算法-Graph图BFS广度优先与深度优先搜索

开发者 2024-9-19 18:55:10 51 0 来自 中国
Graph

Graph 类似于LinkedList的概念,内存中不一定连续的数据,由各个节点的Reference串起来构成。

  • 大概有环
  • 分为无向图和有向图
  • 没有固定入口
  • 大概有多个入口
Graph Representation

图该以什么情势存储?最常用的两大类



  • Adjacency Matrix
  • Adjacency List



BFS(Breadth-First Search)

以层为概念的搜索方式。由于是程度睁开全部的nodes,以是得当寻找最短路径图大概有环,必要查重。
BFS模板

1,init a Queue with all starting points, a HashSet to record visited nodes
2,While queue is not empy
a. Retrieve current queue size as number of nodes in the current level
b. for each node in current level
> poll out one node
> if this is the node we want, return it
> Offer all its neighbor to the queue if not visited and valid
c. Increase level
实例

/*给你一个由'1'(陆地)和 '0'(水)构成的的二维网格,请你盘算网格中岛屿的数量。岛屿总是被水困绕,而且每座岛屿只能由程度方向和/或竖直方向上相邻的陆地毗连形成。别的,你可以假设该网格的四条边均被水困绕。示例 1:输入:grid = [  ["1","1","1","1","0"],  ["1","1","0","1","0"],  ["1","1","0","0","0"],  ["0","0","0","0","0"]]输出:1示例 2:输入:grid = [  ["1","1","0","0","0"],  ["1","1","0","0","0"],  ["0","0","1","0","0"],  ["0","0","0","1","1"]]输出:3提示:m == grid.lengthn == grid.length1 <= m, n <= 300grid[j] 的值为 '0' 或 '1' */public class LeetCode200 {    public static void main(String[] args) {        char[][] grid = {                {'1', '1', '1', '1', '0'},                {'1', '1', '0', '1', '0'},                {'1', '1', '0', '0', '0'},                {'0', '0', '0', '0', '0'}        };        Solution solution = new Solution();        System.out.println(solution.numIslands(grid));    }    /*    广度优先搜索同样地,我们也可以使用广度优先搜索代替深度优先搜索。为了求出岛屿的数量,我们可以扫描整个二维网格。如果一个位置为 11,则将其加入队列,开始举行广度优先搜索。在广度优先搜索的过程中,每个搜索到的 11 都会被重新标记为 00。直到队列为空,搜索竣事。最终岛屿的数量就是我们举行广度优先搜索的次数。     */    static class Solution {        public int numIslands(char[][] grid) {            if (grid == null || grid.length == 0) {                return 0;            }            int nr = grid.length;            int nc = grid[0].length;            int num_islands = 0;            for (int r = 0; r < nr; ++r) {                for (int c = 0; c < nc; ++c) {                    if (grid[r][c] == '1') {                        ++num_islands;                        grid[r][c] = '0';                        Queue<Integer> neighbors = new LinkedList<>();                        neighbors.add(r * nc + c);                        while (!neighbors.isEmpty()) {                            int id = neighbors.remove();                            int row = id / nc;                            int col = id % nc;                            if (row - 1 >= 0 && grid[row - 1][col] == '1') {                                neighbors.add((row - 1) * nc + col);                                grid[row - 1][col] = '0';                            }                            if (row + 1 < nr && grid[row + 1][col] == '1') {                                neighbors.add((row + 1) * nc + col);                                grid[row + 1][col] = '0';                            }                            if (col - 1 >= 0 && grid[row][col - 1] == '1') {                                neighbors.add(row * nc + col - 1);                                grid[row][col - 1] = '0';                            }                            if (col + 1 < nc && grid[row][col + 1] == '1') {                                neighbors.add(row * nc + col + 1);                                grid[row][col + 1] = '0';                            }                        }                    }                }            }            return num_islands;        }    }}深度优先

        static class Solution2 {        public int numIslands(char[][] grid) {            if (grid == null || grid.length == 0) {                return 0;            }            int nr = grid.length;            int nc = grid[0].length;            int num_islands = 0;            for (int r = 0; r < nr; ++r) {                for (int c = 0; c < nc; ++c) {                    if (grid[r][c] == '1') {                        ++num_islands;                        dfs(grid, r, c);                    }                }            }            return num_islands;        }        /*        深度优先         */        void dfs(char[][] grid, int r, int c) {            int nr = grid.length;            int nc = grid[0].length;            if (r < 0 || c < 0 || r >= nr || c >= nc || grid[r][c] == '0') {                return;            }            grid[r][c] = '0';            dfs(grid, r - 1, c);            dfs(grid, r + 1, c);            dfs(grid, r, c - 1);            dfs(grid, r, c + 1);        }    }/*给定一个由 0 和 1 构成的矩阵 mat,请输出一个巨细类似的矩阵,其中每一个格子是 mat 中对应位置元素到最近的 0 的距离。两个相邻元素间的距离为 1 。示例 1:输入:mat = [[0,0,0],[0,1,0],[0,0,0]]输出:[[0,0,0],[0,1,0],[0,0,0]]示例 2:输入:mat = [[0,0,0],[0,1,0],[1,1,1]]输出:[[0,0,0],[0,1,0],[1,2,1]]提示:m == mat.lengthn == mat.length1 <= m, n <= 1041 <= m * n <= 104mat[j] is either 0 or 1.mat 中至少有一个 0 */public class LeetCode542 {    public static void main(String[] args) {        System.out.println(Arrays.deepToString(new Solution().updateMatrix(new int[][]{{0, 0, 0}, {0, 1, 0}, {1, 1, 1}})));        System.out.println(Arrays.deepToString(new Solution2().updateMatrix(new int[][]{{0, 0, 0}, {0, 1, 0}, {1, 1, 1}})));    }    /*    广度优先     */    static class Solution {        int[][] dirs = {{-1, 0}, {1, 0}, {0, -1}, {0, 1}};        public int[][] updateMatrix(int[][] matrix) {            int m = matrix.length, n = matrix[0].length;            int[][] dist = new int[m][n];            boolean[][] seen = new boolean[m][n];            Queue<int[]> queue = new LinkedList<int[]>();            // 将全部的 0 添加进初始队列中            for (int i = 0; i < m; ++i) {                for (int j = 0; j < n; ++j) {                    if (matrix[j] == 0) {                        queue.offer(new int[]{i, j});                        seen[j] = true;                    }                }            }            // 广度优先搜索            while (!queue.isEmpty()) {                int[] cell = queue.poll();                int i = cell[0], j = cell[1];                for (int d = 0; d < 4; ++d) {                    int ni = i + dirs[d][0];                    int nj = j + dirs[d][1];                    if (ni >= 0 && ni < m && nj >= 0 && nj < n && !seen[ni][nj]) {                        dist[ni][nj] = dist[j] + 1;                        queue.offer(new int[]{ni, nj});                        seen[ni][nj] = true;                    }                }            }            return dist;        }    }    /*    动态规划     */    static class Solution2 {        public int[][] updateMatrix(int[][] matrix) {            int m = matrix.length, n = matrix[0].length;            // 初始化动态规划的数组,全部的距离值都设置为一个很大的数            int[][] dist = new int[m][n];            for (int i = 0; i < m; ++i) {                Arrays.fill(dist, Integer.MAX_VALUE / 2);            }            // 如果 (i, j) 的元素为 0,那么距离为 0            for (int i = 0; i < m; ++i) {                for (int j = 0; j < n; ++j) {                    if (matrix[j] == 0) {                        dist[j] = 0;                    }                }            }            // 只有 程度向左移动 和 竖直向上移动,留意动态规划的盘算次序            for (int i = 0; i < m; ++i) {                for (int j = 0; j < n; ++j) {                    if (i - 1 >= 0) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[i - 1][j] + 1);                    }                    if (j - 1 >= 0) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[j - 1] + 1);                    }                }            }            // 只有 程度向左移动 和 竖直向下移动,留意动态规划的盘算次序            for (int i = m - 1; i >= 0; --i) {                for (int j = 0; j < n; ++j) {                    if (i + 1 < m) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[i + 1][j] + 1);                    }                    if (j - 1 >= 0) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[j - 1] + 1);                    }                }            }            // 只有 程度向右移动 和 竖直向上移动,留意动态规划的盘算次序            for (int i = 0; i < m; ++i) {                for (int j = n - 1; j >= 0; --j) {                    if (i - 1 >= 0) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[i - 1][j] + 1);                    }                    if (j + 1 < n) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[j + 1] + 1);                    }                }            }            // 只有 程度向右移动 和 竖直向下移动,留意动态规划的盘算次序            for (int i = m - 1; i >= 0; --i) {                for (int j = n - 1; j >= 0; --j) {                    if (i + 1 < m) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[i + 1][j] + 1);                    }                    if (j + 1 < n) {                        dist[j] = Math.min(dist[j], dist[j + 1] + 1);                    }                }            }            return dist;        }    }}
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