【数据结构第 6 章 ②】- 用 C 语言实现邻接矩阵

news2024/12/23 10:00:25

目录

一、邻接矩阵表示法

二、AMGraph.h

三、AMGraph.c

四、Test.c

【数据结构第 6 章 ① 】- 图的定义和基本术语-CSDN博客

由于图的结构比较复杂，任意两个顶点之间都可能存在联系，因此无法以数据元素在存储区中的物理位置来表示元素之间的关系，即图没有顺序存储结构，但可以借助二维数组来表示元素之间的关系，即邻接矩阵表示法。另一方面，由于图的任意两个顶点间都可能存在关系，因此，用链式存储表示图是很自然的事，图的链式存储有多种，有邻接表、十字链表和邻接多重表，应根据实际需要的不同，选择不同的存储结构。

一、邻接矩阵表示法

邻接矩阵（Adjacency Matrix）是表示顶点之间相邻关系的矩阵。设 G(V, E) 是具有 n 个顶点的图，则 G 的邻接矩阵是具有如下性质的 n 阶方阵：

例如，图一中的 G1 和 G2 的邻接矩阵如下所示：

若 G 是网，则邻接矩阵可以定义为：

其中 w_{i, j} 表示边上的权值；​\infty 表示计算机允许的，大于所有边上权值的数。例如，下图所示为一个有向网和它的邻接矩阵。

二、AMGraph.h

用邻接矩阵表示法表示图，除了一个用于存储邻接矩阵的二维数组外，还需要用一个一维数组来存储顶点信息。

注意：下面是以无向图为例的。

#pragma once

#define DEFAULT_CAPACITY 10

typedef char VertexType;  // 假定顶点的数据类型为 char
typedef int EdgeType;  // 假定边的权值的数据类型为 int

typedef struct AMGraph
{
	VertexType* vertices;  // 顶点表（vertices 是 vertex 的复数）
	EdgeType** edges;  // 邻接矩阵
	int vSize;  // 当前图中的顶点数
	int eSize;  // 当前图中的边数
	int capacity;  // 容量
}AMGraph;

// 基本操作
void AMGraphInit(AMGraph* pg);  // 初始化

void ShowAdjMatrix(AMGraph* pg);  // 显示邻接矩阵

int GetVetexPos(AMGraph* pg, VertexType v);  // 获取顶点的位置

void InsertVertex(AMGraph* pg, VertexType v);  // 插入顶点
void InsertEdge(AMGraph* pg, VertexType v1, VertexType v2);  // 插入边

void EraseVertex(AMGraph* pg, VertexType v);  // 删除顶点
void EraseEdge(AMGraph* pg, VertexType v1, VertexType v2);  // 删除边

int GetFirstAdjVexPos(AMGraph* pg, VertexType v);  // 获取 v 的第一个邻接顶点的位置
int GetNextAdjVexPos(AMGraph* pg, VertexType v, VertexType w);
// 获取 v 的（相对于 w 的）下一个邻接顶点的位置

void AMGraphDestroy(AMGraph* pg);  // 销毁

三、AMGraph.c

  1. 初始化：

    void AMGraphInit(AMGraph* pg)
{
	assert(pg);
	pg->vSize = pg->eSize = 0;
	pg->capacity = DEFAULT_CAPACITY;

	pg->vertices = (VertexType*)malloc(sizeof(VertexType) * pg->capacity);
	assert(pg->vertices);

	pg->edges = (EdgeType**)malloc(sizeof(EdgeType*) * pg->capacity);
	assert(pg->edges);
	for (int i = 0; i < pg->capacity; ++i)
	{
		pg->edges[i] = (EdgeType*)malloc(sizeof(EdgeType) * pg->capacity);
		assert(pg->edges[i]);
		for (int j = 0; j < pg->capacity; ++j)
		{
			pg->edges[i][j] = 0;
		}
	}
}

  2. 获取顶点的位置：

    int GetVetexPos(AMGraph* pg, VertexType v)
{
	assert(pg);
	for (int i = 0; i < pg->vSize; ++i)
	{
		if (pg->vertices[i] == v)
			return i;
	}
	return -1;
}

  3. 显示邻接矩阵：

    void ShowAdjMatrix(AMGraph* pg)
{
	assert(pg);
	printf("  ");  // 输出两个空格
	for (int i = 0; i < pg->vSize; ++i)
	{
		printf("%c ", pg->vertices[i]);
	}
	printf("\n");

	for (int i = 0; i < pg->vSize; ++i)
	{
		printf("%c ", pg->vertices[i]);
		for (int j = 0; j < pg->vSize; ++j)
		{
			printf("%d ", pg->edges[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
}

  4. 插入顶点：

    void InsertVertex(AMGraph* pg, VertexType v)
{
	assert(pg);
	// 考虑是否需要扩容
	if (pg->vSize == pg->capacity)
	{
		VertexType* tmp1 = (VertexType*)realloc(pg->vertices, sizeof(VertexType) * 2 * pg->capacity);
		assert(tmp1);
		pg->vertices = tmp1;

		EdgeType** tmp2 = (EdgeType**)realloc(pg->edges, sizeof(EdgeType*) * 2 * pg->capacity);
		assert(tmp2);
		pg->edges = tmp2;
		for (int i = 0; i < pg->capacity; ++i)
		{
			EdgeType* tmp3 = (EdgeType*)realloc(pg->edges[i], sizeof(EdgeType) * 2 * pg->capacity);
			assert(tmp3);
			pg->edges[i] = tmp3;
			for (int j = pg->capacity; j < 2 * pg->capacity; ++j)
			{
				pg->edges[i][j] = 0;
			}
		}
		for (int i = pg->capacity; i < 2 * pg->capacity; ++i)
		{
			pg->edges[i] = (EdgeType*)malloc(sizeof(EdgeType) * 2 * pg->capacity);
			assert(pg->edges[i]);
			for (int j = 0; j < 2 * pg->capacity; ++j)
			{
				pg->edges[i][j] = 0;
			}
		}

		pg->capacity *= 2;
	}
	// 插入顶点
	pg->vertices[pg->vSize++] = v;
}

  5. 插入边：

    void InsertEdge(AMGraph* pg, VertexType v1, VertexType v2)
{
	assert(pg);
	int pos1 = GetVetexPos(pg, v1);
	int pos2 = GetVetexPos(pg, v2);
	if (pos1 == -1 || pos2 == -1)
		return;
	
	if (pg->edges[pos1][pos2] != 0)
		return;

	pg->edges[pos1][pos2] = pg->edges[pos2][pos1] = 1;
	++pg->eSize;
}

  6. 删除顶点：

    void EraseVertex(AMGraph* pg, VertexType v)
{
	assert(pg);
	int pos = GetVetexPos(pg, v);
	if (pos == -1)
		return;

	// cnt 为和 v 相关联的边的数目
	int cnt = 0;
	for (int j = 0; j < pg->vSize; ++j)
	{
		if (pg->edges[pos][j] != 0)
			++cnt;
	}

	pg->vertices[pos] = pg->vertices[pg->vSize - 1];

	for (int j = 0; j < pg->vSize; ++j)
	{
		pg->edges[pos][j] = pg->edges[pg->vSize - 1][j];
	}
	for (int i = 0; i < pg->vSize; ++i)
	{
		pg->edges[i][pos] = pg->edges[i][pg->vSize - 1];
	}

	--pg->vSize;
	pg->eSize -= cnt;
}

  7. 删除边：

    void EraseEdge(AMGraph* pg, VertexType v1, VertexType v2)
{
	assert(pg);
	int pos1 = GetVetexPos(pg, v1);
	int pos2 = GetVetexPos(pg, v2);
	if (pos1 == -1 || pos2 == -1)
		return;

	if (pg->edges[pos1][pos2] == 0)
		return;

	pg->edges[pos1][pos2] = pg->edges[pos2][pos1] = 0;
	--pg->eSize;
}

  8. 获取 v 的第一个邻接顶点：

    int GetFirstAdjVexPos(AMGraph* pg, VertexType v)
{
	assert(pg);
	int pos = GetVetexPos(pg, v);
	if (pos == -1)
		return -1;

	for (int j = 0; j < pg->vSize; ++j)
	{
		if (pg->edges[pos][j] != 0)
			return j;
	}
	return -1;
}

  9. 获取 v 的（相对于 w 的）下一个邻接顶点：

    int GetNextAdjVexPos(AMGraph* pg, VertexType v, VertexType w)
{
	assert(pg);
	int pos1 = GetVetexPos(pg, v);
	int pos2 = GetVetexPos(pg, w);
	if (pos1 == -1 || pos2 == -1)
		return -1;

	for (int j = pos2 + 1; j < pg->vSize; ++j)
	{
		if (pg->edges[pos1][j] != 0)
			return j;
	}
	return -1;
}

  10. 销毁：

    void AMGraphDestroy(AMGraph* pg)
{
	assert(pg);
	free(pg->vertices);
	pg->vertices = NULL;

	for (int i = 0; i < pg->capacity; ++i)
	{
		free(pg->edges[i]);
		pg->edges[i] = NULL;
	}
	free(pg->edges);
	pg->edges = NULL;

	pg->vSize = pg->eSize = pg->capacity = 0;
}

四、Test.c

#include "AMGraph.h"
#include <stdio.h>

int main()
{
	AMGraph g;
	AMGraphInit(&g); 
	InsertVertex(&g, 'A');
	InsertVertex(&g, 'B');
	InsertVertex(&g, 'C');
	InsertVertex(&g, 'D');
	InsertVertex(&g, 'E');
	InsertEdge(&g, 'A', 'B');
	InsertEdge(&g, 'A', 'D');
	InsertEdge(&g, 'B', 'C');
	InsertEdge(&g, 'B', 'E');
	InsertEdge(&g, 'C', 'D');
	InsertEdge(&g, 'C', 'E');
	ShowAdjMatrix(&g);
	printf("\n");

	EraseVertex(&g, 'C');
	ShowAdjMatrix(&g);
	printf("\n");

	EraseEdge(&g, 'A', 'B');
	ShowAdjMatrix(&g);
	printf("\n");

	printf("%d\n", GetFirstAdjVexPos(&g, 'A'));  // 3
	printf("%d\n", GetNextAdjVexPos(&g, 'A', 'D'));  // -1
	AMGraphDestroy(&g);
	return 0;
}

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