图的操作实验

图的操作

一、 实验目的

（1）掌握图的邻接矩阵和邻接表存储结构。

（2）熟练图的邻接表的基本运算。

（3）加深图的深度优先遍历算法和广度优先遍历算法的理解。

（4）领会最小生成树和最短路径问题的求解及相关算法设计。

二、 实验要求

有下图所示的带权有向图及其对应的邻接矩阵,编写一个程序,实现图的各种基本运算和下面main函数中的每一步功能。

（1）依据所给的邻接矩阵，创建上图的邻接表存储，并输出邻接表结构；

（2）输出从顶点0出发的一个深度优先遍历序列

（3）输出从顶点0出发的一个广度优先遍历序列

（4）采用克鲁斯卡尔算法求顶点0出发的一棵最小生成树

（5）采用克鲁斯卡尔算法求顶点0出发的一棵最小生成树

（6）采用迪杰斯特拉算法求顶点0出发到达其他各顶点的最短路径及最短路径长度

（7）销毁图的邻接表

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<string.h>
typedef char InfoType;
using namespace std;
typedef int ElemType;
using namespace std;
#define MAXY 5
#define INF 32767 // 无穷
#define MaxSize 1000

typedef struct {
	int u; // 边的起始顶点
	int v; // 边的终止顶点
	int w; // 边的权值
} Edge;

typedef struct {
	int n; // 图的顶点数
	int e; // 图的边数
	int edges[MAXY][MAXY]; // 邻接矩阵表示图的边
} MatGraph;

typedef struct ANode
{
	int adjvex;//该边邻接点编号
	struct ANode* nextarc;//指向下一条边的指针
	int weight;//该边的相关信息，例如权值

}ArcNode;
typedef struct Vnode
{
	InfoType data;//顶点其他信息
	ArcNode* firstarc;//指向第一个边结点
}VNode;
typedef struct
{
	VNode adjlist[MAXY];
	int n, e;
}AdjGraph;

void CreateAdj(AdjGraph *&G, int A[MAXY][MAXY], int n, int e)//创建图的邻接表
{
	int i, j; ArcNode* p;
	G = (AdjGraph*)malloc(sizeof(AdjGraph));
	for (i = 0; i < n; i++)
		G->adjlist[i].firstarc = NULL;//所有头结点指针域置为空
	for (i = 0; i < n; i++)//遍历邻接矩阵
	{
		for (j = n - 1; j >= 0; j--)
		{
			if (A[i][j] != 0 && A[i][j] != INF)//存在一条边<i,j>
			{
				p = (ArcNode*)malloc(sizeof(ArcNode));//创建一个结点p
				p->adjvex = j;//存放邻接点
				p->weight = A[i][j];//存放权
				p->nextarc = G->adjlist[i].firstarc;//采用头插法插入结点p
				G->adjlist[i].firstarc = p;
			}
		}
		G->n = n; G->e = e;
	}
}//创建图的邻接表
void DispAdj(AdjGraph* G)
{
	int i; ArcNode* p;
	for (i = 0; i < G->n; i++)
	{
		p=G->adjlist[i].firstarc;
		printf("%3d:", i);
		while (p != NULL)
		{
			printf("%3d[%d]→", p->adjvex, p->weight);
			p = p->nextarc;
		}
		printf("∧\n");
	}
}//输出邻接表G
void DestroyAdj(AdjGraph*& G)
{
	int i; ArcNode* pre, * p;
	for (i = 0; i < G->n; i++)
	{
		pre = G->adjlist[i].firstarc;//p指向第i个单链表头结点
		if (pre != NULL)
		{
			p = pre->nextarc;
			while (p != NULL)
			{
				free(pre);
				pre = p; p = p->nextarc;
			}
			free(pre);
		}
	}
	free(G);//释放头结点数组
}//销毁图
int visited[MAXY] = { 0 };
void DFS(AdjGraph* G, int v)
{
	ArcNode* p;
	visited[v] = 1;//置已访问标记
	printf("%d ", v);//输出被访问顶点的编号
	p = G->adjlist[v].firstarc;//p指向顶点v的第一个邻接点
	while (p != NULL)
	{
		if (visited[p->adjvex] == 0)//若p->adjvex顶点未被访问，递归访问它
			DFS(G, p->adjvex);
		p = p->nextarc;//p指向顶点v的下一个邻接点
	}
}//深度优先遍历





typedef struct
{
	ElemType data[MaxSize];
	int front, rear;
}SqQueue;
//(1)初始化环形队列
void InitQueue(SqQueue*& q)
{
	q = (SqQueue*)malloc(sizeof(SqQueue));
	q->front = q->rear = 0;
}
//(2)依次进队元素
bool enQueue(SqQueue*& q, ElemType e)
{
	if ((q->rear + 1) % MaxSize == q->front)
		return false;
	q->rear = (q->rear + 1) % MaxSize;
	q->data[q->rear] = e;
	return true;
}
//(3)判断环形队列q是否非空
bool QueueEmpty(SqQueue* q)
{
	return(q->front == q->rear);
}

//(4)出队一个元素，输出该元素
bool deQueue(SqQueue*& q, ElemType& e)
{
	if (q->front == q->rear)
		return false;
	q->front = (q->front + 1) % MaxSize;
	e = q->data[q->front];
	return true;
}


void BFS(AdjGraph* G,int u, int v)
{
	int w, i; ArcNode* p;
	SqQueue* qu;//定义环形队列指针
	InitQueue(qu);//初始化队列
	int visited[MAXY];//定义顶点访问标记数组
	for (i = 0; i < G->n; i++)
		visited[i] = 0;//访问标记数组初始化
	printf("%2d", v);//输出访问顶点编号
	visited[v] = 1;//设置已访问标记
	enQueue(qu, v);
	while (!QueueEmpty(qu))//队不空循环
	{
		deQueue(qu, w);//出队一个顶点w
		p = G->adjlist[w].firstarc;//指向w的第一个邻接点
		while (p != NULL)//查找w所有的邻接点
		{
			if (visited[p->adjvex == 0])//如果该邻接点未被访问
			{
				printf("%2d", p->adjvex);//访问该邻接点
				visited[p->adjvex] = 1;//设置已访问标记
				enQueue(qu, p->adjvex);//该顶点进队
			}
			p = p->nextarc;//找下一个邻接点
		}
	}
	printf("\n");
}//广度优先遍历



void InsertSort(Edge arr[], int n) {
	int i, j;
	Edge key;
	for (i = 1; i < n; i++) {
		key = arr[i];
		j = i - 1;
		while (j >= 0 && arr[j].w > key.w) {
			arr[j + 1] = arr[j];
			j = j - 1;
		}
		arr[j + 1] = key;
	}
}

void Kruskal(MatGraph g) {
	int i, j, u1, v1, sn1, sn2, k;
	int vset[MAXY];
	Edge E[MaxSize]; // 存放图中的所有边
	k = 0; // E数组下标从0开始
	for (i = 0; i < g.n; i++) {
		for (j = 0; j < g.n; j++) {
			if (g.edges[i][j] != 0 && g.edges[i][j] != INF) {
				E[k].u = i;
				E[k].v = j;
				E[k].w = g.edges[i][j];
				k++;
			}
		}
	}
	InsertSort(E, g.e); // 采用直接插入排序法对E数组按权值递增排序
	for (i = 0; i < g.n; i++) {
		vset[i] = i; // 初始化辅助数组
	}
	k = 1; // k表示当前构造生成树的第几条边，初值为1
	j = 0; // E中边的下标，初值为0
	while (k < g.n) {
		u1 = E[j].u;
		v1 = E[j].v; // 取一条边的两个顶点
		sn1 = vset[u1];
		sn2 = vset[v1]; // 分别得到两个顶点所属的集合编号
		if (sn1 != sn2) {
			printf("(%d,%d):%d\n", u1, v1, E[j].w); // 输出最小生成树的一条边
			k++; // 生成的边数加1
			for (i = 0; i < g.n; i++) {
				if (vset[i] == sn2) { // 两个集合统一编号
					vset[i] = sn1;
				}
			}
		}
		j++; // 遍历下一条边
	}
}


void Ppath(int path[], int i, int v)
{
	int k;
	k = path[i];
	if (k == v)
		return;
	Ppath(path, k, v);
	printf("%d,", k);
}
void Dispath(int dist[], int path[], int s[], int n, int v) {
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		if (s[i] == 1) { // 顶点i在S中，输出路径长度和路径信息。
			printf("从%d到%d的最短路径长度为:%d\t路径为:", v, i, dist[i]);
			printf("%d,", v);
			Ppath(path, i, v); // 打印从源点v到顶点i的路径。
			printf("%d\n", i);
		}
		else { // 顶点i不在S中，输出不存在路径的信息。
			printf("从%d到%d不存在路径\n", v, i);
		}
	}
}




void Dijkstra(MatGraph g, int v)
{
	int dist[MAXY], path[MAXY];
	int S[MAXY];//s[i]=1表示顶点i在S中，S[i]=0表示顶点i在U中
	int mindist, i, j, u;
	for (i = 0; i < g.n; i++)
	{
		dist[i] = g.edges[v][i];//距离初始化
		S[i] = 0;//将S[]置空
		if (g.edges[v][i] < INF)//路径初始化
			path[i] = v;//顶点v到顶点i有边时，设置顶点i的前一个顶点为v
		else
			path[i] = -1;//顶点v到顶点i没边时，设置顶点i的前一个顶点为-1
	}
	S[v] = 1; path[v] = v;//源点编号v放入S中
	for (i = 0; i < g.n - 1; i++)//循环，直到所有顶点的最短路径都求出
	{
		mindist = INF;//mindist置最大长度初值
		for (j = 0; j < g.n; j++)//选取不在S中（既U中）且具有最小最短路径长度顶点u
			if (S[j] == 0 && dist[j] < mindist)
			{
				u = j;
				mindist = dist[j];
			}
		S[u] = 1;//顶点u加入S中
		for (j = 0; j < g.n; j++)//修改不在S中（即U中）的顶点的最短路径
			if (S[j] == 0)
			{
				if (g.edges[u][j] < INF && dist[u] + g.edges[u][j] < dist[j])
				{
					dist[j] = dist[u] + g.edges[u][j];
					path[j] = u;
				}
			}
	}
	Dispath(dist, path, S, g.n, v);//输出最短路径
}



int main() {
	MatGraph g;
	g.n = 5; // 顶点数
	g.e = 5; // 边数
	int A[MAXY][MAXY] = {
		{0, 1, 2, 6, INF},
		{INF, 0, INF, 4, 5},
		{INF, INF, 0, INF, 3},
		{INF, INF, INF, 0, INF},
		{INF, INF, INF, 7, 0}
	};
	memcpy(g.edges, A, sizeof(A));
	AdjGraph* G;
	CreateAdj(G, A, 5, 7);
	printf("邻接表结构：\n");
	DispAdj(G);
	printf("深度优先遍历序列：\n");
	int visited[MAXY] = { 0 };
	DFS(G, 0);
	printf("\n");
	printf("广度优先遍历序列：\n");
	BFS(G, 0, 0);
	printf("克鲁斯卡尔算法最小生成树\n");
	Kruskal(g);
	Dijkstra(g, 0);
	printf("销毁图");
	DestroyAdj(G);
}