2022年 11月 8日

全网最全Python图算法

文章目录

  • 全网最全Python图算法
    • 图几个关键概念
    • 图的存储形式(边、顶点的数据结构)
    • 图的抽象数据类型
    • 图的遍历
      • 广度优先搜索
      • 深度优先搜索
      • 测试
    • 最小生成树
      • prim最小生成树
      • prim 最小生成树(优先对列)
      • kruskal最小生成树
      • 测试
    • 单源最短路径
      • dijkstra单源最短路径
      • dijkstra单源最短路径(优先队列)
      • 测试
      • bellman_ford单源最短路径
      • 测试
    • 图的遍历的应用
      • 有向图的环路存在性判断
      • 拓扑排序
        • 广度优先策略
        • 深度优先策略
        • 测试
      • 强连通分量
        • 测试
    • 后记
    • 参考书目
    • 整体代码

全网最全Python图算法

图几个关键概念

⚫图可以表示为一个二元组𝑮 =< 𝑽, 𝑬 >,其中

  • 𝑽表示非空顶点集,其元素称为顶点(Vertex)
  • 𝑬表示边集,其元素称为边(Edge)
  • 𝒆 = 𝒖, 𝒗 表示一条边,其中𝒖 ∈ 𝑽, 𝒗 ∈ 𝑽, 𝒆 ∈ 𝑬

⚫无向图

  • 若顶点𝒖到𝒗之间的边没有方向,则称这条边为无向边(Edge),用无序偶对(𝒖,𝒗)来表示。
  • 如果图中任意两个顶点之间的边都是无向边,则称该图为无向图。

⚫有向图

  • 若顶点𝒖到𝒗之间的边有方向,则称这条边为有向边,也称为弧(Arc)。用有序偶<𝒖,𝒗>来表示,𝒖称为弧尾(Tail),𝒗称为弧头(Head)。
  • 如果图中任意两个顶点之间的边都是有向边,则称该图为有向图(Directed graphs)。
    ⚫ 有向图顶点的度分为入度和出度
    • 顶点𝒖的入度:起点为𝒖的边数
    • 顶点𝒖的出度:终点为𝒖的边数

⚫ 相邻(Adjacent)

  • 边𝒖, 𝒗 连接的顶点𝒖和𝒗相邻

⚫ 关联(Incident)

  • 边𝒖, 𝒗 和其连接的顶点𝒖(或𝒗)相互关联

⚫ 顶点的度(Degree of a Vertex)

  • 顶点𝒗的度𝒅𝒆𝒈(𝒗)是𝒗关联的边数

⚫ 图的度(Degree of a Graph)

  • 图𝑮 =< 𝑽, 𝑬 >的度,是图各顶点的度之和,𝒅𝒆𝒈(𝑮) = σ𝒗∈𝑽 𝒅𝒆𝒈(𝒗)

⚫握手定理(Handshaking Lemma)

  • 无向图的度是边数的两倍, 𝒅𝒆𝒈(𝑮) = 𝟐|𝑬|

⚫ 路径(Path)

  • 图中一个的顶点序列< 𝒗𝟎, 𝒗𝟏, … , 𝒗𝒌 >称为𝒗𝟎到𝒗𝒌的路径
  • 路径包含顶点𝒗𝟎, 𝒗𝟏, … , 𝒗𝒌和边𝒗𝟎, 𝒗𝟏 , 𝒗𝟏, 𝒗𝟐 , … , (𝒗𝒌−𝟏, 𝒗𝒌)
  • 存在路径< 𝒗𝟎, 𝒗𝟏, … , 𝒗𝒌 > ,则𝒗𝟎可达𝒗𝒌
  • 如果𝒗𝟎, 𝒗𝟏, … , 𝒗𝒌互不相同,则该路径是简单的

⚫环路(Cycle)

  • 如果路径< 𝒗𝟎, 𝒗𝟏, … , 𝒗𝒌 >中𝒗𝟎 = 𝒗𝒌且至少包含一条边,则该路径构成环路
  • 如果𝒗𝟏, 𝒗𝟐, … , 𝒗𝒌互不相同,则该环路是简单的

⚫连通(Connectivity)

  • 如果图的任意对顶点互相可达,则称该图是连通的,反之称为非连通。

⚫ 通分量(Connected Components)

  • 根据是否连通将顶点进行分组,相互可达的顶点集称为连通分量

⚫ 子图(Subgraph)

  • 如果𝑽′ ⊆ 𝑽, 𝑬′ ⊆ 𝐄,则称图𝑮’ =< 𝑽’, 𝑬’ >是图𝑮的一个子图

⚫ 生成子图(Spanning Subgraph)

  • 如果𝑽′ = 𝑽, 𝑬′ ⊆ 𝐄,则称图𝑮’ =< 𝑽’, 𝑬’ >是图𝑮的一个生成子图

⚫ 树(Tree)

  • 连通、无环图𝑻 =< 𝑽𝑻, 𝑬𝑻 >,树有|𝑽𝑻| − 𝟏条边

⚫ 森林(Forest)

  • 一至多棵树组成的无环图

图的存储形式(边、顶点的数据结构)

⚫ 图𝑮 =< 𝑽, 𝑬 > ,其邻接链表由|𝑽|条链表的数组构成

  • 每个顶点有一条链表,包含所有与其相邻的顶点
  • 𝑨𝒅𝒋[𝒂] ={𝒃, 𝒅}; 𝑨𝒅𝒋[𝒃] ={ 𝒂, 𝒄, 𝒅, 𝒇 }; 𝑨𝒅𝒋[𝒄] ={𝒃, 𝒇 }; …
  • 空间大小𝑶(|𝑽| + |𝑬|)

为了实现稀疏连接的图,更高效的方式是使用邻接表。在邻接表实现中,我们为图对象的所有顶点保存一个主列表,同时为每一个顶点对象都维护一个列表,其中记录了与它相连的顶点。在对Vertex类的实现中,我们使用字典(而不是列表),字典的键是顶点,值是权重。

邻接表的优点是能够紧凑地表示稀疏图。此外,邻接表也有助于方便地找到与某一个顶点相连的其他所有顶点。

在Python中,通过字典可以轻松地实现邻接表。我们要创建两个类:Graph类存储包含所有顶点的主列表,Vertex类表示图中的每一个顶点。

Vertex使用字典connectedTo来记录与其相连的顶点,以及每一条边的权重。
以下Vertex类的实现,其构造方法简单地初始化id(它通常是一个字符串),以及字典connectedTo,以及其他算法所需要的辅助参数。

  • addNeighbor方法添加从一个顶点到另一个的连接。
  • getConnections方法返回邻接表中的所有顶点,由connectedTo来表示。
  • getWeight方法返回从当前顶点到以参数传入的顶点之间的边的权重。
  • setPred()\getPred() 设置\获取前驱顶点。
  • setColor()\getColor() 设置\获取顶点状态(颜色)。
  • setDistance()\getDistance() 设置\获取顶点的距离。
class Vertex:
    '''
    创建一个空顶点
    '''
    def __init__(self,key):
        self.id = key
        self.connectedTo = {}
        self.color = 'white'
        self.dist = inf
        self.pred = None
        self.disc = 0
        self.fin = 0
    def addNeighbor(self, nbr, weight = 0):
        '''
        添加邻接的顶点
        :param nbr: 邻接的顶点
        :param weight: 默认为0
        :return:
        '''
        self.connectedTo[nbr] = weight

    def getConnections(self):
        '''
        获取邻接的所以顶点
        :return:
        '''
        return self.connectedTo.keys()
    def getId(self):
        '''
        获取自身顶点的值
        :return:
        '''
        return self.id
    def getWeight(self, nbr):
        '''
        两顶点连接边的权重
        :param nbr:
        :return:
        '''
        return self.connectedTo[nbr]

    def setColor(self, color):
        '''
        设置顶点的颜色(一般设置为白色表示未访问,灰色表示待处理,黑色表示访问完成)。
        :param color: 字符串、或者int 例如 color = 'white' color = -1
        :return:
        '''
        self.color = color

    def getColor(self):
        '''
        获取顶点的颜色,(一般设置为白色表示未访问,灰色表示待处理,黑色表示访问完成)
        :return:
        '''
        return self.color

    def setDistance(self, d):
        '''
        设置顶点距离,(不同算法有不同的意义)如单源最短路径表示源点到该点最短距离,最小生成树表示离该顶点最小的权重。
        :param d:
        :return:
        '''
        self.dist = d
        
    def getDistance(self):
        '''
        获取该顶点的距离,(不同算法有不同的意义)如单源最短路径表示源点到该点最短距离,最小生成树表示离该顶点最小的权重。
        :return:
        '''
        return self.dist


    def setPred(self, p):
        '''
        设置该顶点的前驱顶点
        :param p:
        :return:
        '''
        self.pred = p

    def getPred(self):
        '''
        设置该顶点的前驱顶点
        :return:
        '''
        return self.pred

    ##以下方法用得不多,帮助理解。

    def setDiscovery(self, dtime):
        '''
        设置顶点发现时间。
        :param dtime:
        :return:
        '''
        self.disc = dtime
    def getDiscovery(self):
        '''
        获取顶点发现时间。
        :return:
        '''
        return self.disc

    def setFinish(self, ftime):
        '''
        设置顶点完成时间。
        :param ftime:
        :return:
        '''
        self.fin = ftime

    def getFinish(self):
        '''
        获取顶点完成时间。
        :return:
        '''
        return self.fin

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图的抽象数据类型

图的抽象数据类型由下列方法定义。

  • Graph()新建一个空图。
  • addVertex(vert)向图中添加一个顶点实例。
  • addEdge(fromVert, toVert)向图中添加一条有向边,用于连接顶点fromVert和toVert。
  • addEdge(fromVert, toVert, weight)向图中添加一条带权重weight的有向边,用于连接顶点fromVert和toVert。
  • getVertex(vertKey)在图中找到名为vertKey的顶点。
  • getVertices()以列表形式返回图中所有顶点。
  • in通过vertex in graph这样的语句,在顶点存在时返回True,否则返回False。
  • reverse()生成逆向图。
  • InDegreeUpdate 入度更新。
  • OutDegreeUpdate 出度更新。
  • bfs() 对图进行广度优先搜索。
  • dfs() 对图进行深度优先搜索。
  • prim() 生成最小生成树。
  • kruskal() 生成最小生成树。
  • dijkstra() 单源最短路径。
  • bellman_ford() 单源最短路径。
  • dfs_judge_cycle() 深度优先搜索进行环路判断。
  • topological_sort_bfs() 宽度优先搜索生成拓扑排序。
  • topological_sort_dfs() 深度优先搜索生成拓扑排序。
  • Strongly_Connected_Component()生成强联通分量。

class Graph:
    '''
    新建一个空图。
    '''
    def __init__(self):
        '''
        初始化邻接表,顶点个数
        '''
        self.vertList = {}
        self.numVertices = 0
        self.time = 0
    def addVertex(self, key):
        '''
        向图中添加一个顶点实例
        :param key:
        :return: None
        '''
        self.numVertices = self.numVertices + 1
        newVertex = Vertex(key)
        self.vertList[key] = newVertex
        return newVertex

    def getVertex(self, n):
        '''
        在图中找到名为n的顶点
        :param n:
        :return:
        '''
        if n in self.vertList:
            return self.vertList[n]
        else:
            return None
    def __contains__(self,n):
        '''
        对in进行重载
        :param n:
        :return:
        '''
        return n in self.vertList
    def addEdge(self, f, t, weight = 0):
        '''
        )向图中添加一条带权重cost的有向边,用于连接顶点f和t
        :param f:
        :param t:
        :param weight:
        :return: None
        '''
        if f not in self.vertList:
            nv = self.addVertex(f)
        if t not in self.vertList:
            nv = self.addVertex(t)
        self.vertList[f].addNeighbor(self.vertList[t],weight)

    def getVertics(self):
        '''
        以列表形式返回图中所有顶点
        :return: {}.keys()
        '''
        return self.vertList.keys()
    def __iter__(self):
        '''
        对迭代进行重载,方便遍历顶点邻接表
        :return:
        '''
        return iter(self.vertList.values())

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图的遍历

广度优先搜索

广度优先搜索伪代码
在这里插入图片描述

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    def bfs(self,start = None):
        '''
        广度优先搜索
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]
        start.setDistance(0)
        start.setPred(None)
        vertQueue = queue.Queue()
        vertQueue.put(start)
        out = []
        while vertQueue.empty() == False:
            currentVert = vertQueue.get()
            for nbr in currentVert.getConnections():
                if nbr.getColor() == 'white':
                    nbr.setColor('gray')
                    nbr.setDistance(currentVert.getDistance() + 1)
                    nbr.setPred(currentVert.getId())
                    vertQueue.put(nbr)
            currentVert.setColor('black')
            out.append(currentVert.id)

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深度优先搜索

深度优先搜索伪代码
DFS(𝑮)
在这里插入图片描述

DFS-Visit(𝑮, 𝒗)
在这里插入图片描述

DFS(𝑮)

  def dfs(self):
        '''
        深度优先搜索
        :return:
        '''
        out = []
        self.time = 0
        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
            aVertex.setPred(None)
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                self.dfsvisit(aVertex,out)
        return out

    def dfsvisit(self, startVertex,out):
        startVertex.setColor('gray')
        self.time += 1
        startVertex.setDiscovery(self.time)
        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                nextVertex.setPred(startVertex.getId())
                self.dfsvisit(nextVertex,out)
        startVertex.setColor('black')
        self.time += 1
        startVertex.setFinish(self.time)
        out.append(startVertex.getId())
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测试

在这里插入图片描述

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if __name__ =='__main__':

    g = Graph()
    for i in range(1,9):
        g.addVertex(i)
    g.addEdge(1,2)
    g.addEdge(2,1)
    g.addEdge(1,5)
    g.addEdge(5,1)
    g.addEdge(2, 6)
    g.addEdge(6,2)
    g.addEdge(6, 3)
    g.addEdge(3,6)
    g.addEdge(6, 7)
    g.addEdge(7,6)
    g.addEdge(3, 7)
    g.addEdge(7,3)
    g.addEdge(3, 4)
    g.addEdge(4,3)
    g.addEdge(4, 8)
    g.addEdge(4,7)
    g.addEdge(7,4)
    g.addEdge(8,4)
    g.addEdge(7, 8)
    g.addEdge(8,7)


    g.bfs(g.vertList[2])
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()

    x = g.dfs()
    print(x)
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDiscovery(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getFinish(),end = ' ')
    print()
    #输出
    # 2 None 6 3 1 2 6 7 
    # 1 0 2 3 2 1 2 3

    # [8, 4, 7, 3, 6, 2, 5, 1]

    # None 1 6 7 1 2 3 4 
    # 1 0 2 3 2 1 2 3 
    # 1 2 4 6 14 3 5 7 
    # 16 13 11 9 15 12 10 8 
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最小生成树

prim最小生成树

prim最小生成树伪代码

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    def prim_simple(self,start = None):
        '''
        prim最小生成树简单版本
        :param start: 迭代起点
        :return:
        '''
        #在有向图中,有可能存在这样一种情况:两个节点之间来和回的权重不一样
        #所以prim在某些情况下会失效
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)

        for i in range(self.numVertices):
            minDist = inf
            rec = -1
            for j in self:
                if j.getColor() == 'white' and j.getDistance() < minDist:
                    minDist = j.getDistance()
                    rec = j
                    
            for u in rec.getConnections():
                if rec.getWeight(u) < u.getDistance():
                    u.setDistance(rec.getWeight(u))
                    u.setPred(rec.getId())
                    
            rec.setColor('black')

            # for u in rec.getConnections():
            #     newCost = rec.getWeight(u) + rec.getDistance()
            #     if newCost < u.getDistance():
            #         u.setDistance(newCost)
            #         u.setPred(rec.getId())
            # rec.setColor('black')

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prim 最小生成树(优先对列)

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    def prim(self,start = None):
        '''
        prim最小生成树(采用优先队列)
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)
        pq = queue.PriorityQueue()

        for v in list(self.getVertics()):

            pq.put((self.vertList[v].getDistance(),v))


        while not pq.empty():
            (t, currentVert) = pq.get()
            currentVert = self.vertList[currentVert]
            for nextVert in currentVert.getConnections():
                newCost = currentVert.getWeight(nextVert)
                if newCost < nextVert.getDistance() and nextVert.getColor() == 'white':
                    nextVert.setPred(currentVert.getId())
                    nextVert.setDistance(newCost)
                    pq.put((newCost, nextVert.id))
            currentVert.setColor('black')
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kruskal最小生成树

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class DisjointSet:

    def __init__(self, element=None):
        self._father = {}
        self._rank = {}
        # 初始化时每个元素单独成为一个集合
        if element is not None:
            for i in element:
                self.add(i)

    def add(self, x):
        # 添加新集合
        # 如果已经存在则跳过
        if x in self._father:
            return
        self._father[x] = x
        self._rank[x] = 0

    def _query(self, x):
        # 如果father[x] == x,说明x是树根
        if self._father[x] == x:
            return x
        self._father[x] = self._query(self._father[x])
        return self._father[x]

    def merge(self, x, y):
        if x not in self._father:
            self.add(x)
        if y not in self._father:
            self.add(y)
        # 查找到两个元素的树根
        x = self._query(x)
        y = self._query(y)
        # 如果相等,说明属于同一个集合
        if x == y:
            return
        # 否则将树深小的合并到树根大的上
        if self._rank[x] < self._rank[y]:
            self._father[x] = y
        else:
            self._father[y] = x
            # 如果树深相等,合并之后树深+1
            if self._rank[x] == self._rank[y]:
                self._rank[x] += 1

    # 判断是否属于同一个集合
    def same(self, x, y):
        return self._query(x) == self._query(y)
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    def kruskal(self):
        '''
        kruskal算法使用并查集类
        :return:
        '''
        disjoinset = DisjointSet([key.getId() for key in self])
        edges = []
        for v in self:
            for u in v.getConnections():
                edges.append((v.getId(),u.getId(),v.getWeight(u)))

        edges.sort(key = lambda a:a[2])

        minu_tree = []
        for edge in edges:
            u, v, w = edge
            if disjoinset.same(u, v):
                continue
            disjoinset.merge(u, v)
            self.getVertex(v).setPred(u)
            minu_tree.append(edge)
        for edge in minu_tree:
            self.getVertex(u)

        return minu_tree
    
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测试

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if __name__ =='__main__':

    g = Graph()
    g.addVertex('a')
    g.addVertex('b')
    g.addVertex('c')
    g.addVertex('d')
    g.addVertex('f')
    g.addVertex('h')
    g.addVertex('g')
    g.addVertex('i')
    g.addVertex('z')
    g.addEdge('a','b',4)
    g.addEdge('b','a',4)
    g.addEdge('a','h',8)
    g.addEdge('h','a',8)
    g.addEdge('b','c',8)
    g.addEdge('c','b',8)
    g.addEdge('b','h',1)
    g.addEdge('h','b',1)
    g.addEdge('h','i',7)
    g.addEdge('i','h',7)
    g.addEdge('c','i',2)
    g.addEdge('i','c',2)
    g.addEdge('c','d',7)
    g.addEdge('d','c',7)
    g.addEdge('i','g',4)
    g.addEdge('g','i',4)
    g.addEdge('g','f',2)
    g.addEdge('f','g',2)
    g.addEdge('f','z',10)
    g.addEdge('z','f',10)
    g.addEdge('d','f',14)
    g.addEdge('f','d',14)
    g.addEdge('d','z',9)
    g.addEdge('z','d',9)
    g.addEdge('c','f',6)
    g.addEdge('f','c',6)
    g.addEdge('h','g',1)
    g.addEdge('g','h',1)
    g.prim()
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()

    g.prim_simple()
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()
    x = g.kruskal()
    print(x)
    #输出
    # None a i c g b h g d 
    # 0 4 2 7 2 1 1 4 9 

    # a,0
    # b,4
    # h,1
    # g,1
    # f,2
    # i,4
    # c,2
    # d,7
    # z,9

    # None h i c g b h c d 
    # 0 1 2 7 2 1 1 2 9

    #(这个输出在遍历时被覆盖掉了,只能通过print打印查找记录) 
    # [('b', 'h', 1), ('h', 'g', 1), ('c', 'i', 2), ('f', 'g', 2), ('a', 'b', 4), ('g', 'i', 4), ('c', 'd', 7), ('d', 'z', 9)]
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单源最短路径

dijkstra单源最短路径

在这里插入图片描述
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    def dijkstra_simple(self,start = None):
        '''
         dijkstra单源最短路径简单版本
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)

        for i in range(self.numVertices):
            minDist = inf
            rec = 0
            for j in self:
                if j.getColor() == 'white' and j.getDistance() < minDist:
                    minDist = j.getDistance()
                    rec = j
            for u in rec.getConnections():
                if rec.getDistance() + rec.getWeight(u) < u.getDistance():
                    u.setDistance(rec.getDistance() + rec.getWeight(u))
                    u.setPred(rec.getId())
            rec.setColor('black')

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dijkstra单源最短路径(优先队列)

在这里插入图片描述
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    def dijkstra(self,start = None):
        '''
        dijkstra单源最短路径(使用优先队列)
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]


        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')

        start.setDistance(0)
        pq = queue.PriorityQueue()
        for v in list(self.getVertics()):
            pq.put((self.vertList[v].getDistance(),v))

        while not pq.empty():
            (t, currentVert) = pq.get()
            currentVert = self.vertList[currentVert]
            for nextVert in currentVert.getConnections():
                newDist = currentVert.getWeight(nextVert) + currentVert.getDistance()
                if newDist < nextVert.getDistance() and nextVert.getColor() == 'white':
                    nextVert.setPred(currentVert.getId())
                    nextVert.setDistance(newDist)
                    pq.put((newDist, nextVert.id))

            currentVert.setColor('black')

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测试

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if __name__ =='__main__':

    g = Graph()
    g.addVertex('s')
    g.addVertex('t')
    g.addVertex('x')
    g.addVertex('y')
    g.addVertex('z')
    g.addEdge('s','t',8)
    g.addEdge('s','y',5)
    g.addEdge('t','x',1)
    g.addEdge('t','y',2)
    g.addEdge('x','z',4)
    g.addEdge('y','t',3)
    g.addEdge('y','z',2)
    g.addEdge('y','x',9)
    g.addEdge('z','x',6)
    g.dijkstra()
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()

    g.dijkstra_simple()
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()
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bellman_ford单源最短路径

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

   def bellman_ford(self,start = None):
        '''
        bellman_ford算法
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        #可以用这种方法遍历 不过比较繁琐。
        # for v in self.getVertics():
        #     self.vertList[v].setDistance(inf)
        #     self.vertList[v].setPred(None)
        #     pred[v] = None
        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)


        start.setDistance(0)
        for i in range(self.numVertices-1):
            for v in self:
                for u in v.getConnections():
                    if v.getDistance() + v.getWeight(u) < u.getDistance():
                        u.setDistance(v.getDistance() + v.getWeight(u))
                        u.setPred(v.getId())


        for v in self:
            for u in v.getConnections():
                if v.getDistance() + v.getWeight(u) < u.getDistance():
                    print("存在负环")
                    return False
        return True
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测试

在这里插入图片描述


if __name__ =='__main__':

    bellman = Graph()
    bellman.addVertex('s')
    bellman.addVertex('t')
    bellman.addVertex('x')
    bellman.addVertex('y')
    bellman.addVertex('z')
    bellman.addEdge('s','t',6)
    bellman.addEdge('s','y',7)
    bellman.addEdge('t','x',5)
    bellman.addEdge('x','t',-2)
    bellman.addEdge('t','z',-4)
    bellman.addEdge('t','y',8)
    bellman.addEdge('y','z',2)
    bellman.addEdge('y','x',-3)
    bellman.addEdge('x','z',7)
    bellman.bellman_ford()
    for v in bellman:
        print(v)
    for v in bellman:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in bellman:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()
    #输出
    # None x y s t 
    # 0 2 4 7 -2 
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图的遍历的应用

有向图的环路存在性判断

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述


    def dfs_judge_cycle(self):

        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
            aVertex.setPred(-1)
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                if self.dfs_visit_judge_cycle(aVertex) == True:
                    return True
        return False

    def dfs_visit_judge_cycle(self, startVertex):
        startVertex.setColor('gray')
        startVertex.setDiscovery(self.time)
        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'gray':
                return True
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                nextVertex.setPred(startVertex.getId())
                if self.dfs_visit_judge_cycle(nextVertex) == True:
                    return True

            startVertex.setColor('black')
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拓扑排序

广度优先策略

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    #入度出度计算方法
    def getOutDegrees(self,vertex):
        '''
        获取某个顶点出度
        :param vertex:
        :return:
        '''

        return self.vertList[vertex].OutDegree

    def getInDegrees(self,vertex):
        '''
        获取某个顶点的入度(很蠢的一个做法哈哈)
        :param vertex:
        :return:
        '''
        #初始化完后遍历查找
        self.vertList[vertex].InDegree = 0
        for u in self:
            if self.vertList[vertex] in u.getConnections():
                self.vertList[vertex].InDegree += 1

        return self.vertList[vertex].InDegree
    def OutDegreeUpdate(self):
        for u in self:
            self.OutDegreeList[u.getId()] = len(u.getConnections())
    def InDegreeUpdate(self):
        for u in self:
            self.InDegreeList[u.getId()] = 0

        for u in self:
            for v in u.getConnections():
                self.InDegreeList[v.getId()] += 1

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    def topological_sort_bfs(self):

        self.InDegreeUpdate()
        vertQueue = queue.Queue()
        out = []

        for v in self:
            if self.InDegreeList[v.getId()] == 0:
                vertQueue.put(v)

        while vertQueue.empty() == False:
            currentVert = vertQueue.get()
            # print(currentVert.getId(),end=" ")
            out.append(currentVert.getId())
            for nbr in currentVert.getConnections():
                self.InDegreeList[nbr.getId()] = self.InDegreeList[nbr.getId()] - 1
                if self.InDegreeList[nbr.getId()] == 0:
                    vertQueue.put(nbr)
        # print()
        # print(out)
        return out


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深度优先策略

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

    def topological_sort_dfs(self):

        self.out = []
        L = []
        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                self.topological_sort_dfs_visit(aVertex, L)
        L.reverse()
        return L

    def topological_sort_dfs_visit(self, startVertex, L):

        startVertex.setColor('gray')

        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                self.topological_sort_dfs_visit(nextVertex, L)
        startVertex.setColor('black')
        L.append(startVertex.getId())
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测试

在这里插入图片描述

if __name__ == '__main__':

    #拓扑排序测试
    topological = Graph()
    topological.addVertex('短裤')
    topological.addVertex('长裤')
    topological.addVertex('腰带')
    topological.addVertex('衬衫')
    topological.addVertex('领带')
    topological.addVertex('外套')
    topological.addVertex('袜子')
    topological.addVertex('鞋')
    topological.addVertex('手表')
    topological.addEdge('袜子','鞋')
    topological.addEdge('短裤','鞋')
    topological.addEdge('短裤','长裤')
    topological.addEdge('长裤','鞋')
    topological.addEdge('长裤','腰带')
    topological.addEdge('衬衫','腰带')
    topological.addEdge('衬衫','领带')
    topological.addEdge('领带','外套')
    topological.addEdge('腰带','外套')
    x = topological.topological_sort_bfs()
    print(x)
    x = topological.topological_sort_dfs()
    print(x)
    #输出
    #['短裤', '衬衫', '袜子', '手表', '长裤', '领带', '鞋', '腰带', '外套']
    #['手表', '袜子', '衬衫', '领带', '短裤', '长裤', '腰带', '外套', '鞋']
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强连通分量

    #逆序图
    def reverse(self):
        new = Graph()
        for u in self:
            new.addVertex(u.getId())
        for u in self:
            for v in u.getConnections():
                new.addEdge(v.getId(),u.getId(),u.getWeight(v))
        new.InDegreeUpdate()
        new.OutDegreeUpdate()
        return new
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    def Strongly_Connected_Component(self):
        R = []
        G_r = self.reverse()
        L = G_r.dfs()
        for i in G_r:
            i.setColor('white')
        L_scc = []
        L.reverse()
        for i in L:
            if self.vertList[i].getColor() == 'white':
                self.dfsvisit(self.getVertex(i), L_scc)
                R.append(L_scc)
                L_scc = []
        return R
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测试

在这里插入图片描述

if __name__ == '__main__':
    #强联通分量测试
    scc = Graph()
    for i in range(1,11):
        scc.addVertex(i)
    scc.addEdge(1,10)
    scc.addEdge(10,1)
    scc.addEdge(1,3)
    scc.addEdge(3,4)
    scc.addEdge(4,1)
    scc.addEdge(8,10)
    scc.addEdge(8,9)
    scc.addEdge(9,8)
    scc.addEdge(9,7)
    scc.addEdge(7,7)
    scc.addEdge(3,7)
    scc.addEdge(4,6)
    scc.addEdge(6,5)
    scc.addEdge(5,2)
    scc.addEdge(2,6)
    R = scc.Strongly_Connected_Component()
    print(R)
    #输出
    #[[7], [5, 6, 2], [10, 4, 3, 1], [9, 8]]

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后记

主要是巩固一下python的编程能力,顺便复习一下数据结构与算法。
后续有精力把算法导论里的算法补全。
创造不易,请多多支持。

参考书目

1.中国大学MOOC北航《算法设计与分析》
2.Python数据结构与算法分析(第二版)

整体代码

import queue
import sys
import os
import unittest

inf = 65535
GRAY = 0
WHITE = -1
BLACK = 1


class DisjointSet:

    def __init__(self, element=None):
        self._father = {}
        self._rank = {}
        # 初始化时每个元素单独成为一个集合
        if element is not None:
            for i in element:
                self.add(i)

    def add(self, x):
        # 添加新集合
        # 如果已经存在则跳过
        if x in self._father:
            return
        self._father[x] = x
        self._rank[x] = 0

    def _query(self, x):
        # 如果father[x] == x,说明x是树根
        if self._father[x] == x:
            return x
        self._father[x] = self._query(self._father[x])
        return self._father[x]

    def merge(self, x, y):
        if x not in self._father:
            self.add(x)
        if y not in self._father:
            self.add(y)
        # 查找到两个元素的树根
        x = self._query(x)
        y = self._query(y)
        # 如果相等,说明属于同一个集合
        if x == y:
            return
        # 否则将树深小的合并到树根大的上
        if self._rank[x] < self._rank[y]:
            self._father[x] = y
        else:
            self._father[y] = x
            # 如果树深相等,合并之后树深+1
            if self._rank[x] == self._rank[y]:
                self._rank[x] += 1

    # 判断是否属于同一个集合
    def same(self, x, y):
        return self._query(x) == self._query(y)



class Vertex:
    '''
    创建一个空顶点
    '''
    def __init__(self,key):
        self.id = key
        self.connectedTo = {}
        self.color = 'white'
        self.dist = inf
        self.pred = None
        self.InDegree = 0
        self.OutDegree = 0

        self.disc = 0
        self.fin = 0
    def addNeighbor(self, nbr, weight = 0):
        '''
        添加邻接的顶点
        :param nbr: 邻接的顶点
        :param weight: 默认为0
        :return:
        '''
        self.connectedTo[nbr] = weight
        self.OutDegree += 1

    def getConnections(self):
        '''
        获取邻接的所以顶点
        :return:
        '''
        return self.connectedTo.keys()
    def getId(self):
        '''
        获取自身顶点的值
        :return:
        '''
        return self.id
    def getWeight(self, nbr):
        '''
        两顶点连接边的权重
        :param nbr:
        :return:
        '''
        return self.connectedTo[nbr]

    def setColor(self, color):
        '''
        设置顶点的颜色(一般设置为白色表示未访问,灰色表示待处理,黑色表示访问完成)。
        :param color: 字符串、或者int 例如 color = 'white' color = -1
        :return:
        '''
        self.color = color

    def getColor(self):
        '''
        获取顶点的颜色,(一般设置为白色表示未访问,灰色表示待处理,黑色表示访问完成)
        :return:
        '''
        return self.color

    def setDistance(self, d):
        '''
        设置顶点距离,(不同算法有不同的意义)如单源最短路径表示源点到该点最短距离,最小生成树表示离该顶点最小的权重。
        :param d:
        :return:
        '''
        self.dist = d

    def getDistance(self):
        '''
        获取该顶点的距离,(不同算法有不同的意义)如单源最短路径表示源点到该点最短距离,最小生成树表示离该顶点最小的权重。
        :return:
        '''
        return self.dist


    def setPred(self, p):
        '''
        设置该顶点的前驱顶点
        :param p:
        :return:
        '''
        self.pred = p

    def getPred(self):
        '''
        设置该顶点的前驱顶点
        :return:
        '''
        return self.pred


    ##以下方法用得不多,帮助理解。

    def setDiscovery(self, dtime):
        '''
        设置顶点发现时间。
        :param dtime:
        :return:
        '''
        self.disc = dtime
    def getDiscovery(self):
        '''
        获取顶点发现时间。
        :return:
        '''
        return self.disc

    def setFinish(self, ftime):
        '''
        设置顶点完成时间。
        :param ftime:
        :return:
        '''
        self.fin = ftime

    def getFinish(self):
        '''
        获取顶点完成时间。
        :return:
        '''
        return self.fin









    # def __str__(self):
    #     return str(self.id) + ":color " + self.color + ":disc " + str(self.disc) + ":fin " + str(
    #         self.fin) + ":dist " + str(self.dist) + ":pred \n\t[" + str(self.pred) + "]\n"
    def __str__(self):
        return str(self.id) + ":color " + self.color + ":disc " + str(self.disc) + ":fin " + str(
            self.fin) + ":dist " + str(self.dist) + ":pred \n\t[" + str(self.pred) + "]\n"




class Graph:
    '''
    新建一个空图。
    '''
    def __init__(self):
        '''
        初始化邻接表,顶点个数
        '''
        self.vertList = {}
        self.numVertices = 0
        self.time = 0
        self.InDegreeList = {}
        self.OutDegreeList = {}
    def addVertex(self, key):
        '''
        向图中添加一个顶点实例
        :param key:
        :return: None
        '''
        self.numVertices = self.numVertices + 1
        newVertex = Vertex(key)
        self.vertList[key] = newVertex
        return newVertex

    def getVertex(self, n):
        '''
        在图中找到名为n的顶点
        :param n:
        :return:
        '''
        if n in self.vertList:
            return self.vertList[n]
        else:
            return None
    def __contains__(self,n):
        '''
        对in进行重载
        :param n:
        :return:
        '''
        return n in self.vertList
    def addEdge(self, f, t, weight = 0):
        '''
        )向图中添加一条带权重cost的有向边,用于连接顶点f和t
        :param f:
        :param t:
        :param weight:
        :return: None
        '''
        if f not in self.vertList:
            nv = self.addVertex(f)
        if t not in self.vertList:
            nv = self.addVertex(t)
        self.vertList[f].addNeighbor(self.vertList[t],weight)

    def getVertics(self):
        '''
        以列表形式返回图中所有顶点
        :return: {}.keys()
        '''
        return self.vertList.keys()
    def __iter__(self):
        '''
        对迭代进行重载,方便遍历顶点邻接表
        :return:
        '''
        return iter(self.vertList.values())

    def getOutDegrees(self,vertex):
        '''
        获取某个顶点出度
        :param vertex:
        :return:
        '''

        return self.vertList[vertex].OutDegree

    def getInDegrees(self,vertex):
        '''
        获取某个顶点的入度(很蠢的一个做法哈哈)
        :param vertex:
        :return:
        '''
        #初始化完后遍历查找
        self.vertList[vertex].InDegree = 0
        for u in self:
            if self.vertList[vertex] in u.getConnections():
                self.vertList[vertex].InDegree += 1

        return self.vertList[vertex].InDegree
    def OutDegreeUpdate(self):
        for u in self:
            self.OutDegreeList[u.getId()] = len(u.getConnections())
    def InDegreeUpdate(self):
        for u in self:
            self.InDegreeList[u.getId()] = 0

        for u in self:
            for v in u.getConnections():
                self.InDegreeList[v.getId()] += 1




    def bfs(self,start = None):
        '''
        广度优先搜索
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]
        start.setDistance(0)
        start.setPred(None)
        vertQueue = queue.Queue()
        vertQueue.put(start)
        out = []
        while vertQueue.empty() == False:
            currentVert = vertQueue.get()
            for nbr in currentVert.getConnections():
                if nbr.getColor() == 'white':
                    nbr.setColor('gray')
                    nbr.setDistance(currentVert.getDistance() + 1)
                    nbr.setPred(currentVert.getId())
                    vertQueue.put(nbr)
            currentVert.setColor('black')
            out.append(currentVert.getId())
        return out

    def dfs(self):
        '''
        深度优先搜索
        :return:
        '''
        out = []
        self.time = 0
        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
            aVertex.setPred(None)
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                self.dfsvisit(aVertex,out)
        return out

    def dfsvisit(self, startVertex,out):
        startVertex.setColor('gray')
        self.time += 1
        startVertex.setDiscovery(self.time)
        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                nextVertex.setPred(startVertex.getId())
                self.dfsvisit(nextVertex,out)
        startVertex.setColor('black')
        self.time += 1
        startVertex.setFinish(self.time)
        out.append(startVertex.getId())


    def dfs_stack(self,start = None):
        '''
        用栈实现dfs 该方法在某些情况下会失效 比如遍历生成拓扑排序
        :param start:
        :return:
        '''
        from collections import deque
        stack = deque()
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setColor('white')
            v.setPred(None)
        stack.append(start)

        while len(stack) > 0:
            currentVert = stack.pop()
            for nbr in currentVert.getConnections():
                if nbr.getColor() == 'white':
                    stack.append(nbr)
                    nbr.setPred(currentVert.getId())
                    nbr.setColor('balck')


    def prim_simple(self,start = None):
        '''
        prim最小生成树简单版本
        :param start: 迭代起点
        :return:
        '''
        #在有向图中,有可能存在这样一种情况:两个节点之间来和回的权重不一样
        #所以prim在某些情况下会失效
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)

        for i in range(self.numVertices):
            minDist = inf
            rec = -1
            # rec = 0
            for j in self:
                if j.getColor() == 'white' and j.getDistance() < minDist:
                    minDist = j.getDistance()
                    rec = j
            print(('%s,%d')%(rec.getId(),rec.getDistance()))
            for u in rec.getConnections():
                if rec.getWeight(u) < u.getDistance():
                    u.setDistance(rec.getWeight(u))
                    # print(('%s,%s,%d')%(rec.getId(),u.getId(),rec.getWeight(u)))
                    u.setPred(rec.getId())

            rec.setColor('black')

            # for u in rec.getConnections():
            #     newCost = rec.getWeight(u) + rec.getDistance()
            #     if newCost < u.getDistance():
            #         u.setDistance(newCost)
            #         u.setPred(rec.getId())
            # rec.setColor('black')


    def prim(self,start = None):
        '''
        prim最小生成树(采用优先队列)
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)
        pq = queue.PriorityQueue()

        for v in list(self.getVertics()):

            pq.put((self.vertList[v].getDistance(),v))


        while not pq.empty():
            (t, currentVert) = pq.get()
            currentVert = self.vertList[currentVert]
            for nextVert in currentVert.getConnections():
                newCost = currentVert.getWeight(nextVert)
                if newCost < nextVert.getDistance() and nextVert.getColor() == 'white':
                    nextVert.setPred(currentVert.getId())
                    nextVert.setDistance(newCost)
                    pq.put((newCost, nextVert.id))
            currentVert.setColor('black')


    def dijkstra(self,start = None):
        '''
        dijkstra单源最短路径(使用优先队列)
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]


        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')

        start.setDistance(0)
        pq = queue.PriorityQueue()
        for v in list(self.getVertics()):
            pq.put((self.vertList[v].getDistance(),v))

        while not pq.empty():
            (t, currentVert) = pq.get()
            currentVert = self.vertList[currentVert]
            for nextVert in currentVert.getConnections():
                newDist = currentVert.getWeight(nextVert) + currentVert.getDistance()
                if newDist < nextVert.getDistance() and nextVert.getColor() == 'white':
                    nextVert.setPred(currentVert.getId())
                    nextVert.setDistance(newDist)
                    pq.put((newDist, nextVert.id))

            currentVert.setColor('black')
    def dijkstra_simple(self,start = None):
        '''
         dijkstra单源最短路径简单版本
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)

        for i in range(self.numVertices):
            minDist = inf
            rec = 0
            for j in self:
                if j.getColor() == 'white' and j.getDistance() < minDist:
                    minDist = j.getDistance()
                    rec = j
            for u in rec.getConnections():
                if rec.getDistance() + rec.getWeight(u) < u.getDistance():
                    u.setDistance(rec.getDistance() + rec.getWeight(u))
                    u.setPred(rec.getId())
            rec.setColor('black')


    def bellman_ford(self,start = None):
        '''
        bellman_ford算法
        :param start:
        :return:
        '''
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        #可以用这种方法遍历 不过比较繁琐。
        # for v in self.getVertics():
        #     self.vertList[v].setDistance(inf)
        #     self.vertList[v].setPred(None)
        #     pred[v] = None
        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)


        start.setDistance(0)
        for i in range(self.numVertices-1):
            for v in self:
                for u in v.getConnections():
                    print("(%s,%s,%s)" % (v.getId(), u.getId(), v.getWeight(u)))
                    if v.getDistance() + v.getWeight(u) < u.getDistance():
                        u.setDistance(v.getDistance() + v.getWeight(u))
                        u.setPred(v.getId())


        for v in self:
            for u in v.getConnections():
                if v.getDistance() + v.getWeight(u) < u.getDistance():
                    print("存在负环")
                    return False
                    break
        return True


    def kruskal(self):
        '''
        kruskal算法使用并查集类
        :return:
        '''
        disjoinset = DisjointSet([key.getId() for key in self])
        edges = []
        for v in self:
            for u in v.getConnections():
                edges.append((v.getId(),u.getId(),v.getWeight(u)))

        edges.sort(key = lambda a:a[2])

        minu_tree = []
        for edge in edges:
            u, v, w = edge
            if disjoinset.same(u, v):
                continue
            disjoinset.merge(u, v)
            self.getVertex(v).setPred(u)
            minu_tree.append(edge)
        for edge in minu_tree:
            self.getVertex(u)

        return minu_tree

    def dfs_judge_cycle(self):

        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
            aVertex.setPred(-1)
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                if self.dfs_visit_judge_cycle(aVertex) == True:
                    return True
        return False

    def dfs_visit_judge_cycle(self, startVertex):
        startVertex.setColor('gray')
        startVertex.setDiscovery(self.time)
        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'gray':
                return True
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                nextVertex.setPred(startVertex.getId())
                if self.dfs_visit_judge_cycle(nextVertex) == True:
                    return True

            startVertex.setColor('black')

    def topological_sort_bfs(self):

        self.InDegreeUpdate()
        vertQueue = queue.Queue()
        out = []

        for v in self:
            if self.InDegreeList[v.getId()] == 0:
                vertQueue.put(v)

        while vertQueue.empty() == False:
            currentVert = vertQueue.get()
            # print(currentVert.getId(),end=" ")
            out.append(currentVert.getId())
            for nbr in currentVert.getConnections():
                self.InDegreeList[nbr.getId()] = self.InDegreeList[nbr.getId()] - 1
                if self.InDegreeList[nbr.getId()] == 0:
                    vertQueue.put(nbr)
        # print()
        # print(out)
        return out

    def topological_sort_dfs(self):

        self.out = []
        L = []
        for aVertex in self:
            aVertex.setColor('white')
        for aVertex in self:
            if aVertex.getColor() == 'white':
                self.topological_sort_dfs_visit(aVertex, L)
        L.reverse()
        return L

    def topological_sort_dfs_visit(self, startVertex, L):

        startVertex.setColor('gray')

        for nextVertex in startVertex.getConnections():
            if nextVertex.getColor() == 'white':
                self.topological_sort_dfs_visit(nextVertex, L)
        startVertex.setColor('black')
        L.append(startVertex.getId())

    def Strongly_Connected_Component(self):
        R = []
        G_r = self.reverse()
        L = G_r.dfs()
        for i in G_r:
            i.setColor('white')
        L_scc = []
        L.reverse()
        for i in L:
            if self.vertList[i].getColor() == 'white':
                self.dfsvisit(self.getVertex(i), L_scc)
                R.append(L_scc)
                L_scc = []
        return R

    def reverse(self):
        new = Graph()
        for u in self:
            new.addVertex(u.getId())
        for u in self:
            for v in u.getConnections():
                new.addEdge(v.getId(),u.getId(),u.getWeight(v))
        new.InDegreeUpdate()
        new.OutDegreeUpdate()
        return new

    ###以下内容学习副产物 可以略过
    def prim_other(self,start = None):
        if start == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        for v in self:
            v.setDistance(inf)
            v.setPred(None)
            v.setColor('white')
        start.setDistance(0)
        pq = queue.PriorityQueue()

        for v in list(self.getVertics()):

            pq.put((self.vertList[v].getDistance(),v))


        while not pq.empty():
            (t, currentVert) = pq.get()
            currentVert = self.vertList[currentVert]
            for nextVert in currentVert.getConnections():
                newCost = currentVert.getWeight(nextVert) + currentVert.getDistance()
                if newCost < nextVert.getDistance() and nextVert.getColor() == 'white':
                    nextVert.setPred(currentVert.getId())
                    nextVert.setDistance(newCost)
                    pq.put((newCost, nextVert.id))
            currentVert.setColor('black')



    def BFS(self, s = None):
        if s == None:
            #若是未指定远点 默认取第一个顶点
            s = list(self.getVertics())[0]
        color = {}
        pred = {}
        dist = {}
        queue = []
        out = []
        for i in self.vertList:
            color[i] = WHITE
            dist[i] = inf
            pred[i] = -1

        color[s] = GRAY
        dist[s] = 0
        queue.append(s)
        while queue:
            u = queue.pop(0)
            for i in list(self.vertList[u].getConnections()):
                print(i)
                if color[i.id] == WHITE:
                    color[i.id] = GRAY
                    dist[i.id] = dist[u] + 1
                    pred[i.id] = u
                    queue.append(i.id)

            color[u] = BLACK
            out.append(u)

        print(out)
        print(pred.values())
        print(dist.values())
        return out,pred,dist

    def kruskal_simple(self):
        '''
        kruskal算法简约写法(未用类)
        :return:
        '''
        X = dict()
        R = dict()  # 各点的初始等级均为0,如果被做为连接的的末端,则增加1

        def make_set(point):
            X[point] = point
            R[point] = 0

        def find(point):
            if X[point] != point:
                X[point] = find(X[point])
            return X[point]

        def merge(point1, point2):
            '''连接两个分量(节点)
            '''
            r1 = find(point1)
            r2 = find(point2)
            if r1 != r2:
                if R[r1] > R[r2]:
                    X[r2] = r1
                else:
                    X[r1] = r2
                    if R[r1] == R[r2]:
                        R[r2] += 1

        edges = []
        for v in self:
            for u in v.getConnections():
                edges.append((v.getId(), u.getId(), v.getWeight(u)))
        print(edges)

        edges.sort(key=lambda a: a[2])
        print(edges)  # 按照权重从小到大排序

        for v in g:
            make_set(v.getId())
        minu_tree = []
        for edge in edges:
            v, u, weight = edge
            if find(v) != find(u):
                merge(v, u)
                self.getVertex(u).setPred(v)
                minu_tree.append(edge)
        return minu_tree


    def topological_sort_dfs_stack(self,start = None):
        from collections import deque
        stack = deque()
        if start == None:
            # 若是未指定远点 默认取第一个顶点
            start = self.vertList[list(self.getVertics())[0]]

        L = []
        for v in self:
            v.setColor('white')
        stack.append(start)

        while len(stack) > 0:
            currentVert = stack.pop()
            print(currentVert.getId())
            for nbr in currentVert.getConnections():
                print(nbr.getId())
                if nbr.getColor() == 'white':
                    stack.append(nbr)
                    nbr.setColor('balck')
            L.append(currentVert.getId())
        return L




def traverse(y):
    x = y
    while x.getPred():
        print(x.getId())
        x = x.getPred()
    print(x.getId)




# if __name__ == '__main__':
#     #强联通分量测试
#     scc = Graph()
#     for i in range(1,11):
#         scc.addVertex(i)
#     scc.addEdge(1,10)
#     scc.addEdge(10,1)
#     scc.addEdge(1,3)
#     scc.addEdge(3,4)
#     scc.addEdge(4,1)
#     scc.addEdge(8,10)
#     scc.addEdge(8,9)
#     scc.addEdge(9,8)
#     scc.addEdge(9,7)
#     scc.addEdge(7,7)
#     scc.addEdge(3,7)
#     scc.addEdge(4,6)
#     scc.addEdge(6,5)
#     scc.addEdge(5,2)
#     scc.addEdge(2,6)
#     R = scc.Strongly_Connected_Component()
#     print(R)

# if __name__ == '__main__':
#
#     #拓扑排序测试
#     topological = Graph()
#     topological.addVertex('短裤')
#     topological.addVertex('长裤')
#     topological.addVertex('腰带')
#     topological.addVertex('衬衫')
#     topological.addVertex('领带')
#     topological.addVertex('外套')
#     topological.addVertex('袜子')
#     topological.addVertex('鞋')
#     topological.addVertex('手表')
#     topological.addEdge('袜子','鞋')
#     topological.addEdge('短裤','鞋')
#     topological.addEdge('短裤','长裤')
#     topological.addEdge('长裤','鞋')
#     topological.addEdge('长裤','腰带')
#     topological.addEdge('衬衫','腰带')
#     topological.addEdge('衬衫','领带')
#     topological.addEdge('领带','外套')
#     topological.addEdge('腰带','外套')
#     x = topological.topological_sort_bfs()
#     print(x)
#     x = topological.topological_sort_dfs()
#     print(x)

# if __name__ =='__main__':
#
#     bellman = Graph()
#     bellman.addVertex('s')
#     bellman.addVertex('t')
#     bellman.addVertex('x')
#     bellman.addVertex('y')
#     bellman.addVertex('z')
#     bellman.addEdge('s','t',6)
#     bellman.addEdge('s','y',7)
#     bellman.addEdge('t','x',5)
#     bellman.addEdge('x','t',-2)
#     bellman.addEdge('t','z',-4)
#     bellman.addEdge('t','y',8)
#     bellman.addEdge('y','z',2)
#     bellman.addEdge('y','x',-3)
#     bellman.addEdge('x','z',7)
#     bellman.bellman_ford()
#     for v in bellman:
#         print(v)
#     for v in bellman:
#         print(v.getPred(),end = ' ')
#     print()
#     for v in bellman:
#         print(v.getDistance(),end = ' ')
#     print()

# if __name__ =='__main__':
#
#     g = Graph()
#     g.addVertex('s')
#     g.addVertex('t')
#     g.addVertex('x')
#     g.addVertex('y')
#     g.addVertex('z')
#     g.addEdge('s','t',8)
#     g.addEdge('s','y',5)
#     g.addEdge('t','x',1)
#     g.addEdge('t','y',2)
#     g.addEdge('x','z',4)
#     g.addEdge('y','t',3)
#     g.addEdge('y','z',2)
#     g.addEdge('y','x',9)
#     g.addEdge('z','x',6)
#     g.dijkstra()
#     for v in g:
#         print(v)
#     for v in g:
#         print(v.getPred(),end = ' ')
#     print()
#     for v in g:
#         print(v.getDistance(),end = ' ')
#     print()
#
#     g.dijkstra_simple()
#     for v in g:
#         print(v)
#     for v in g:
#         print(v.getPred(),end = ' ')
#     print()
#     for v in g:
#         print(v.getDistance(),end = ' ')
#     print()

# if __name__ =='__main__':
#
#     g = Graph()
#     g.addVertex('a')
#     g.addVertex('b')
#     g.addVertex('c')
#     g.addVertex('d')
#     g.addVertex('f')
#     g.addVertex('h')
#     g.addVertex('g')
#     g.addVertex('i')
#     g.addVertex('z')
#     g.addEdge('a','b',4)
#     g.addEdge('b','a',4)
#     g.addEdge('a','h',8)
#     g.addEdge('h','a',8)
#     g.addEdge('b','c',8)
#     g.addEdge('c','b',8)
#     g.addEdge('b','h',1)
#     g.addEdge('h','b',1)
#     g.addEdge('h','i',7)
#     g.addEdge('i','h',7)
#     g.addEdge('c','i',2)
#     g.addEdge('i','c',2)
#     g.addEdge('c','d',7)
#     g.addEdge('d','c',7)
#     g.addEdge('i','g',4)
#     g.addEdge('g','i',4)
#     g.addEdge('g','f',2)
#     g.addEdge('f','g',2)
#     g.addEdge('f','z',10)
#     g.addEdge('z','f',10)
#     g.addEdge('d','f',14)
#     g.addEdge('f','d',14)
#     g.addEdge('d','z',9)
#     g.addEdge('z','d',9)
#     g.addEdge('c','f',6)
#     g.addEdge('f','c',6)
#     g.addEdge('h','g',1)
#     g.addEdge('g','h',1)
#     g.prim()
#     for v in g:
#         print(v)
#     for v in g:
#         print(v.getPred(),end = ' ')
#     print()
#     for v in g:
#         print(v.getDistance(),end = ' ')
#     print()
#
#     g.prim_simple()
#     for v in g:
#         print(v)
#     for v in g:
#         print(v.getPred(),end = ' ')
#     print()
#     for v in g:
#         print(v.getDistance(),end = ' ')
#     print()
#     x = g.kruskal()
#     print(x)

if __name__ =='__main__':

    g = Graph()
    for i in range(1,9):
        g.addVertex(i)
    g.addEdge(1,2)
    g.addEdge(2,1)
    g.addEdge(1,5)
    g.addEdge(5,1)
    g.addEdge(2, 6)
    g.addEdge(6,2)
    g.addEdge(6, 3)
    g.addEdge(3,6)
    g.addEdge(6, 7)
    g.addEdge(7,6)
    g.addEdge(3, 7)
    g.addEdge(7,3)
    g.addEdge(3, 4)
    g.addEdge(4,3)
    g.addEdge(4, 8)
    g.addEdge(4,7)
    g.addEdge(7,4)
    g.addEdge(8,4)
    g.addEdge(7, 8)
    g.addEdge(8,7)


    g.bfs(g.vertList[2])
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()

    x = g.dfs()
    print(x)
    for v in g:
        print(v)
    for v in g:
        print(v.getPred(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDistance(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getDiscovery(),end = ' ')
    print()
    for v in g:
        print(v.getFinish(),end = ' ')
    print()
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