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  3. 图搜索算法详解。

图搜索算法详解。

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  • 软件开发
  • 发布于 2024-08-17
  • 0 次阅读
黄健
黄健

图搜索算法是用于在图数据结构中查找特定节点或路径的算法。常见的图搜索算法包括如下:

1. 深度优先搜索(DFS)

从起始节点开始,沿着一条路径一直向下探索,直到无法再继续为止,然后回溯到上一个节点继续探索。DFS通常使用栈或递归实现。

代码如下:

import java.util.*;

public class DFSSearch {
   
    private int V; // 节点数
    private LinkedList<Integer> adj[]; // 邻接表

    DFSSearch(int v) {
   
        V = v;
        adj = new LinkedList[v];
        for (int i = 0; i < v; ++i)
            adj[i] = new LinkedList();
    }

    void addEdge(int v, int w) {
   
        adj[v].add(w);
    }

    void DFSUtil(int v, boolean visited[]) {
   
        visited[v] = true;
        System.out.print(v + " ");

        Iterator<Integer> i = adj[v].listIterator();
        while (i.hasNext()) {
   
            int n = i.next();
            if (!visited[n])
                DFSUtil(n, visited);
        }
    }

    void DFS(int v) {
   
        boolean visited[] = new boolean[V];

        DFSUtil(v, visited);
    }

    public static void main(String args[]) {
   
        DFSSearch g = new DFSSearch(4);

        g.addEdge(0, 1);
        g.addEdge(0, 2);
        g.addEdge(1, 2);
        g.addEdge(2, 0);
        g.addEdge(2, 3);
        g.addEdge(3, 3);

        System.out.println("深度优先搜索遍历结果(从顶点2开始):");

        g.DFS(2);
    }
}

2. 广度优先搜索(BFS)

从起始节点开始,首先探索所有相邻节点,然后逐层向外扩展。BFS通常使用队列实现。

代码如下:

import java.util.*;

public class BFSSearch {
   
    private int V; // 节点数
    private LinkedList<Integer> adj[]; // 邻接表

    BFSSearch(int v) {
   
        V = v;
        adj = new LinkedList[v];
        for (int i = 0; i < v; ++i)
            adj[i] = new LinkedList();
    }

    void addEdge(int v, int w) {
   
        adj[v].add(w);
    }

    void BFS(int start) {
   
        boolean visited[] = new boolean[V];
        LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();

        visited[start] = true;
        queue.add(start);

        while (queue.size() != 0) {
   
            start = queue.poll();
            System.out.print(start + " ");

            Iterator<Integer> i = adj[start].listIterator();
            while (i.hasNext()) {
   
                int n = i.next();
                if (!visited[n]) {
   
                    visited[n] = true;
                    queue.add(n);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]) {
   
        BFSSearch g = new BFSSearch(4);

        g.addEdge(0, 1);
        g.addEdge(0, 2);
        g.addEdge(1, 2);
        g.addEdge(2, 0);
        g.addEdge(2, 3);
        g.addEdge(3, 3);

        System.out.println("广度优先搜索遍历结果(从顶点2开始):");

        g.BFS(2);
    }
}

3. Dijkstra算法

用于在带权重图中找到最短路径的算法。它通过维护一个距离数组来确定最短路径。

代码如下:

import java.util.*;

public class DijkstraAlgorithm {
   
    private static final int V = 6; // 节点数
    private static int graph[][] = new int[][] {
    {
    0, 4, 1, 0, 0, 0 }, 
                                                {
    4, 0, 2, 5, 0, 0 }, 
                                                {
    1, 2, 0, 4, 1, 0 },
                                                {
    0, 5, 4, 0, 3, 0 }, 
                                                {
    0, 0, 1, 3, 0, 2 }, 
                                                {
    0, 0, 0, 0, 2, 0 } };

    int minDistance(int dist[], Boolean sptSet[]) {
   
        int min = Integer.MAX_VALUE, minIndex = -1;

        for (int v = 0; v < V; v++) {
   
            if (!sptSet[v] && dist[v] <= min) {
   
                min = dist[v];
                minIndex = v;
            }
        }

        return minIndex;
    }

    void printSolution(int dist[]) {
   
        System.out.println("顶点到源点的最短距离:");
        for (int i = 0; i < V; i++) {
   
            System.out.println(i + " ---> " + dist[i]);
        }
    }

    void dijkstra(int src) {
   
        int dist[] = new int[V];
        Boolean sptSet[] = new Boolean[V];

        for (int i = 0; i < V; i++) {
   
            dist[i] = Integer.MAX_VALUE;
            sptSet[i] = false;
        }

        dist[src] = 0;

        for (int count = 0; count < V - 1; count++) {
   
            int u = minDistance(dist, sptSet);
            sptSet[u] = true;

            for (int v = 0; v < V; v++) {
   
                if (!sptSet[v] && graph[u][v] != 0 && dist[u] != Integer.MAX_VALUE && dist[u] + graph[u][v] < dist[v]) {
   
                    dist[v] = dist[u] + graph[u][v];
                }
            }
        }

        printSolution(dist);
    }

    public static void main(String args[]) {
   
        DijkstraAlgorithm dijkstra = new DijkstraAlgorithm();
        dijkstra.dijkstra(0);
    }
}

上面代码中,使用一个6x6的邻接矩阵来表示图的边权重。算法通过不断更新最短路径来计算源节点到其他节点的最短距离。最终输出各节点到源节点的最短距离。

4. A*算法

一种启发式搜索算法,结合了最佳优先搜索和Dijkstra算法的特点,用于在图中找到最短路径。

代码如下:

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

class Node {
   
    int x, y;
    int f, g, h;

    Node(int x, int y) {
   
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

class AStarComparator implements Comparator<Node> {
   
    public int compare(Node a, Node b) {
   
        return a.f - b.f;
    }
}

public class AStarAlgorithm {
   
    private static final int[][] grid = {
   
            {
   0, 0, 0, 0, 0},
            {
   0, 1, 0, 1, 0},
            {
   0, 0, 0, 0, 0},
            {
   0, 1, 0, 1, 0},
            {
   0, 0, 0, 0, 0}
    };

    private static final int[][] dirs = {
   {
   -1, 0}, {
   1, 0}, {
   0, -1}, {
   0, 1}};

    private static boolean isValid(int x, int y) {
   
        return x >= 0 && x < grid.length && y >= 0 && y < grid[0].length;
    }

    private static int heuristic(int x, int y, int targetX, int targetY) {
   
        return Math.abs(x - targetX) + Math.abs(y - targetY);
    }

    public static void aStarSearch(int startX, int startY, int targetX, int targetY) {
   
        PriorityQueue<Node> openList = new PriorityQueue<>(new AStarComparator());
        Set<Node> closedList = new HashSet<>();

        Node startNode = new Node(startX, startY);
        startNode.g = 0;
        startNode.h = heuristic(startX, startY, targetX, targetY);
        startNode.f = startNode.g + startNode.h;

        openList.offer(startNode);

        while (!openList.isEmpty()) {
   
            Node current = openList.poll();

            if (current.x == targetX && current.y == targetY) {
   
                System.out.println("路径找到!");
                return;
            }

            closedList.add(current);

            for (int[] dir : dirs) {
   
                int newX = current.x + dir[0];
                int newY = current.y + dir[1];

                if (isValid(newX, newY) && grid[newX][newY] == 0) {
   
                    Node neighbor = new Node(newX, newY);
                    int newG = current.g + 1;
                    int newH = heuristic(newX, newY, targetX, targetY);
                    int newF = newG + newH;

                    neighbor.g = newG;
                    neighbor.h = newH;
                    neighbor.f = newF;

                    if (closedList.contains(neighbor)) {
   
                        continue;
                    }

                    if (!openList.contains(neighbor) || newF < neighbor.f) {
   
                        openList.offer(neighbor);
                    }
                }
            }
        }

        System.out.println("路径未找到!");
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        aStarSearch(0, 0, 4, 4);
    }
}

上面代码中,用于在给定的二维网格中寻找从起点到终点的最短路径。算法通过估算当前节点到目标节点的距离(启发式函数)来选择下一个节点进行探索。

5. Bellman-Ford算法

用于解决带负权边的图中的单源最短路径问题。

代码如下:

import java.util.*;

class Edge {
   
    int source, destination, weight;

    Edge() {
   
        source = 0;
        destination = 0;
        weight = 0;
    }
}

class BellmanFordAlgorithm {
   
    private int V, E;
    private Edge edge[];
    private static final int INF = Integer.MAX_VALUE;

    BellmanFordAlgorithm(int v, int e) {
   
        V = v;
        E = e;
        edge = new Edge[e];
        for (int i = 0; i < e; i++) {
   
            edge[i] = new Edge();
        }
    }

    void bellmanFord(int source) {
   
        int dist[] = new int[V];
        Arrays.fill(dist, INF);
        dist[source] = 0;

        for (int i = 1; i < V; i++) {
   
            for (int j = 0; j < E; j++) {
   
                int u = edge[j].source;
                int v = edge[j].destination;
                int weight = edge[j].weight;
                if (dist[u] != INF && dist[u] + weight < dist[v]) {
   
                    dist[v] = dist[u] + weight;
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < E; i++) {
   
            int u = edge[i].source;
            int v = edge[i].destination;
            int weight = edge[i].weight;
            if (dist[u] != INF && dist[u] + weight < dist[v]) {
   
                System.out.println("图中存在负权回路");
                return;
            }
        }

        printSolution(dist);
    }

    void printSolution(int dist[]) {
   
        System.out.println("顶点到源点的最短距离:");
        for (int i = 0; i < V; i++) {
   
            System.out.println(i + " ---> " + dist[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        int V = 5; // 节点数
        int E = 8; // 边数

        BellmanFordAlgorithm graph = new BellmanFordAlgorithm(V, E);

        graph.edge[0].source = 0;
        graph.edge[0].destination = 1;
        graph.edge[0].weight = -1;

        graph.edge[1].source = 0;
        graph.edge[1].destination = 2;
        graph.edge[1].weight = 4;

        graph.edge[2].source = 1;
        graph.edge[2].destination = 2;
        graph.edge[2].weight = 3;

        graph.edge[3].source = 1;
        graph.edge[3].destination = 3;
        graph.edge[3].weight = 2;

        graph.edge[4].source = 1;
        graph.edge[4].destination = 4;
        graph.edge[4].weight = 2;

        graph.edge[5].source = 3;
        graph.edge[5].destination = 2;
        graph.edge[5].weight = 5;

        graph.edge[6].source = 3;
        graph.edge[6].destination = 1;
        graph.edge[6].weight = 1;

        graph.edge[7].source = 4;
        graph.edge[7].destination = 3;
        graph.edge[7].weight = -3;

        graph.bellmanFord(0);
    }
}

上面代码中,用于解决带负权边的图中的单源最短路径问题。算法通过在每一轮松弛所有边的权重来计算最短路径。如果在V-1轮松弛后仍然存在边的权重可以被减小,则图中存在负权回路。

6. Prim算法

用于在加权图中找到最小生成树的算法。

代码如下:

import java.util.*;

public class PrimAlgorithm {
   
    private static final int V = 5; // 节点数
    private static final int INF = Integer.MAX_VALUE;

    int minKey(int key[], boolean mstSet[]) {
   
        int min = INF, minIndex = -1;

        for (int v = 0; v < V; v++) {
   
            if (!mstSet[v] && key[v] < min) {
   
                min = key[v];
                minIndex = v;
            }
        }

        return minIndex;
    }

    void printMST(int parent[], int graph[][]) {
   
        System.out.println("最小生成树的边:");
        for (int i = 1; i < V; i++) {
   
            System.out.println(parent[i] + " - " + i + " 权重:" + graph[i][parent[i]]);
        }
    }

    void primMST(int graph[][]) {
   
        int parent[] = new int[V];
        int key[] = new int[V];
        boolean mstSet[] = new boolean[V];

        for (int i = 0; i < V; i++) {
   
            key[i] = INF;
            mstSet[i] = false;
        }

        key[0] = 0;
        parent[0] = -1;

        for (int count = 0; count < V - 1; count++) {
   
            int u = minKey(key, mstSet);
            mstSet[u] = true;

            for (int v = 0; v < V; v++) {
   
                if (graph[u][v] != 0 && !mstSet[v] && graph[u][v] < key[v]) {
   
                    parent[v] = u;
                    key[v] = graph[u][v];
                }
            }
        }

        printMST(parent, graph);
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        PrimAlgorithm prim = new PrimAlgorithm();
        int graph[][] = {
    {
    0, 2, 0, 6, 0 },
                          {
    2, 0, 3, 8, 5 },
                          {
    0, 3, 0, 0, 7 },
                          {
    6, 8, 0, 0, 9 },
                          {
    0, 5, 7, 9, 0 } };

        prim.primMST(graph);
    }
}

7. Kruskal算法

另一种用于在加权图中找到最小生成树的算法,基于边的权重进行排序。

代码如下:

import java.util.*;

class Edge implements Comparable<Edge> {
   
    int source, destination, weight;

    public int compareTo(Edge compareEdge) {
   
        return this.weight - compareEdge.weight;
    }
}

public class KruskalAlgorithm {
   
    private static final int V = 5; // 节点数
    private static final int E = 7; // 边数

    private Edge edge[];

    KruskalAlgorithm() {
   
        edge = new Edge[E];
        for (int i = 0; i < E; i++) {
   
            edge[i] = new Edge();
        }
    }

    int find(int parent[], int i) {
   
        if (parent[i] == i) {
   
            return i;
        }
        return find(parent, parent[i]);
    }

    void union(int parent[], int rank[], int x, int y) {
   
        int xRoot = find(parent, x);
        int yRoot = find(parent, y);

        if (rank[xRoot] < rank[yRoot]) {
   
            parent[xRoot] = yRoot;
        } else if (rank[xRoot] > rank[yRoot]) {
   
            parent[yRoot] = xRoot;
        } else {
   
            parent[yRoot] = xRoot;
            rank[xRoot]++;
        }
    }

    void kruskalMST() {
   
        Edge result[] = new Edge[V - 1];
        int e = 0;
        int i = 0;

        Arrays.sort(edge);

        int parent[] = new int[V];
        int rank[] = new int[V];

        for (int v = 0; v < V; v++) {
   
            parent[v] = v;
            rank[v] = 0;
        }

        while (e < V - 1) {
   
            Edge nextEdge = edge[i++];
            int x = find(parent, nextEdge.source);
            int y = find(parent, nextEdge.destination);

            if (x != y) {
   
                result[e++] = nextEdge;
                union(parent, rank, x, y);
            }
        }

        System.out.println("最小生成树的边:");
        for (i = 0; i < V - 1; i++) {
   
            System.out.println(result[i].source + " - " + result[i].destination + " 权重:" + result[i].weight);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        KruskalAlgorithm kruskal = new KruskalAlgorithm();

        kruskal.edge[0].source = 0;
        kruskal.edge[0].destination = 1;
        kruskal.edge[0].weight = 2;

        kruskal.edge[1].source = 0;
        kruskal.edge[1].destination = 3;
        kruskal.edge[1].weight = 6;

        kruskal.edge[2].source = 1;
        kruskal.edge[2].destination = 3;
        kruskal.edge[2].weight = 3;

        kruskal.edge[3].source = 1;
        kruskal.edge[3].destination = 2;
        kruskal.edge[3].weight = 5;

        kruskal.edge[4].source = 1;
        kruskal.edge[4].destination = 4;
        kruskal.edge[4].weight = 2;

        kruskal.edge[5].source = 2;
        kruskal.edge[5].destination = 4;
        kruskal.edge[5].weight = 7;

        kruskal.edge[6].source = 3;
        kruskal.edge[6].destination = 4;
        kruskal.edge[6].weight = 9;

        kruskal.kruskalMST();
    }
}

原文链接: https://blog.csdn.net/2401_82884096/article/details/138756930

标签: #软件开发 1171
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