目錄java
1、圖的實現與應用-1node
2、圖的實現與應用-2git
5、總結數據結構
6、參考資料函數
VertexNode
類和TripleEdge
類這兩個類分別表示圖的頂點和邊。
VertexNode
類包含一個int類型變量key,表示頂點序號,T類型變量element,表示該頂點儲存的元素。TripleEdge
類包含一個int類型變量isExist,表示這條邊是否存在,爲0時不存在,爲1時不存在;一個int類型變量weight,表示邊的權重,初始默認爲1。爲何不加上邊的開始頂點和結束頂點的序號呢?這個問題在後面解釋測試
MatrixGraph
類方法實現this
首先咱們用Arraylist來保存頂點,用一個二維數組matrix來保存邊,這裏解釋下以前的爲何不加上邊的開始頂點和結束頂點的序號,由於matrix[i][j]就表示序號爲i的點到序號爲j的點之間的邊,由於是無向圖,因此在添加matrix[i][j]的同時也要添加matrix[j][i],這個在以後的實現insertEdge()方法時會再講。而後構造函數先實例化ArrayList和二維數組,數組大小先暫定50spa
//count變量表示圖中頂點的個數 private int count, max; //表示鄰接矩陣的二維數組的初始大小 private final int SIZE = 50; //保存頂點結點 private ArrayList<VertexNode<T>> vertexList; //用二維數組表示鄰接矩陣 private TripleEdge matrix[][]; //構造函數,初始化保存頂點的列表和表示鄰接矩陣的二位數組 public MatrixGraph() { vertexList = new ArrayList<>(); matrix = new TripleEdge[SIZE][SIZE]; }
而後先實現最簡單的size()和isEmpty()方法,這個就很少解釋了
//返回圖中頂點個數 public int size() { return count; } //返回圖是否爲空 public boolean isEmpty() { return (count == 0); }
//添加頂點,index爲順序下標,x爲結點元素 public void addVertex(int index,T x) { vertexList.add(new VertexNode<>(index,x)); count++; if(index>=max) max=index+1; if(matrix.length == index) expandCapacity(); for(int i = 0; i< max; i++) { if(!(getVertex(i)==null)) { matrix[index][i] = new TripleEdge(); matrix[i][index] = new TripleEdge(); } } }
解釋一下上面的代碼。傳入頂點下標和頂點元素,將其加入vertexlList中,其中有一個max的整型變量,有很重要的做用,和count不一樣,count在刪除頂點時會自減1,而max不會。設置這個max變量也是爲了實現後面的方法可以更方便。同時也不是每次都自加1,而是當index>=max時把index加1的值賦給max(由於index從0開始,而max是從1開始)。我這裏整體說一下個人構想。假設咱們初始化下面這樣一個二維數組來表示鄰接矩陣,初始長度爲50,那麼初始化的時候每一個元素都是null,代表此時圖爲空,對應的頂點也爲空
接下來咱們添加元素,添加第一個元素時,把二維數組matrix[0][0]初始化爲new TripleEdge(),就代表下標爲0的頂點已經存在了,而此時matrix[0][0]的isExist是0,表明從0到0的邊不存在。而後再添加一個頂點也是相似的,添加序號爲i的頂點,那麼相應的矩陣的第i行和第i列都要置爲new TripleEdge()。若是要刪除頂點,假設刪除頂點的下標爲i,那麼矩陣的第i行和第i列元素都置爲null,這樣與之相關的邊也刪除了。總的來講,每一個matrix中的元素都有三種狀態(不考慮權重,下同),null表示邊和相應的頂點都不存在,0表示頂點存在可是邊不存在,1表示兩個都存在。接下來咱們假設0~4的頂點都添加好了,也添加了一些邊,此時的max就是5,若是刪去下標爲2的頂點,max仍是5,此時要再次添加下標爲2的頂點,那麼max仍是5,但若是添加的元素下標是7呢?那此時max就變成8了。我把max理解爲咱們有效利用二維數組的最大長度。由於當max爲5時,後面的行和列都是null,至關於不存在,沒有用到。那當咱們添加的頂點下標大於50怎麼辦?,那就要擴容
//對二維數組擴容 private void expandCapacity() { TripleEdge larger[][] = new TripleEdge[matrix.length*2][matrix.length*2]; for(int i=0;i<matrix.length;i++) for (int j=0;j<matrix.length;j++) larger[i][j] = matrix[i][j]; matrix = larger; }
擴容以後有一個for循環,有什麼用呢?它的做用是初始化邊。好比你添加了下標爲2的頂點,那麼matrix[0][2]~matrix[2][2]和matrix[2][0]~matrix[2][2]的元素都要初始化,但也是有條件的,若是這些元素中有的頂點不存在呢?因此加一個
if(!(getVertex(i)==null))
,這樣就能夠在其中隨意添加和刪除頂點了。
//刪除下標爲index的頂點 public void removeVertex(int index) throws EmptyCollectionException { //若是爲空,返回異常 if(isEmpty()) throw new EmptyCollectionException("graph"); //若是該頂點不存在,返回異常 else if(getVertex(index) == null) throw new ElementNotFoundException("graph"); else { for (int i = 0; i < vertexList.size(); i++) if (vertexList.get(i).getKey() == index) vertexList.remove(i); //刪除頂點後,把與其相關的邊置爲null for (int i = 0; i < max; i++) { matrix[index][i] = null; matrix[i][index] = null; } count--; } }
這個比較簡單,在vertexList中找到下標爲index的元素,將其刪除,而後把與之相關的邊置爲null,這裏的循環就要用到max了。你們能夠本身畫個矩陣看看爲何是max
//添加從下標爲startIndex到下標爲endIndex的頂點之間的邊 public void insertEdge(int startIndex, int endIndex) { matrix[startIndex][endIndex] = new TripleEdge(1); matrix[endIndex][startIndex] = new TripleEdge(1); }
這裏直接把相應的邊初始化,把isExist變量設置爲1,就表明邊存在了。這裏爲何不擴容呢?由於添加邊以前確定要先添加相應的頂點的,而在添加頂點的時候就已經擴容了(若是有必要的話),因此在這裏就不須要了
//添加帶有權重的邊 public void insertEdge(int startIndex, int endIndex, int weight) { matrix[startIndex][endIndex] = new TripleEdge(1,weight); matrix[endIndex][startIndex] = new TripleEdge(1,weight); }
我還順便實現了一個添加帶有權重的邊,不過這個實驗用不到,就很少說了
//刪除下標爲startIndex到下標爲endIndex的頂點之間的邊 public void removeEdge(int startIndex, int endIndex) { if((matrix[startIndex][endIndex] == null)|| (matrix[startIndex][endIndex].getIsExist() == 0)) { System.out.println("This edge isn't exist!"); } else { matrix[startIndex][endIndex] = new TripleEdge(); matrix[endIndex][startIndex] = new TripleEdge(); } }
刪除的話就把相應的邊的isExist置爲0,即從新初始化。
//返回圖的鄰接矩陣表示 public String toString() { String result ="頂點下標 "; for(int i=0;i<max;i++) if(!(matrix[i][i] == null)) result += i+" "; result += "\n"; for (int i=0;i<max;i++) { if(!(matrix[i][i]==null)) result += " "+i+" "; for (int j = 0; j < max; j++) { TripleEdge edge = matrix[i][j]; if (!(edge == null)) result += edge.getIsExist()*edge.getWeight()+ " "; } if (!(matrix[i][max-1] == null)) result += "\n"; } return result; }
把鄰接矩陣打印出來,遇到爲null的不打印,不爲null的獲取它的isExist*weight的值,咱們這裏weight默認爲1,沒什麼影響。
//返回無向圖的廣度優先迭代器 public Iterator<T> iteratorBFS(int startIndex) { int currentVertex; LinkedQueue<Integer> traversalQueue = new LinkedQueue<>(); ArrayIterator<T> iter = new ArrayIterator<>(); if(!indexIsValid(startIndex)) return iter; boolean visited[] = new boolean[max]; for(int i=0;i<max;i++) visited[i] = false; traversalQueue.enqueue(startIndex); visited[startIndex] = true; while(!traversalQueue.isEmpty()){ currentVertex = traversalQueue.dequeue(); iter.add(getVertex(currentVertex).getElement()); for (int i=0;i<max;i++) if(!(matrix[currentVertex][i] == null)) if(!visited[i]&& (matrix[currentVertex][i].getIsExist()==1)) { traversalQueue.enqueue(i); visited[i] = true; } } return iter; }
算法書上已經講過了,就是按照書上的來,只不過一些if的條件和循環的條件改爲了與我寫的代碼相適應的條件,原理是同樣的。其中indexIsValid方法是本身實現的
//判斷下標是否有效 private boolean indexIsValid(int index) { boolean valid = false; for(int i=0;i<vertexList.size();i++) if(vertexList.get(i).getKey()==index) valid = true; return valid; }
//返回無向圖的深度優先迭代器 public Iterator<T> iteratorDFS(int startIndex) { int currentVertex; LinkedStack<Integer> traversalStack = new LinkedStack<>(); ArrayIterator<T> iter = new ArrayIterator<>(); boolean visited[] = new boolean[max]; boolean found; if(!indexIsValid(startIndex)) return iter; for(int i=0;i<max;i++) visited[i] = false; iter.add(getVertex(startIndex).getElement()); visited[startIndex] = true; while (!(iter.size() == count)) { traversalStack.push(startIndex); while (!traversalStack.isEmpty()) { currentVertex = traversalStack.peek(); found = false; for (int i = 0; i < max && !found; i++) { if (!(matrix[currentVertex][i]==null)&& (matrix[currentVertex][i].getIsExist() == 1) && !visited[i]) { traversalStack.push(i); iter.add(getVertex(i).getElement()); visited[i] = true; found = true; } if (!found && !traversalStack.isEmpty()) { traversalStack.pop(); } } } } return iter; }
深度優先同廣度優先,也是稍微修改一下書上的代碼便可。
在MatrixGraph中我還實現了getVertex和getEdge方法,用來得到頂點和邊,比較簡單,是用來輔助其餘方法實現的
//返回下標爲index的頂點,若是圖爲空,返回EmptyCollectionException public VertexNode<T> getVertex(int index) throws EmptyCollectionException { if(isEmpty()) throw new EmptyCollectionException("graph"); VertexNode<T> result = null; for (int i=0;i<vertexList.size();i++) { if(vertexList.get(i).getKey()==index) { result = vertexList.get(i); } } return result; }
//返回下標爲startIndex到下標爲endIndex的頂點之間的邊 public TripleEdge getEdge(int startIndex, int endIndex) { return matrix[startIndex][endIndex]; }
改用十字鏈表實現無向圖,那麼頂點類和邊類就要從新定義了。按照上圖來從新定義,首先是LinkedVertex類。包含頂點下標,頂點元素,入弧和出弧
package ExpFour; /** * Created by Administrator on 2017/11/22. */ public class LinkedVertex<T> { private int key; private T element; private LinkedEdge<T> in, out; public LinkedVertex(int key,T element) { this.key = key; this.element = element; in = null; out = null; } public int getKey() { return key; } public void setKey(int key) { this.key = key; } public T getElement() { return element; } public void setElement(T element) { this.element = element; } public LinkedEdge<T> getIn() { return in; } public void setIn(LinkedEdge<T> in) { this.in = in; } public LinkedEdge<T> getOut() { return out; } public void setOut(LinkedEdge<T> out) { this.out = out; } public String toString() { return "("+key+","+element+")"; } }
而後是LinkedEdge類,包含弧尾下標,弧頭下標,同弧頭和同弧尾
package ExpFour; /** * Created by Administrator on 2017/11/22. */ public class LinkedEdge<T> { private int headIdx, tailIdx; private LinkedEdge<T> sameHead, sameTail; public LinkedEdge(int tailIdx,int headIdx) { this.tailIdx = tailIdx; this.headIdx = headIdx; sameHead = null; sameTail = null; } public LinkedEdge<T> getSameHead() { return sameHead; } public int getHeadIdx() { return headIdx; } public void setHeadIdx(int headIdx) { this.headIdx = headIdx; } public int getTailIdx() { return tailIdx; } public void setTailIdx(int tailIdx) { this.tailIdx = tailIdx; } public void setSameHead(LinkedEdge<T> sameHead) { this.sameHead = sameHead; } public LinkedEdge<T> getSameTail() { return sameTail; } public void setSameTail(LinkedEdge<T> sameTail) { this.sameTail = sameTail; } public String toString() { return "( 弧尾序號:"+ tailIdx +",弧頭序號:"+ headIdx +")"; } }
方法實現
這幾個比較簡單,和以前差很少,就很少說了
public class LinkedGraph<T> { private int count; private ArrayList<LinkedVertex<T>> vertexList; private ArrayList<LinkedEdge<T>> edgesList; public LinkedGraph() { vertexList = new ArrayList<>(); edgesList = new ArrayList<>(); } public int size() { return count; } public boolean isEmpty() { return (count == 0); }
這個添加方法比鄰接矩陣的簡單,直接加到vertexList中便可
//添加下標爲index的頂點 public void addVertex(int index,T e) { vertexList.add(new LinkedVertex<>(index,e)); count++; }
原理和以前同樣,刪除頂點的同時要刪除相關的邊
//刪除下標爲index的頂點 public LinkedVertex<T> removeVertex(int index) { if(isEmpty()) throw new EmptyCollectionException("graph"); LinkedVertex<T> result = null; for(int i=0;i<vertexList.size();i++) if (vertexList.get(i).getKey() == index) result = vertexList.remove(i); for(int i=0;i<edgesList.size();i++) { LinkedEdge<T> edge = edgesList.get(i); if((edge.getHeadIdx()==index)||(edge.getTailIdx()==index)) { edgesList.remove(i); i--; } } count--; return result; }
在edgesList 中找到弧頭序號爲index或弧尾序號爲index的邊,將其刪除便可
添加邊的方法有些不一樣,添加邊後,要找到對應的弧頭和弧尾,使其指向這條邊。同時,在edgesList中找與其同弧頭或同弧尾的邊,若是該邊的同弧頭或同弧尾爲空,就指向這條新插入的邊。同時,由於是表示無向圖,因此用戶在添加i到j的邊時還要同時添加j到i的邊
//插入邊 public void insertEdge(int tailIdx,int headIdx) { LinkedEdge<T> edge = new LinkedEdge<>(tailIdx,headIdx); if(!edgesList.isEmpty()) { for(int i=0;i<edgesList.size();i++) { if((edgesList.get(i).getSameHead()==null)&& (edgesList.get(i).getHeadIdx()==edge.getHeadIdx())) edge.setSameHead(edgesList.get(i)); if((edgesList.get(i).getSameTail()==null)&& (edgesList.get(i).getTailIdx()==edge.getTailIdx())) edge.setSameTail(edgesList.get(i)); } } edgesList.add(edge); for (int i=0;i<vertexList.size();i++) { LinkedVertex<T> vertex = vertexList.get(i); if((vertex.getKey() == headIdx)&& (vertex.getIn()==null)) { vertex.setIn(edge); vertexList.set(i, vertex); } if((vertex.getKey() == tailIdx)&& (vertex.getOut()==null)) { vertex.setOut(edge); vertexList.set(i, vertex); } } }
刪除邊時要同時刪除兩條,i到j和j到i
//刪除邊 public void removeEdge(int tailIdx,int headIdx) { for (int i = 0; i < edgesList.size(); i++) { LinkedEdge<T> edge = edgesList.get(i); if (((edge.getTailIdx() == tailIdx) && (edge.getHeadIdx() == headIdx)) || ((edge.getTailIdx() == headIdx) && (edge.getHeadIdx() == tailIdx))) edgesList.remove(i); } }
先打印一個頂點,在該頂點後面打印以該頂點爲弧尾的邊
//返回圖的字符串形式 public String toString() { String result = "頂點 以該頂點爲弧尾的邊\n"; for(int i=0;i<count;i++) { LinkedVertex<T> vertex = vertexList.get(i); result += vertex.toString()+" "; for(int j=0;j<edgesList.size();j++) { LinkedEdge<T> edge = edgesList.get(j); if(vertex.getKey() == edge.getTailIdx()) { result += edge.toString()+" "; } } result += "\n"; } return result; }
看似難,其實很簡單。和鄰接矩陣實現的原理同樣,只不過它得到與頂點相連的邊的方式不一樣,也就是把if和for循環的一些條件改一改就好了,代碼比較多,就不貼出來了,能夠在後面的代碼連接裏看
其實這是一個最短路徑的問題,圖類能夠不用寫了,由於以前已經寫好了,並且在鄰接矩陣實現的圖裏我實現了一個添加帶權重的邊的方法,因此我只需在MatrixGraph類中實現一個得到最短路徑的方法就好了。核心算法是Floyd算法,接下來的代碼實現都是在MatrixGraph類的基礎上作的
其實老師在課上講的我並無徹底理解,因此課後我又到網上查了一下Floyd算法的相關內容和一些代碼的實現,經過這些參考才完成這個實驗
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要用Floyd算法,首先要獲得這個圖的帶權矩陣,這個方法就是實現此功能。我以前在第一個實驗裏說過,MatrixGraph類裏有一個二維數組matrix用來存邊,可是若是咱們對圖進行了刪除點的操做,那麼這個數組裏的一些元素是null,不能直接拿來用,因此我須要稍微改一下。
public int[][] getWeightMatrix() { int weight[][] = new int[count][count]; int a=0; for(int i=0;i<max;i++) { if (!(getVertex(i)==null)) { int b=0; for (int j=0;j<max;j++) { if (!(getVertex(j)==null)) { weight[a][b] = matrix[i][j].getIsExist()*matrix[i][j].getWeight(); b++; } } a++; } } return weight; }
首先,獲得的二維數組是整型,而不是TripleEdge類型;數組的長度是count而不是max或者其它。而後開始循環,對matrix中的元素進行判斷,若是它不爲null,則把它的isExist*weight獲得的值賦給weight[a][b],同時b++;若是matrix中的元素爲空,則直接跳過,不進行任何操做,a、b也不會自加1,最終獲得的weight就是圖的帶權二維數組
這個是最主要的方法,能夠獲得最短路徑和最小權值的矩陣(用數組儲存)。用二位數組length存儲從i點到j點的最小權重(在這個實驗裏是最小費用),path是一個三維數組,path[i][j][]中儲存從i點到j點通過的頂點,由於可能不止一個,因此也用數組儲存。
public void floyd() { int data[][]=getWeightMatrix(); int MAX = 100; // 儲存中間點 int[][] spot = new int[count][count]; int [] onePath = new int[count]; length = new int[count][count]; path = new int[count][count][]; // 初始化圖中兩點間的路徑 for (int i = 0; i < count; i++) for (int j = 0; j < count; j++) { // 沒有路徑的兩個點之間的路徑爲默認最大 if (data[i][j] == 0) data[i][j] = MAX; if (i == j) data[i][j] = 0; } for (int i = 0; i < count; i++)// 初始化爲任意兩點之間沒有路徑 for (int j = 0; j < count; j++) spot[i][j] = -1; for (int i = 0; i < count; i++)// 假設任意兩點之間的沒有路徑 onePath[i] = -1; for (int v = 0; v < count; v++) for (int w = 0; w < count; w++) length[v][w] = data[v][w]; for (int u = 0; u < count; u++) for (int v = 0; v < count; v++) for (int w = 0; w < count; w++) // 若是存在更短路徑則取更短路徑 if (length[v][w] > length[v][u] + length[u][w]) { length[v][w] = length[v][u] + length[u][w]; spot[v][w] = u;// 把通過的點加入 } for (int i = 0; i < count; i++) {// 求出全部的路徑 int[] point = new int[1]; for (int j = 0; j < count; j++) { point[0] = 0; onePath[point[0]++] = i; outputPath(spot, i, j, onePath, point); path[i][j] = new int[point[0]]; for (int s = 0; s < point[0]; s++) path[i][j][s] = onePath[s]; } } }
這兩個方法比較簡單,直接獲取length數組和path數組相應位置的元素就行了
public int getMinWeight(int startIdx,int endIdx) { return length[startIdx][endIdx]; } public String getMinPath(int startIdx,int endIdx) { String result = "From " + startIdx + " to " + endIdx + " path is: "; for (int k = 0; k < path[startIdx][endIdx].length; k++) result += path[startIdx][endIdx][k] + " "; return result; }
一個private的方法,用來獲得路徑
private void outputPath(int[][] spot, int i, int j, int[] onePath, int []point) { // 輸出i// 到j// 的路徑的實際代碼,point[]記錄一條路徑的長度 if (i == j) return; if (spot[i][j] == -1) onePath[point[0]++] = j; else { outputPath(spot, i, spot[i][j], onePath, point); outputPath(spot, spot[i][j], j, onePath, point); } }
第一個圖是以前作的,只打印出了最小費用的矩陣,因此雲班課裏之提交了這個。後來補充完整了,加上了最短路徑,後面的圖是測試結果
我感受本次實驗比較特殊,由於前面的數據結構實驗,書上都有代碼,本身只需補充幾個方法就好,但此次基本全是本身寫,因此遇到的問題也比較多。由於有不少問題,有大也有小,並且不少是相互關聯的,因此我以爲單獨寫出來不是很好主要是當時遇到太多問題,只想着解決,沒有記下來,其實大部分我遇到的問題和解決辦法,在寫實驗過程的時候也或多或少嵌入進去了,因此這裏就不單獨寫了。
此次實驗主要是本身用代碼實現圖。前一週課上講的理論知識,都理解了,並且課上的測試,本身畫出幾種圖,也都沒問題,但真正到了本身實現的時候才發現沒有那麼簡單。有不少嘴上說的容易的實現起來卻要考慮不少細節。因此,實踐是真的很重要,本身動手實踐才能更深入的理解理論。
除了Floyd算法找了資料之外,其它兩個實驗原本也想去網上找找資料,可是我看的他們的代碼都是比較總體,頂點類、邊類、圖類是一體的,只能一塊兒照搬,而我又本身定義了頂點類和邊類,很難經過修改網上的代碼來適應本身的代碼,因此就沒有再找資料了。除了老師給的PPT之外,沒有再參考其它的資料