zoukankan      html  css  js  c++  java
  • 有向图强连通分量的Tarjan算法

    参考来源:http://www.byvoid.com/blog/scc-tarjan/

    [有向图强连通分量]

    在有向图G中,如果两个顶点间至少存在一条路径,称两个顶点强连通(strongly connected)。如果有向图G的每两个顶点都强连通,称G是一个强连通图。非强连通图有向图的极大强连通子图,称为强连通分量(strongly connected components)。

    下图中,子图{1,2,3,4}为一个强连通分量,因为顶点1,2,3,4两两可达。{5},{6}也分别是两个强连通分量。

    image

    直接根据定义,用双向遍历取交集的方法求强连通分量,时间复杂度为O(N^2+M)。更好的方法是Kosaraju算法或Tarjan算法,两者的时间复杂度都是O(N+M)。本文介绍的是Tarjan算法。

    [Tarjan算法]

    Tarjan算法是基于对图深度优先搜索的算法,每个强连通分量为搜索树中的一棵子树。搜索时,把当前搜索树中未处理的节点加入一个堆栈,回溯时可以判断栈顶到栈中的节点是否为一个强连通分量。

    定义DFN(u)为节点u搜索的次序编号(时间戳),Low(u)为u或u的子树能够追溯到的最早的栈中节点的次序号。由定义可以得出,

    Low(u)=Min
    {
        DFN(u),
        Low(v),(u,v)为树枝边,u为v的父节点
        DFN(v),(u,v)为指向栈中节点的后向边(非横叉边)
    }

    当DFN(u)=Low(u)时,以u为根的搜索子树上所有节点是一个强连通分量。

    算法伪代码如下

     1 tarjan(u)
     2 {
     3     DFN[u]=Low[u]=++Index                      // 为节点u设定次序编号和Low初值
     4     Stack.push(u)                              // 将节点u压入栈中
     5     for each (u, v) in E                       // 枚举每一条边
     6         if (v is not visted)               // 如果节点v未被访问过
     7             tarjan(v)                  // 继续向下找
     8             Low[u] = min(Low[u], Low[v])
     9         else if (v in S)                   // 如果节点v还在栈内
    10             Low[u] = min(Low[u], DFN[v])
    11     if (DFN[u] == Low[u])                      // 如果节点u是强连通分量的根
    12         repeat
    13             v = S.pop                  // 将v退栈,为该强连通分量中一个顶点
    14             print v
    15         until (u== v)
    16 }

    在一次调用tarjan函数后,有可能有些点不能没访问到(因为有可能不可到达),所以要对所有的未被访问的点都执行一次这个函数:

    for each(u) in V
      if (u is not visited) tarjan(u);

    接下来是对算法流程的演示。

    从节点1开始DFS,把遍历到的节点加入栈中。搜索到节点u=6时,DFN[6]=LOW[6],找到了一个强连通分量。退栈到u=v为止,{6}为一个强连通分量。

    image

    返回节点5,发现DFN[5]=LOW[5],退栈后{5}为一个强连通分量。

    image

    返回节点3,继续搜索到节点4,把4加入堆栈。发现节点4向节点1有后向边,节点1还在栈中,所以LOW[4]=1。节点6已经出栈,(4,6)是横叉边,返回3,(3,4)为树枝边,所以LOW[3]=LOW[4]=1。

    image

    继续回到节点1,最后访问节点2。访问边(2,4),4还在栈中,所以LOW[2]=DFN[4]=5。返回1后,发现DFN[1]=LOW[1],把栈中节点全部取出,组成一个连通分量{1,3,4,2}。

    image

    至此,算法结束。经过该算法,求出了图中全部的三个强连通分量{1,3,4,2},{5},{6}。

    可以发现,运行Tarjan算法的过程中,每个顶点都被访问了一次,且只进出了一次堆栈,每条边也只被访问了一次,所以该算法的时间复杂度为O(N+M)。

    求有向图的强连通分量还有一个强有力的算法,为Kosaraju算法。Kosaraju是基于对有向图及其逆图两次DFS的方法,其时间复杂度也是 O(N+M)。与Trajan算法相比,Kosaraju算法可能会稍微更直观一些。但是Tarjan只用对原图进行一次DFS,不用建立逆图,更简洁。 在实际的测试中,Tarjan算法的运行效率也比Kosaraju算法高30%左右。此外,该Tarjan算法与求无向图的双连通分量(割点、桥)的Tarjan算法也有着很深的联系。学习该Tarjan算法,也有助于深入理解求双连通分量的Tarjan算法,两者可以类比、组合理解。

    求有向图的强连通分量的Tarjan算法是以其发明者Robert Tarjan命名的。Robert Tarjan还发明了求双连通分量的Tarjan算法,以及求最近公共祖先的离线Tarjan算法,在此对Tarjan表示崇高的敬意。

     
  • 相关阅读:
    分享一个自己写的vue多语言插件smart-vue-i18n
    利用vw+rem实现移动web适配布局
    你说前端不了解业务?
    小程序开发总结一:mpvue框架及与小程序原生的混搭开发
    小码农的职场人生一:由张小平离职引发的一些吐槽
    javascript本地缓存方案-- 存储对象和设置过期时间
    手淘移动适配方案flexible.js兼容bug处理
    微信小程序入坑之自定义组件
    vuejs开发组件分享之H5图片上传、压缩及拍照旋转的问题处理
    非域环境下使用证书部署数据库(SqlServer2008R2)镜像
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/wuminye/p/2956499.html
Copyright © 2011-2022 走看看