图的遍历之深度优先搜索(DFS)
深度优先搜索(depth-first search)是对先序遍历(preorder traversal)的推广。”深度优先搜索“,顾名思义就是尽可能深的搜索一个图。想象你是身处一个迷宫的入口,迷宫中的路每一个拐点有一盏灯是亮着的,你的任务是将所有灯熄灭,按照DFS的做法如下:
1. 熄灭你当前所在的拐点的灯
2. 任选一条路向前(深处)走,每经过一个拐点将灯熄灭直到与之相邻的拐点的灯全部熄灭后,原路返回到某个拐点的相邻拐点灯是亮着的,走到灯亮的拐点,重复执行步骤1
3. 当所有灯熄灭时,结束
将上面的例子抽象出来的DFS的算法描述(C伪代码)如下:
//布尔型数组Visited[]初始化成false
void DFS(Vetex v)
{
Visited[v] = true;
for each w adjacent to v
if (!Visited[w])
DFS(w);
}
可以看出上述的DFS为递归算法,可以利用栈将其转为非递归。C伪代码如下:
//布尔型数组Visited[]初始化成false
void DFS(Vertex v)
{
Visited[v] = true;
Stack sta = MakeStack(MAX_SIZE);
Push(sta, v);
while (!Empty(sta))
{
Vertex w = Pop(sta);
for each u adjacent to w
{
if (!Visited[u])
{
Push(sta, u);
Visited[u] = true;
}
}
}
}
引理: 若图G是连通的,则通过深度优先搜索可以对它的所有顶点进行标记,并且在算法的执行过程中,它的每一条边至少被查看过一次。
证明: 假设结论不成立,令U表示算法最终未被标记过的顶点的集合。由于G是连通的,因此在U中至少有一个顶点与一个被标记过的顶点相连。但是这种情况不可能成立,因为一旦一个顶点被访问过了,则所有与它相连的未被标记过的顶点也会被访问(从而也被标记)。故所有顶点都会被访问而标记,并且一旦某个顶点被访问,它相连的边就会被查看,所以每条边都将被查看过。
然而,如果一个图G不是连通的,要标记所有顶点,需对DFS稍作修改:若在第一次尝试所有顶点都被标记过,则图是连通的,否则,从任意一个未被标记的顶点开始,再次执行DFS。所以我们可以利用DFS确定一个图是否连通。C伪代码描述上述算法如下:
/*返回连通成分的数目*/
int ConnectedComponents ( Graph G )
{
int componentNum = 0;
for ( each v in G )
if ( !visited[V] )
{
DFS( v );
componentNum += 1;
}
return componentNum;
}
上述算法的复杂度:
若有N个顶点、 E条边,时间复杂度是 用邻接表存储图,有O(N+E) 用邻接矩阵存储图,有O(N^2)
深度优先搜索的相关练习:
06-图2 Saving James Bond - Easy Version
拓展阅读:
参考资料:
《数据结构与算法分析-C语言描述》
《算法引论》
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