【数据结构和算法】图的各类概念与图的存储结构(还有十字链表与邻接多重表的介绍)

简介: 【数据结构和算法】图的各类概念与图的存储结构(还有十字链表与邻接多重表的介绍)

一、图的基本概念和术语


定义:图是顶点和边的集合

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无向图:每条边都是无方向的

有向图:每条边都是有方向的

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完全图:任意两个点都有一条边相连

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图、网、邻接、关联

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顶点的度:

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简单路径与回路

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联通图(无方向)、强连通图(有方向)

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权与网

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子图

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连通分量(无方向)

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强连通分量(有方向)

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级小连通子图与生成树

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图的类型定义

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图的操作

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二、图的存储结构


1、邻接矩阵表示法

图的表示方法

image.png

无向图的邻接矩阵表示法

(两个顶点之间有边,则相关的值则为1)

image.png

分析1:无向图的邻接矩阵是对称的,其斜线全部为0。

分析2:顶点i的度 = 第i行(列)中1的个数。

分析3:完全图的邻接矩阵中,对角线元素为0,其余为1。


有向图的邻接矩阵表示法

(以自身为起点,到其他的点,则记为1)

image.png

分析1:不再对称,由于具有方向性,但对角线依然为0。

分析2:顶点的出度 = 第i行元素之和

分析3:顶点的入度 = 第i列元素之和

分析4:顶点的度 = 第i行元素之和 + 第i列元素之和


网的邻接矩阵表示法

(边上带有权值的图表示方式)

image.png


邻接矩阵存储表示

方法:用两个数组分别存储顶点表和邻接矩阵

image.png

代码如下:


//采用邻接矩阵表示法创建无向网
#define MaxInt 32767  //表示极大值,既∞
#define MVNum100    //最大顶点数
typedef char VerTexType;  //设顶点数据类型为字符型
typedef int ArcType;  //假设边的权值类型为整形
typedef struct{
  VerTexType vex[MVNum];  //顶点表
  ArcType arcs[MVNum][MVNum]; //邻接矩阵
  int vexnum arcnum;    //图的当前点数和边数
}AMGraph; //Adjacency Matrix Graph
//在图中查找顶点
int LocateVex(AMGraph G, VertexType u){
  //在图G中查找顶点u,存在则返回顶点表中的小标,否则返回-1
  int i;
  for(i = 0; i < G.vexnum; i++)
  if( u == G.vexs[i] )  
    return i;
  return -1;
}
Status CreateUDN(AMGraph &G){
  //采用邻接矩阵表示法,创建无向网G
  cin >> G.vexnum >> G.arcnum;  //输入总顶点数,总边数
  for( i = 0; i < G.vexnum; i++)  //依次输入点的信息
  cin >> G.vexs[i];
  for(i = 0; i < G.vexnum; i++) //初始化邻接矩阵,边的权值均设置为极大值
  for( j = 0; j < G.vexnum; j++)
    G.arcs[i][j] = MaxInt;
  for( k = 0; k < G.arcnum; k++){ //构建邻接矩阵
  cin >> v1 >> v2 >> w;  //输入一条边所依附的顶点及边的权值
  i = LocateVex(G,v1);  //确定v1,v2在G中的位置
  j = LocateVex(G,v2);
  G.arcs[i][j] = w;   //置权值
  G.arcs[j][i] = G.arcs[i][j];
  }
  return OK;
}


ps:有向图,有向网,无向图,无向网


如果创建的为无向图,此时没有权值,所以只需要把权值更改为01;

如果创建的为有向网,此时是有方向的,所以只需要构建一条弧,其不是对称矩阵,也就是对称的元素不需要赋值。

权值与1,无穷大与0。


邻接矩阵存储表示的优缺点

优点:

image.png

缺点

image.png


2、邻接表表示法

表示方法,以无向图为例,如下所示:

无向图邻接表表示方式

表示方法:

image.png

(如果是一个网,则可以在边的表示结构中再增加一个内容–权值)

邻接矩阵是唯一的,但是邻接表是不唯一的,节点可以交换顺序。(哈夫曼树的构造也不算唯一的)

特点:

image.png


有向图临界表表示方式

(在有向图中,由于具有方向,因此不需要把同一条表保存两次)


表示方法:只记录以其为结尾的为弧

image.png


出度简单,就是节点的个数。

但是入度的计算比较的麻烦,需要遍历整个邻接表来寻找该结点。

此外,还可以有逆邻接表,也就是入度链接表,而通常的邻接表为出度临界表。

其区别与特点如下:(根据实际来做选择)

image.png


例子:根据邻接表(出度表),画出该网络

image.png


图的邻接表存储表示

边结点结构

image.png

代码如下:

#define MVNum 100    //最大顶点数
typedef struct ArcNode{   //边结点
  int adjvex;     //该边所指向的顶点的位置
  struct ArcNode *nextarc;  //指向下一条边的指针
  OtherInfo info;    //和边相关的信息
}ArcNode;


顶点结构表示

image.png

代码如下:

typedef struct VNode{
  VerTexType data;  //顶点信息
  ArcNode *firstarc;  //指向第一条衣服该顶点的边的指针
}VNode,AdjList[MVNum];  //AdjList表示邻接表类型
//AdjList v;  相当于:VNode v[MVNum];


图的结构定义

typedef struct{
  AdjList vertices; //图,邻接表的数据
  int vexnum,arcnum;  //图当前顶点数和弧数
}


邻接表的操作举例说明:

image.png


创建无向网算法

算法思想

image.png


采用邻接表表示法创建无向网

代码如下:

Status CreateUDG(ALGaph &G){    //采用邻接表示法,创建无向图G
  cin >> G.vexnum >> G.arcnum;  //输入总顶点数,总边数
  for( i = 0; i < G.vexnum; i++){  //输入各点,构造表头结点表
  cin >> G.vertices[i].data;  //输入顶点值
  G.vertices[i].firstarc = NULL;  //初始化表头结点的指针域
  }
  for( k = 0; k < G.arcnum; k++){  //输入各边,构造邻接表
  cin >> v1 >> v2;    //输入一条边依附的两个顶点
  i = LocateVex(G,v1);    //找到v1数据的下标
  j = LocateVex(G,v2);    //找到v2数据的下标
  //只要这四语句,建立出度边(邻接表)
  p1 = new ArcNode;    //生成一个新的边结点*p1
  p1->adjvex = j;     //邻接点序号为j
  p1->nextarc = G.vertices[i].firstarc;
  G.vertices[i].firstarc = p1;  //将新节点*p1头插到vi的边表头部
  //值要这四语句,建立入度边(逆邻接矩阵)
  p2 = new ArcNode;    //生成一个新的边结点*p2
  p2->adjvex = i;     //邻接点序号为i
  p2->nextarc = G.vertices[j].firstarc;
  G.vertices[j].firstarc = p2;  //将新节点*p2头插到vi的边表头部
  }
  return OK;
}


邻接表的特点

特点:

image.png

  • 邻接矩阵与邻接表的联系:邻接表汇总每个链表对应于邻接矩阵中的一行,链表中结点个数等于一行中非零元素的个数。
  • 邻接矩阵与邻接表的区别:


  1. 对于任一确定的无向图,邻接矩阵是唯一的(行列号与顶点编号一致),但邻接表是不唯一的(链接次序与顶点编号无关)。
  2. 邻接矩阵的空间复杂度为O(n2),而邻接表的空间复制度为O(n+e)(顶点数加边数)。

总结:邻接矩阵多用于稠密图;而邻接表多用于稀疏图。


3、十字链表(简单介绍)

  1. 引子

 由上诉的邻接表的特点可知,对于求有有向图的度比较麻烦,需要遍历整个的邻接表,这里提出了一种改进的方法:十字链表(将邻接表与逆邻接表结合在 一起)


  1. 顶点节点结构:

image.png

data:数据域

firstin:第一条入弧

firstout:第一条出弧


  1. 弧结点结构:

image.png

tailvex:弧尾位置

headvex:弧头位置

hlink:弧头相同的下一条弧

tlink:弧尾相同的下一条弧


  1. 十字链表例子:

image.png

总结:

 以上,便可以顺着一个链表找到这个节点的所以出度和入读,也就知道了这个节点的度的大小。出度的多少,入度的多少都非常容易计算,不再需要遍历整个邻接表。


4、邻接多重表(简单介绍)

解决的问题

image.png


解决的思路:存储边的时候,只存储一条。


使用的例子

image.png

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