图(graph)的遍历-----广度优先遍历(BFS)

news2025/1/12 15:59:43

目录

前言

广度优先遍历（BFS）

1.基本概念 

2.算法过程 

图的广度优先遍历

1.邻接矩阵

2.邻接表

3.算法比较

前言

        上一期学习了图的深度优先遍历，（深度优先遍历：图(graph)的遍历----深度优先(DFS)遍历-CSDN博客）那这一期我们接着学习图的广度优先遍历（BFS），对于图的广度优先遍历我们也不陌生，在二叉树的层序遍历也就是广度优先遍历的一种了。那对于图的广度优先遍历有有什么不同呢？我们接着往下看。

二叉树的层序遍历（广度优先遍历）

广度优先遍历（BFS）

1.基本概念 

        广度优先搜索（Breadth First Search）简称广搜或者 BFS，是遍历图存储结构的一种算法，既适用于无向图（网），也适用于有向图（网）。

        广度优先遍历是一种图和树的遍历策略，它的核心思想是从一个起始节点开始，访问其所有邻近节点，然后再按照相同的方式访问这些邻近节点的邻近节点。这种遍历方式类似于波纹在水面上扩散的过程。

在广度优先遍历中，我们通常使用一个队列（Queue）来存储待访问的节点。初始时，将起始节点放入队列。然后，执行以下操作直到队列为空：

  1. 从队列中取出一个节点。
  2. 访问该节点，并将其标记为已访问。
  3. 将该节点的所有未被访问的邻近节点加入队列。

2.算法过程 

 下面给大家看一个示例就知道了。

 对于上图这么一个图，从顶点V1出发开始进行广度优先遍历，其过程如下：

开始访问V1，然后V1入队进行访问操作。

接着就是访问与顶点V1连接的顶点V2和V3，依次入队。

 然后就是访问与V3相连的顶点V4,V5依次入队访问。

再然后就是与顶点V3相连的顶点V6,V7,执行同样的操作。 

 最后就是V8顶点进行访问

 整体结果如下：

看了上面这几个图，我相信大家都理解了广度优先遍历的次序了吧，无非就是一层一层去访问而已。前面我们说过图的两种存储方式，分别是邻接矩阵和邻接表，那下面我们就去学习邻接矩阵和邻接表的广度优先遍历算法，看看同一个图不同的两种存储方式的遍历结果会有那些不同呢？

图的广度优先遍历

广度优先遍历 (Breadth-First-Search,BFS) 要点:

  1. 找到与一个顶点相邻的所有顶点
  2. 标记哪些顶点被访问过，需要一个辅助数组
  3. 需要一个辅助队列

辅助数组visited作用：

是用来标记访问过的节点，初始化全为0，表示都没有访问过，每次访问了一个节点，下标对应的辅助数组的位置设置为1表示已经访问，下次访问之前先去通过visited数组判断这个节点是否访问过，如果访问过就跳过这个节点，反之就进行访问操作。

辅助队列的作用：

用于储存当前访问节点所连接的节点，然后进行入队操作，要去访问的时候就进行出队的操作。

辅助队列代码如下：

头文件(queue.h)代码：

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include <stdbool.h>

//数据类型
typedef struct datatype { 
	char id[10];
	//……
}
ElemType;

//定义节点
typedef struct node {
	ElemType data;
	struct node* next;
}Node;
//定义队列
typedef struct queue {
	int count;	//计数
	Node* front;//指向队头指针
	Node* rear;//指向队尾指针
}Queue;

void Queue_init(Queue* queue);//初始化
bool isEmpty(Queue* queue);//判空
void enQueue(Queue* queue, ElemType data);//入队
Node* deQueue(Queue* queue);//出队
ElemType head_data(Queue queue);//获取队头数据

queue.c代码： 

#include"queue.h"

//初始化
void Queue_init(Queue* queue) {
	assert(queue);
	queue->front = NULL;
	queue->rear = NULL;
	queue->count=0;
}

//创建节点
Node* create_node(ElemType data) {
	Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (new_node) {
		new_node->data = data;
		new_node->next = NULL;
		return new_node;
	}
	else
	{
		printf("ERRPR\n");
	}
}

//判断是否空队列
bool isEmpty(Queue* queue) {
	assert(queue);
	if (queue->count == 0)
	{
		return true;
	}
	return false;
}


//入队
void enQueue(Queue* queue, ElemType data) {
	assert(queue);
	Node* new_node = create_node(data);
	if (queue->rear == NULL) {
		queue->front = new_node;
		queue->rear = new_node;
		queue->count++;
	}
	else
	{
		queue->rear->next = new_node;
		queue->rear = new_node;
		queue->count++;
	}

}

//出队
Node* deQueue(Queue* queue) {
	assert(queue);
	if (!isEmpty(queue)) {
		Node* deNode = queue->front;
		queue->front = deNode->next;
		queue->count--;
		return deNode;
	}
	printf("error\n");
	return NULL;
}


//获取队头数据
ElemType head_data(Queue queue) {
	return queue.front->data;
}

1.邻接矩阵

广度优先遍历代码如下：

//01--邻接矩阵
#include"queue.h"//导入头文件


#define Maxint 32767
#define Maxnum 100//最大顶点数

ElemType;
//图的邻接数组
typedef struct graph {
	ElemType vexs[Maxnum];//图数据
	int matrix[Maxnum][Maxnum];//二维数组矩阵
	int vexnum;//点数
	int arcnum;//边数
}Graph;

//节点id查找下标
int Locate_vex(Graph G, char* id) {
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++)
		if (strcmp(G.vexs[i].id,id)==0)
			return i;
	return -1;
}
//节点id查找这个数据体节点
ElemType Locate_data(Graph G, char* id) {
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++)
		if (strcmp(G.vexs[i].id, id) == 0)
			return G.vexs[i];
}

//构造邻接矩阵(无向图，对称矩阵)(有向图)赋权图
void Create_graph(Graph* G) {
	printf("请输入顶点个数和边的个数：\n");
	scanf("%d %d", &G->vexnum, &G->arcnum);//输入点数边数
	printf("请输入顶点数据:\n");
	for (int i = 0; i < G->vexnum; i++) {
		scanf("%s", G->vexs[i].id);
	}
	for (int x = 0; x < G->vexnum; x++) {
		for (int y = 0; y < G->vexnum; y++) {
			if (x == y)
				G->matrix[x][y] = 0;//对角线初始化为0
			else
				G->matrix[x][y] = Maxint;//其他初始化为Maxint
		}
	}
	printf("请输入边相关数据:\n");
	for (int k = 0; k < G->arcnum; k++) {
		char a[10], b[10];
		int w;
		scanf("%s %s %d", a, b, &w);
		//a->b
		int i = Locate_vex(*G, a);
		int j = Locate_vex(*G, b);
		//矩阵赋值
		G->matrix[i][j] = w;
		G->matrix[j][i] = w;//删掉这个，表示有向图
	}
}

//输出矩阵
void print_matrix(Graph G) {
	printf("矩阵为：\n");
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++) {
		for (int j = 0; j < G.vexnum; j++) {
			if (G.matrix[i][j] == Maxint)
				printf("∞\t");
			else
				printf("%d\t", G.matrix[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
	printf("图的顶点个数和边数：%d,%d\n", G.vexnum, G.arcnum);
}

//访问输出
void visit(Graph G,int loca) {
	printf("%s ", G.vexs[loca].id);
}

//广度优先遍历BFS
void BFS(Graph G, char* id) {
	//辅助数组，标记是否访问过
	int* visited = (int*)malloc(sizeof(int) * G.vexnum);
	memset(visited, 0, sizeof(int) * G.vexnum);//初始化为0表示未访问过

	ElemType begin = Locate_data(G, id);//通过输入的id找到这个数据节点
	Queue q;//定义队列
	Queue_init(&q);//初始化队列
	enQueue(&q, begin);//把第一个节点进行入队操作
	visited[Locate_vex(G,id)] = 1;//visited对应的位置标记为1，表示这个节点已经入队，将进行访问操作

	while (!isEmpty(&q)) {//进入到循环
		int location = Locate_vex(G, head_data(q).id);//找到队头节点在图中的位置(下标)
		//把当前队头节点相连的节点依次入队操作
		for (int i = 0; i < G.vexnum; i++) {
			if (G.matrix[location][i] != 0 && !visited[i]) {
				enQueue(&q, G.vexs[i]);
				visited[i] = 1;//入队后标记为1,
			}
		}
		Node*v = deQueue(&q);//进行出队操作
		location = Locate_vex(G, v->data.id);
		visit(G, location);//访问
	}
}

main函数，测试代码：

int main() {
	Graph G;
	Create_graph(&G);
	print_matrix(G);

	printf("\nBFS:\n");
	BFS(G, "B");
}

输入的图结构如图所示： 

 

2.邻接表

代码如下：

//02--邻接表
#include"queue.h"

//边节点存储结构
typedef struct arcnode {
	int index;//指向顶点的位置
	int weight;//权
	struct arcnode* nextarc;//指向下一个边节点
}Anode;
//顶点结点存储结构
typedef struct vexnode {
	ElemType data;
	Anode* firstarc;
}Vhead;
//图结构
typedef struct {
	Vhead* vertices;
	int vexnum;
	int arcnum;
}Graph;

//顶点id查找下标
int Locate_vex(Graph G, char* id) {
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++)
		if (strcmp(G.vertices[i].data.id,id)==0)
			return i;
	return -1;
}

//顶点编号查找整个数据
ElemType Locate_data(Graph G, char* id) {
	int index;
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++) {
		if (strcmp(G.vertices[i].data.id, id) == 0) {
			index = i;
			break;
		}
	}
	return G.vertices[index].data;
}

//创建头节点
void Create_vexhead(Graph *G,int n) {
	G->vertices = (Vhead*)malloc(sizeof(Vhead) *n);
	if (!G->vertices) {
		printf("ERROR\n");
		exit(-1);
	}
	else {
		for (int i = 0; i < n ; i++) {
			scanf("%s", G->vertices[i].data.id);
			G->vertices[i].firstarc = NULL;
		}
	}
}
//创建一个边节点
Anode* Create_arcnode(int loca, int w) {
	Anode* arc = (Anode*)malloc(sizeof(Anode));
	if (!arc)
	{
		printf("ERROR\n");
		exit(-1);
	}
	arc->index = loca;
	arc->nextarc = NULL;
	arc->weight = w;
	return arc;
}
//创建邻接表(无向图)（有向图）
void Create_graph(Graph* G) {
	printf("输入顶点数和边数:\n");
	scanf("%d %d", &G->vexnum, &G->arcnum);

	printf("输入顶点数据:\n");
	Create_vexhead(G, G->vexnum);

	printf("输入边数据：\n");
	for (int k = 0; k <G->arcnum; k++) {
		ElemType a, b;
		int w;
		scanf("%s%s%d", a.id, b.id, &w);
		int i = Locate_vex(*G, a.id);
		int j = Locate_vex(*G, b.id);
		//头插法
		//a->b
		Anode* p = Create_arcnode(j, w);
		p->nextarc = G->vertices[i].firstarc;
		G->vertices[i].firstarc = p;
		//如果创建有向图的话，直接把下面的代码删掉即可
		//b->a
		Anode* q = Create_arcnode(i, w);
		q->nextarc = G->vertices[j].firstarc;
		G->vertices[j].firstarc = q;
	}
}

//访问
void visit(Graph G, int index) {
	printf("%s ", G.vertices[index].data.id);
}

//输出图
void print(Graph G) {
	printf("以下是图的顶点连接关系：\n");
	for (int i = 0; i < G.vexnum; i++) {
		printf("%s:", G.vertices[i].data.id);
		Anode* cur= G.vertices[i].firstarc;
		while (cur) {
			visit(G, cur->index);
			cur = cur->nextarc;
		}
		printf("\n");
	}
	printf("顶点和边数分别是：%d %d\n", G.vexnum, G.arcnum);
}

//广度优先遍历BFS
void BFS(Graph G, char* begin_id) {
	//visited 标记是否访问
	int* visited = (int*)malloc(sizeof(int) * G.vexnum);
	memset(visited, 0, sizeof(int) * G.vexnum);//初始化0
	ElemType begin = Locate_data(G, begin_id);
	//初始化队列
	Queue qu;
	Queue_init(&qu);
	//起点入队
	enQueue(&qu, begin);
	visited[Locate_vex(G, begin_id)] = 1;

	while (!isEmpty(&qu)) {
		int index=Locate_vex(G,head_data(qu).id);//获取当前队头元素的图位置
		Anode* cur = G.vertices[index].firstarc;//获取队头连接的顶点位置
		while (cur) {
			if (visited[cur->index] == 0) {
				//如果是未访问过的话，就进行入队操作
				enQueue(&qu, G.vertices[cur->index].data);
				visited[cur->index] = 1;
			}
			cur = cur->nextarc;
		}
		//出队列，遍历
		Node* p = deQueue(&qu);
		visit(G, Locate_vex(G, p->data.id));
	}
}

int main() {
	Graph G;
	Create_graph(&G);
	print(G);

	printf("广度优先遍历结果:\n");
	BFS(G, "A");
	
}

测试结果：

3.算法比较

时间复杂度

邻接矩阵

如果使用邻接矩阵，则BFS对于每一个被访问到的顶点，都要循吓检测矩阵中的整整一行（ n个元素)，总的时间代价为O(n^2)。

邻接表

用邻接表来表示图，虽然有2e个表结点，但只需扫描e个结点即可完成遍历，加上访问n个头结点的时间，时间复杂度为O(n+e)。

空间复杂度

空间复杂度相同，都是O(n)(借用了堆栈或队列)  。

以上就是本期的全部内容了，我们下次见咯！ 

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