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  • 拓扑排序(三)之 Java详解

    前面分别介绍了拓扑排序的C和C++实现,本文通过Java实现拓扑排序。

    目录
    1. 拓扑排序介绍
    2. 拓扑排序的算法图解
    3. 拓扑排序的代码说明
    4. 拓扑排序的完整源码和测试程序

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    更多内容:数据结构与算法系列 目录

    拓扑排序介绍

    拓扑排序(Topological Order)是指,将一个有向无环图(Directed Acyclic Graph简称DAG)进行排序进而得到一个有序的线性序列。

    这样说,可能理解起来比较抽象。下面通过简单的例子进行说明!
    例如,一个项目包括A、B、C、D四个子部分来完成,并且A依赖于B和D,C依赖于D。现在要制定一个计划,写出A、B、C、D的执行顺序。这时,就可以利用到拓扑排序,它就是用来确定事物发生的顺序的。

    在拓扑排序中,如果存在一条从顶点A到顶点B的路径,那么在排序结果中B出现在A的后面。

    拓扑排序的算法图解

    拓扑排序算法的基本步骤:

    1. 构造一个队列Q(queue) 和 拓扑排序的结果队列T(topological);
    2. 把所有没有依赖顶点的节点放入Q;
    3. 当Q还有顶点的时候,执行下面步骤:
    3.1 从Q中取出一个顶点n(将n从Q中删掉),并放入T(将n加入到结果集中);
    3.2 对n每一个邻接点m(n是起点,m是终点);
    3.2.1 去掉边<n,m>;
    3.2.2 如果m没有依赖顶点,则把m放入Q;
    注:顶点A没有依赖顶点,是指不存在以A为终点的边。

    以上图为例,来对拓扑排序进行演示。

    第1步:将B和C加入到排序结果中。
        顶点B和顶点C都是没有依赖顶点,因此将C和C加入到结果集T中。假设ABCDEFG按顺序存储,因此先访问B,再访问C。访问B之后,去掉边<B,A>和<B,D>,并将A和D加入到队列Q中。同样的,去掉边<C,F>和<C,G>,并将F和G加入到Q中。
        (01) 将B加入到排序结果中,然后去掉边<B,A>和<B,D>;此时,由于A和D没有依赖顶点,因此并将A和D加入到队列Q中。
        (02) 将C加入到排序结果中,然后去掉边<C,F>和<C,G>;此时,由于F有依赖顶点D,G有依赖顶点A,因此不对F和G进行处理。
    第2步:将A,D依次加入到排序结果中。
        第1步访问之后,A,D都是没有依赖顶点的,根据存储顺序,先访问A,然后访问D。访问之后,删除顶点A和顶点D的出边。
    第3步:将E,F,G依次加入到排序结果中。

    因此访问顺序是:B -> C -> A -> D -> E -> F -> G

    拓扑排序的代码说明

    拓扑排序是对有向无向图的排序。下面以邻接表实现的有向图来对拓扑排序进行说明。

    1. 基本定义

    public class ListDG {
        // 邻接表中表对应的链表的顶点
        private class ENode {
            int ivex;       // 该边所指向的顶点的位置
            ENode nextEdge; // 指向下一条弧的指针
        }
    
        // 邻接表中表的顶点
        private class VNode {
            char data;          // 顶点信息
            ENode firstEdge;    // 指向第一条依附该顶点的弧
        };
    
        private VNode[] mVexs;  // 顶点数组
    
        ...
    }
    

    (01) ListDG是邻接表对应的结构体。 mVexs则是保存顶点信息的一维数组。
    (02) VNode是邻接表顶点对应的结构体。 data是顶点所包含的数据,而firstEdge是该顶点所包含链表的表头指针。
    (03) ENode是邻接表顶点所包含的链表的节点对应的结构体。 ivex是该节点所对应的顶点在vexs中的索引,而nextEdge是指向下一个节点的。

    2. 拓扑排序

    /*
     * 拓扑排序
     *
     * 返回值:
     *     -1 -- 失败(由于内存不足等原因导致)
     *      0 -- 成功排序,并输入结果
     *      1 -- 失败(该有向图是有环的)
     */
    public int topologicalSort() {
        int index = 0;
        int num = mVexs.size();
        int[] ins;               // 入度数组
        char[] tops;             // 拓扑排序结果数组,记录每个节点的排序后的序号。
        Queue<Integer> queue;    // 辅组队列
    
        ins   = new int[num];
        tops  = new char[num];
        queue = new LinkedList<Integer>();
    
        // 统计每个顶点的入度数
        for(int i = 0; i < num; i++) {
    
            ENode node = mVexs.get(i).firstEdge;
            while (node != null) {
                ins[node.ivex]++;
                node = node.nextEdge;
            }
        }
    
        // 将所有入度为0的顶点入队列
        for(int i = 0; i < num; i ++)
            if(ins[i] == 0)
                queue.offer(i);                 // 入队列
    
        while (!queue.isEmpty()) {              // 队列非空
            int j = queue.poll().intValue();    // 出队列。j是顶点的序号
            tops[index++] = mVexs.get(j).data;  // 将该顶点添加到tops中,tops是排序结果
            ENode node = mVexs.get(j).firstEdge;// 获取以该顶点为起点的出边队列
    
            // 将与"node"关联的节点的入度减1;
            // 若减1之后,该节点的入度为0;则将该节点添加到队列中。
            while(node != null) {
                // 将节点(序号为node.ivex)的入度减1。
                ins[node.ivex]--;
                // 若节点的入度为0,则将其"入队列"
                if( ins[node.ivex] == 0)
                    queue.offer(node.ivex);    // 入队列
    
                node = node.nextEdge;
            }
        }
    
        if(index != num) {
            System.out.printf("Graph has a cycle
    ");
            return 1;
        }
    
        // 打印拓扑排序结果
        System.out.printf("== TopSort: ");
        for(int i = 0; i < num; i ++)
            System.out.printf("%c ", tops[i]);
        System.out.printf("
    ");
    
        return 0;
    }
    

    说明:
    (01) queue的作用就是用来存储没有依赖顶点的顶点。它与前面所说的Q相对应。
    (02) tops的作用就是用来存储排序结果。它与前面所说的T相对应。

    拓扑排序的完整源码和测试程序

    拓扑排序源码(ListDG.java)

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