拓扑排序详解与实现

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拓扑排序详解与实现

2024-07-14 10:36| 来源: 网络整理| 查看: 265

拓扑排序详解与实现 介绍

拓扑排序,很多人都可能听说但是不了解的一种算法。或许很多人只知道它是图论的一种排序,至于干什么的不清楚。又或许很多人可能还会认为它是一种啥排序。而实质上它是对有向图的顶点排成一个线性序列。

至于定义,百科上是这么说的:

对一个有向无环图(Directed Acyclic Graph简称DAG)G进行拓扑排序,是将G中所有顶点排成一个线性序列,使得图中任意一对顶点u和v,若边∈E(G),则u在线性序列中出现在v之前。通常,这样的线性序列称为满足拓扑次序(Topological Order)的序列,简称拓扑序列。简单的说,由某个集合上的一个偏序得到该集合上的一个全序,这个操作称之为拓扑排序。

为什么会有拓扑排序?拓扑排序有何作用?

举个例子,学习java系列的教程

代号科目学前需掌握A1javaSE A2html A3JspA1,A2A4servletA1A5ssmA3,A4A6springbootA5

就比如学习java系类(部分)从java基础,到jsp/servlet,到ssm,到springboot,springcloud等是个循序渐进且有依赖的过程。在jsp学习要首先掌握java基础和html基础。学习框架要掌握jsp/servlet和jdbc之类才行。那么,这个学习过程即构成一个拓扑序列。当然这个序列也不唯一,你可以对不关联的学科随意选择顺序(比如html和java可以随便先开始哪一个。)

那上述序列可以简单表示为:

在这里插入图片描述

其中五种均为可以选择的学习方案,对课程安排可以有参考作用,当然,五个都是拓扑序列。只是选择的策略不同!

一些其他注意:

DGA:有向无环图 AOV网:数据在顶点 可以理解为面向对象 AOE网:数据在边上,可以理解为面向过程!

而我们通俗一点的说法,就是按照某种规则将这个图的顶点取出来,这些顶点能够表示什么或者有什么联系。

规则:

图中每个顶点只出现一次。A在B前面,则不存在B在A前面的路径。(不能成环!!!!)顶点的顺序是保证所有指向它的下个节点在被指节点前面!(例如A—>B—>C那么A一定在B前面,B一定在C前面)。所以,这个核心规则下只要满足即可,所以拓扑排序序列不一定唯一! 拓扑排序算法分析

在这里插入图片描述正常步骤为(方法不一定唯一):

从DGA图中找到一个没有前驱的顶点输出。(可以遍历,也可以用优先队列维护)删除以这个点为起点的边。(它的指向的边删除,为了找到下个没有前驱的顶点)重复上述,直到最后一个顶点被输出。如果还有顶点未被输出,则说明有环!

对于上图的简单序列,可以简单描述步骤为:

1:删除1或2输出在这里插入图片描述2:删除2或3以及对应边在这里插入图片描述3:删除3或者4以及对应边在这里插入图片描述3:重复以上规则步骤在这里插入图片描述

这样就完成一次拓扑排序,得到一个拓扑序列,但是这个序列并不唯一!从过程中也看到有很多选择方案,具体得到结果看你算法的设计了。但只要满足即是拓扑排序序列。

另外观察 1 2 4 3 6 5 7 9这个序列满足我们所说的有关系的节点指向的在前面,被指向的在后面。如果完全没关系那不一定前后(例如1,2)

拓扑排序代码实现

对于拓扑排序,如何用代码实现呢?对于拓扑排序,虽然在上面详细介绍了思路和流程,也很通俗易懂。但是实际上代码的实现还是很需要斟酌的,如何在空间和时间上能够得到较好的平衡且取得较好的效率?

首先要考虑存储。对于节点,首先他有联通点这么多属性。遇到稀疏矩阵还是用邻接表比较好。因为一个节点的指向节点较少,用邻接矩阵较浪费资源。

另外,如果是1,2,3,4,5,6这样的序列求拓扑排序,我们可以考虑用数组,但是如果遇到1,2,88,9999类似数据,可以考虑用map中转一下。那么,

我们具体的代码思想为:

新建node类,包含节点数值和它的指向(这里直接用list集合替代链表了)一个数组包含node(这里默认编号较集中)。初始化,添加每个节点指向的时候同时被指的节点入度+1!(A—>C)那么C的入度+1;扫描一遍所有node。将所有入度为0的点加入一个栈(队列)。当栈(队列)不空的时候,抛出其中任意一个node(栈就是尾,队就是头,顺序无所谓,上面分析了只要同时入度为零可以随便选择顺序)。将node输出,并且node指向的所有元素入度减一。如果某个点的入度被减为0,那么就将它加入栈(队列)。重复上述操作,直到栈为空。

这里主要是利用栈或者队列储存入度只为0的节点,只需要初次扫描表将入度为0的放入栈(队列)中。

这里你或许会问为什么。因为节点之间是有相关性的,一个节点若想入度为零,那么它的父节点(指向节点)肯定在它为0前入度为0,拆除关联箭头。从父节点角度,它的这次拆除联系,可能导致被指向的入读为0,也可能不为0(还有其他节点指向儿子)

至于具体demo:

package 图论; import java.util.ArrayDeque; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Queue; import java.util.Stack; public class tuopu { static class node { int value; List next; public node(int value) { this.value=value; next=new ArrayList(); } public void setnext(Listlist) { this.next=list; } } public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub node []nodes=new node[9];//储存节点 int a[]=new int[9];//储存入度 Listlist[]=new ArrayList[10];//临时空间,为了存储指向的集合 for(int i=1;i


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