拓撲排序

定義:

拓撲排序是對有向無圈圖的頂點的一種排序煎饼,使得如果存在一條邊從Vi到Vj的路徑氓润,那么在排序中Vj就出現(xiàn)在Vi的后面。

具體實例:

在我們的大學課程中,常出現(xiàn)這么一種情況芋哭,比如在選修算法設(shè)計前必須先選修數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。如果郁副,我們用圖論來表示的話减牺,(v, w)表示為課程v必須在課程w選修前選修完。

前提:

要滿足可以使用拓撲排序的前提是:圖中不含有圈存谎。假設(shè)存在這樣的兩個關(guān)系(v,w)和(w,v)拔疚,那么必定是不滿足拓撲排序的定義的。

簡單拓撲:

先找到任意一個沒有入邊的頂點既荚,然后顯示該頂點稚失,并將它及其邊一起從圖中刪除,然后恰聘,再對剩余的點做同樣的處理句各。

偽代碼:
    //拓撲排序
    void topsort() throws CycleFoundException{
        for (int counter = 0; counter < NUM_VERTICES; counter ++){
            //查找到入度為0的點
            Vertex v = findNewVertexIndegreeZero();
            if (v == null)
                throw new CycleFoundException();
            //記錄該點的位置
            v.topNum = counter;
            //刪除掉與v相連的邊
            for each Vertex w adjacent to v
                w.indegree--;
        }
    }
改進的拓撲排序:

首先吸占,對每個頂點計算它的入度,然后凿宾,將所有入度為0的頂點放入一個初始為空的隊列中矾屯。當隊列不為空時,刪除一個頂點v初厚,并將與v鄰接的所有頂點的入度減1.只要一個頂點的入度降為0件蚕,就把該頂點放入隊列中。

偽代碼:
void topsort() throws CycleFoundException{
    //用來記錄入度為0的頂點
    Queue<Vertex> q = new Queue<Vertext>();
    int counter = 0;
    //將入度為0的頂點加入到隊列中
    for each Vertex v
        if (v.indegree == 0)
            q.enqueue(v);
    
    while( !q.isEmpty()){
        //取出隊列中的頂點
        Vertex v = q.dequeue();
        //記入該點位置
        v.topNum = ++counter;
        //將與改點相關(guān)的邊都刪除
        for each Vertex w adjacent to v
            //若刪邊后产禾,該點入度為0排作,則加入隊列中
            if( --w.indegree == 0)
                q.enqueue(w);
    }
    //若counter不等于頂點數(shù),那么說明圖中存在圈
    if (counter != NUM_VERTICES)
        throw new CycleFoundException();
}
應用一:判斷圖中是否存在圈
 public boolean topSort(int numCounts, int[][] inputs){
        //鄰接矩陣
        int[][] matrix = new int[numCounts][numCounts];
        //記錄頂點的入度
        int[] indegree = new int[numCounts];

        //初始化
        for (int i = 0; i < inputs.length; i ++){
            int front = inputs[i][0];
            int behind = inputs[i][1];
            //排除出現(xiàn)重復的情況亚情,比如出現(xiàn)兩次(1,2),(1,2)
            if (matrix[front][behind] == 0)
                indegree[behind] ++;
            matrix[front][behind] = 1;
        }
        //記錄個數(shù)纽绍,用來判斷圖是否存在圈
        int count = 0;
        //定義隊列
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        //將入度為0的頂點加入到隊列中
        for (int i = 0; i < indegree.length; i ++){
            if (indegree[i] == 0)
                queue.offer(i);
        }

        while (!queue.isEmpty()){
            //獲取到隊列中隊頭
            int current = queue.poll();
            count ++;
            //進行刪邊
            for (int i = 0; i < numCounts; i ++){
                if (matrix[current][i] != 0){
                    //若刪邊后,入度為0势似,則加入隊列中
                    if (--indegree[i] == 0)
                        queue.offer(i);
                }
            }
        }
        return count == numCounts;
    }
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