DFS:
深度优先遍历的递归算法*/
voidDFSM(ALGraph*G,inti)
{/*以Vi为出发点对邻接链表表示的图G进行DFS搜索*/
EdgeNode*p;
printf("%c",G->adjlist[i].vertex);/*访问顶点Vi*/
visited[i]=TRUE;/*标记Vi已访问*/
p=G->adjlist[i].firstedge;/*取Vi边表的头指针*/
while(p){/*依次搜索Vi的邻接点Vj,这里j=p->adjvex*/
if(!
visited[p->adjvex])/*若Vj尚未被访问*/
DFSM(G,p->adjvex);/*则以Vj为出发点向纵深搜索*/
p=p->next;/*找Vi的下一个邻接点*/
}
}
voidDFS(ALGraph*G)
{
inti;
for(i=0;in;i++)
visited[i]=FALSE;/*标志向量初始化*/
for(i=0;in;i++)
if(!
visited[i])/*Vi未访问过*/
DFSM(G,i);/*以Vi为源点开始DFS搜索*/
}
/*BFS:
广度优先遍历*/
voidBFS(ALGraph*G,intk)
{/*以Vk为源点对用邻接链表表示的图G进行广度优先搜索*/
inti,f=0,r=0;
EdgeNode*p;
intcq[MaxVertexNum];/*定义FIFO队列*/
for(i=0;in;i++)
visited[i]=FALSE;/*标志向量初始化*/
for(i=0;i<=G->n;i++)
cq[i]=-1;/*初始化标志向量*/
printf("%c",G->adjlist[k].vertex);/*访问源点Vk*/
visited[k]=TRUE;
cq[r]=k;/*Vk已访问,将其入队。
注意,实际上是将其序号入队*/
while(cq[f]!
=-1){//队列非空则执行
i=cq[f];f=f+1;/*Vi出队*/
p=G->adjlist[i].firstedge;/*取Vi的边表头指针*/
while(p){/*依次搜索Vi的邻接点Vj(令p->adjvex=j)*/
if(!
visited[p->adjvex]){/*若Vj未访问过*/
printf("%c",G->adjlist[p->adjvex].vertex);/*访问Vj*/
visited[p->adjvex]=TRUE;
r=r+1;cq[r]=p->adjvex;/*访问过的Vj入队*/
}
p=p->next;/*找Vi的下一个邻接点*/
}
}/*endwhile*/
}
/*主函数*/
voidmain()
{
inti;
ALGraph*G;
G=(ALGraph*)malloc(sizeof(ALGraph));
CreatALGraph(G);
printf("PrintGraphDFS:
");
DFS(G);
printf("\n");
printf("PrintGraphBFS:
");
BFS(G,3);
printf("\n");
}
5.2运行结果
<1>原图:
<2>运行结果:
社.2003.12