Java编程实现基于图的深度优先搜索和广度优先搜索完整代码

为了解15puzzle问题，了解了一下深度优先搜索和广度优先搜索。先来讨论一下深度优先搜索(DFS)，深度优先的目的就是优先搜索距离起始顶点最远的那些路径，而广度优先搜索则是先搜索距离起始顶点最近的那些路径。我想着深度优先搜索和回溯有什么区别呢？百度一下，说回溯是深搜的一种，区别在于回溯不保留搜索树。那么广度优先搜索(BFS)呢?它有哪些应用呢？答：最短路径，分酒问题，八数码问题等。言归正传，这里笔者用java简单实现了一下广搜和深搜。其中深搜是用图+栈实现的，广搜使用图+队列实现的，代码如下：

1.新建一个表示“无向图”类NoDirectionGraph

package com.wly.algorithmbase.datastructure;
/**
 * 无向图
 * @author wly
 *
 */
public class NoDirectionGraph {
	private int mMaxSize;
	//图中包含的最大顶点数
	private GraphVertex[] vertexList;
	//顶点数组
	private int[][] indicatorMat;
	//指示顶点之间的连通关系的邻接矩阵
	private int nVertex;
	//当前实际保存的顶点数目
	public NoDirectionGraph(int maxSize) {
		mMaxSize = maxSize;
		vertexList = new GraphVertex[mMaxSize];
		indicatorMat = new int[mMaxSize][mMaxSize];
		nVertex = 0;
		//初始化邻接矩阵元素为0
		for (int j=0;j<mMaxSize;j++) {
			for (int k=0;k<mMaxSize;k++) {
				indicatorMat[j][k] = 0;
			}
		}
	}
	public void addVertex(GraphVertex v) {
		if(nVertex < mMaxSize) {
			vertexList[nVertex++] = v;
		} else {
			System.out.println("---插入失败，顶点数量已达上限!");
		}
	}
	/**
   * 修改邻接矩阵，添加新的边
   * @param start
   * @param end
   */
	public void addEdge(int start,int end) {
		indicatorMat[start][end] = 1;
		indicatorMat[end][start] = 1;
	}
	/**
   * 打印邻接矩阵
   */
	public void printIndicatorMat() {
		for (int[] line:indicatorMat) {
			for (int i:line) {
				System.out.print(i + " ");
			}
			System.out.println();
		}
	}
	/**
   * 深度优先遍历
   * @param vertexIndex 表示要遍历的起点,即图的邻接矩阵中的行数
   */
	public void DFS(int vertexIndex) {
		ArrayStack stack = new ArrayStack();
		//1.添加检索元素到栈中
		vertexList[vertexIndex].setVisited(true);
		stack.push(vertexIndex);
		int nextVertexIndex = getNextVertexIndex(vertexIndex);
		while(!stack.isEmpty()) {
			//不断地压栈、出栈，直到栈为空(检索元素也没弹出了栈)为止
			if(nextVertexIndex != -1) {
				vertexList[nextVertexIndex].setVisited(true);
				stack.push(nextVertexIndex);
				stack.printElems();
			} else {
				stack.pop();
			}
			//检索当前栈顶元素是否包含其他未遍历过的节点
			if(!stack.isEmpty()) {
				nextVertexIndex = getNextVertexIndex(stack.peek());
			}
		}
	}
	/**
   * 得到当前顶点的下一个顶点所在行
   * @param column
   * @return
   */
	public int getNextVertexIndex(int column) {
		for (int i=0;i<indicatorMat[column].length;i++) {
			if(indicatorMat[column][i] == 1 && !vertexList[i].isVisited()) {
				return i;
			}
		}
		return -1;
	}
	/**
   * 广度优先遍历
   * @param vertexIndex 表示要遍历的起点,即图的邻接矩阵中的行数
   */
	public void BFS(int vertexIndex) {
		ChainQueue queue = new ChainQueue();
		vertexList[vertexIndex].setVisited(true);
		queue.insert(new QueueNode(vertexIndex));
		int nextVertexIndex = getNextVertexIndex(vertexIndex);
		while(!queue.isEmpty()) {
			if(nextVertexIndex != -1) {
				vertexList[nextVertexIndex].setVisited(true);
				queue.insert(new QueueNode(nextVertexIndex));
			} else {
				queue.remove();
			}
			if(!queue.isEmpty()) {
				nextVertexIndex = getNextVertexIndex(queue.peek().data);
				queue.printElems();
			}
		}
	}
}

2.然后是一个用数组模拟的栈ArrayStack

package com.wly.algorithmbase.datastructure;
/**
 * 使用数组实现栈结构
 * @author wly
 *
 */
public class ArrayStack {
	private int[] tArray;
	private int topIndex = -1;
	//表示当前栈顶元素的索引位置
	private int CAPACITY_STEP = 12;
	//数组容量扩展步长
	public ArrayStack() {
		/***创建泛型数组的一种方法***/
		tArray = new int[CAPACITY_STEP];
	}
	/**
   * 弹出栈顶元素方法
   * @return
   */
	public int pop() {
		if(isEmpty()) {
			System.out.println("错误，栈中元素为空，不能pop");
			return -1;
		} else {
			int i = tArray[topIndex];
			tArray[topIndex--] = -1;
			//擦除pop元素
			return i;
		}
	}
	/**
   * 向栈中插入一个元素
   * @param t
   */
	public void push(int t) {
		//检查栈是否已满
		if(topIndex == (tArray.length-1)) {
			//扩展容量
			int[] tempArray = new int[tArray.length + CAPACITY_STEP];
			for (int i=0;i<tArray.length;i++) {
				tempArray[i] = tArray[i];
			}
			tArray = tempArray;
			tempArray = null;
		} else {
			topIndex ++;
			tArray[topIndex] = t;
		}
	}
	/**
   * 得到栈顶元素，但不弹出
   * @return
   */
	public int peek() {
		if(isEmpty()) {
			System.out.println("错误，栈中元素为空，不能peek");
			return -1;
		} else {
			return tArray[topIndex];
		}
	}
	/**
   * 判断当前栈是否为空
   * @return
   */
	public Boolean isEmpty() {
		return (topIndex < 0);
	}
	/**
   * 打印栈中元素
   */
	public void printElems() {
		for (int i=0;i<=topIndex;i++) {
			System.out.print(tArray[i] + " ");
		}
		System.out.println();
	}
}

3.在一个用链表模拟的队列ChainQueue

package com.wly.algorithmbase.datastructure;
/**
 * 使用链表实现队列
 *
 * @author wly
 *
 */
public class ChainQueue {
	private QueueNode head;
	// 指向队列头节点
	private QueueNode tail;
	// 指向队列尾节点
	private int size = 0;
	// 队列尺寸
	public ChainQueue() {
	}
	/**
   * 插入新节点到队列尾
   */
	public void insert(QueueNode node) {
		// 当然也可以这么写,添加tail.prev = node
		if (head == null) {
			head = node;
			tail = head;
		} else {
			node.next = tail;
			tail.prev = node;
			// 双向连接，确保head.prev不为空
			tail = node;
		}
		size++;
	}
	/**
   * 移除队列首节点
   */
	public QueueNode remove() {
		if (!isEmpty()) {
			QueueNode temp = head;
			head = head.prev;
			size--;
			return temp;
		} else {
			System.out.println("异常操作，当前队列为空!");
			return null;
		}
	}
	/**
   * 队列是否为空
   *
   * @return
   */
	public Boolean isEmpty() {
		if (size > 0) {
			return false;
		} else {
			return true;
		}
	}
	/**
   * 返回队列首节点，但不移除
   */
	public QueueNode peek() {
		if (!isEmpty()) {
			return head;
		} else {
			System.out.println();
			System.out.println("异常操作，当前队列为空!");
			return null;
		}
	}
	/**
   * 返回队列大小
   *
   * @return
   */
	public int size() {
		return size;
	}
	/**
   * 打印队列中的元素
   */
	public void printElems() {
		QueueNode tempNode = head;
		while(tempNode != null) {
			System.out.print(tempNode.data + " ");
			tempNode = tempNode.prev;
		}
		System.out.println();
	}
}
/**
 * 节点类
 *
 * @author wly
 *
 */
class QueueNode {
	QueueNode prev;
	QueueNode next;
	int data;
	public QueueNode(int data) {
		this.data = data;
	}
	public int getData() {
		return data;
	}
	public void setData(int data) {
		this.data = data;
	}
	@Override
	  public String toString() {
		// TODO Auto-generated method stub
		super.toString();
		return data + "";
	}
}

4.测试一下Test_BFS_DFS

package com.wly.algorithmbase.search;
import com.wly.algorithmbase.datastructure.GraphVertex;
import com.wly.algorithmbase.datastructure.NoDirectionGraph;
/**
 * 基于图的深度优先搜索
 * @author wly
 *
 */
public class Test_BFS_DFS {
	public static void main(String[] args) {
		//初始化测试数据
		NoDirectionGraph graph = new NoDirectionGraph(7);
		graph.addVertex(new GraphVertex("A"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("B"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("C"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("D"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("E"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("F"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("G"));
		graph.addEdge(0, 1);
		graph.addEdge(0, 2);
		graph.addEdge(1, 3);
		graph.addEdge(1, 4);
		graph.addEdge(3, 6);
		graph.addEdge(2, 5);
		System.out.println("--图的邻接矩阵--");
		graph.printIndicatorMat();
		//测试深搜
		System.out.println("--深度优先搜索--");
		graph.DFS(0);
		graph = new NoDirectionGraph(7);
		graph.addVertex(new GraphVertex("A"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("B"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("C"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("D"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("E"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("F"));
		graph.addVertex(new GraphVertex("G"));
		graph.addEdge(0, 1);
		graph.addEdge(0, 2);
		graph.addEdge(1, 3);
		graph.addEdge(1, 4);
		graph.addEdge(3, 6);
		graph.addEdge(2, 5);
		System.out.println("--广度优先搜索--");
		graph.BFS(0);
	}
}

这里测试的图结构如下:

运行结果如下:

--图的邻接矩阵--
0 1 1 0 0 0 0
1 0 0 1 1 0 0
1 0 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0
--深度优先搜索--
0 1
0 1 3
0 1 3 6
0 1 4
0 2
0 2 5
--广度优先搜索--
0 1
0 1 2
1 2
1 2 3
1 2 3 4
2 3 4
2 3 4 5
3 4 5
3 4 5 6
4 5 6
5 6
6  

这里需要说明一下上面深搜和广搜的运行结果，其中0,1,2,3…分别对应着A,B,C,D...有点绕哈，，见谅~~
O啦~~~

总结

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