C++之求有向无环图的最长路径(拓扑排序+动态规划)

        最近在做求有向无环图的最长路径的问题,当然,求最长路径有许多方法,比如可以直接用Floyd算法来求,只需稍微改动一下,不过用拓扑排序+动态规划来做,百度搜索了一下,介绍这方面的资料不够完善,也许会让许多人不够清楚实现原理,在这里,我讲解一下自己的一些思路,分成四部分进行编程:


      一、创建有向无环图:

      我用的数据存储结构是邻接矩阵,如果用邻接表也是可以的。这里就不多作解释,直接进入关键代码部分。

        

      二、拓扑排序:

      官方解释是:对一个有向无环图(Directed Acyclic Graph简称DAG)G进行拓扑排序,是将G中所有顶点排成一个线性序列,使得图中任意一对顶点u和v,若边(u,v)∈E(G),则u在线性序列中出现在v之前。

      用通俗的话来讲就是,比如你要选课A、B、C,但是读B要先选A,读A要先选C,所以,进行拓扑排序后,就是C、A、B。

      所以在创建图的时候,要用一个标志数组indegree[]来保存每个顶点的入度,另外,在进行下面求最长路径的时候,需要用到拓扑排序的结果,所以还需要一个数组topo[]来记录拓扑排序的结果。

      拓扑排序里,都先找到入度为0的顶点,然后把它取出来(让它的入度等于负数进行实现),保存在topo[]里面,接着更新其他与这个顶点相邻的其他顶点的入度,最后,循环即可。

     

     三、求最长路径:

     只要知道了动态规划的公式就好,这里直接给出公式maxPath[v]=max{maxPaht[v],maxPath[k]+e[k][v]},其中maxPath[v]表示的是起始点到点v的最长路径,e[k][v]表示点k到点v的距离。这个公式的意思是,假如有A、B、C三个点,求maxPath[C],要么直接取maxPath[C],要么取maxPath[A]+e[A][C],要么取maxPath[B]+e[B][C]。当然,这个公式的所需要的顶点需要按顺序取自拓扑排序的结果,否则,有可能在进行求maxPath[k]+e[k][v]的时候,maxPath[k]并不是最长的,造成结果出错。

   

       四、求最长路线:

     这个我想了挺久的,最后想到的方法是用一个二维矩阵(N*N)保存每一个点到点的最长路径,对第N列进行排序,取出第N列中最大的一个数a,记录下行号R和列号C(在v1—>v2中,行对应的是v1,列对应的是v2),然后把列号C压进栈里(输出的时候直接输出就是最长路线了),接着按照这个数字a的行号R找到相同数字的列号R’(比如a数字在的位置是[4][5],行号是4,则找到第4列),令N=R‘,重复以上步骤即可。

     

    下面贴出源代码仅供参考:


    

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <stack>
using namespace std;

char *v;//顶点数组,下标为顶点号,值为顶点名称(用在创建有向无环图中)
int **e;//边的二维矩阵(用在创建有向无环图中)

int *indegree;//保存顶点入度数的数组(求拓扑排序)
int *topo;//保存拓扑排序结果的数组(求拓扑排序)

int *maxPath;//保存到此点的最长路径(求最长路径)

//创建有向无环图
void creatGraph(int vSize,int eSize)
{
	//初始化
	int i,j,k,c;
	char a,b;
	indegree=new int[vSize];
	topo=new int[vSize];	
    v=new char[vSize];
	e=new int*[vSize];
	for(i=0;i<vSize;i++)
		 e[i]=new int[vSize];
	for(i=0;i<vSize;i++)
		for(j=0;j<vSize;j++)
			e[i][j]=0;
	for(i=0;i<vSize;i++)
	{
		indegree[i]=0;
		topo[i]=0;
	}

	//建图
	cout<<endl<<"请输入各顶点名称:";
	for(i=0;i<vSize;i++)
		cin>>v[i];
	cout<<endl<<"请先后输入顶点V1和V2(表示V1->V2)以及权值,按换行键继续"<<endl;
	for(i=0;i<eSize;i++)
	{
	    cin>>a>>b>>c;
		for(j=0;j<vSize;j++) 
		   if(v[j]==a) break;
		for(k=0;k<vSize;k++)
		   if(v[k]==b) break;
		   e[j][k]=c;
		   indegree[k]++;//入度+1

	}
}

//拓扑排序
void topologicalSort(int vSize)
{
	int i,j,k;
	for(i=0;i<vSize;i++) //vSize次循环
	{
		j=0;
		while(j<vSize&&indegree[j]!=0) j++;//找到入度为0的顶点
		topo[i]=j;//保存
		indegree[j]=-1;// 设结点j为入度为-1,以免再次输出j
		
		for(k=0;k<vSize;k++)//更新其他入度点
			if(e[j][k]!=0)
				indegree[k]--;
	}
}

//最长路径
void getMaxPath(int vSize)
{
	//初始化
	int i,j,k,v1,v2,max=0,**path,*p;
	maxPath=new int[vSize];            //保存最长路径,表示到顶点N的最长路径
	p=new int[vSize];                  //用来处理最长路线的选择顶点
    path=new int*[vSize];	           //用来保存点到点的最长路径矩阵
	for(i=0;i<vSize;i++)
		 path[i]=new int[vSize];
	for(i=0;i<vSize;i++)
		for(j=0;j<vSize;j++)
			path[i][j]=0;
	for(i=0;i<vSize;i++)
	{   
		maxPath[i]=0;
		p[i]=0;		
	}

		//关键代码,求最长路径
		for(j=0;j<vSize;j++)
		{
			v2=topo[j];
			for(k=0;k<j;k++)
			{
				 v1=topo[k];
	             if(e[v1][v2]!=0)                     //表示有路
                 {   
					 if(maxPath[v1]+e[v1][v2]>maxPath[v2])
		                maxPath[v2]=maxPath[v1]+e[v1][v2];

				     if(maxPath[v2]>max)
					 {
				        max=maxPath[v2];//保存长度
					    path[v1][v2]=max;									     
					 }
				 }
			}					
		}

		//求最长路线
        stack<int> s;//保存线路
		for(i=vSize-1;i>0;)
		{
			for(j=0;j<vSize;j++)
			{
				p[j]=path[j][i];  								
			}
			sort(p,p+vSize);
			int maxValue=p[j-1];
			if(maxValue!=0)  
			{
			    for(j=0;j<vSize;j++)
				{
				    if(path[j][i]==maxValue)
					{
					   s.push(i);
					   i=j;
				       if(i==0)
						  s.push(i);
					   break;
					}  
				}
			}
		}

		//输出结果
		cout<<endl<<"最长路径的长度是:"<<max<<endl<<"最长路径为:";
		int len=s.size();
		for(i=0;i<len;i++)
		{
			if(i!=0) cout<<" -> "; 
			cout<<v[s.top()];
	    	s.pop();
		}		
		cout<<endl<<endl;
}

int main()
{
	int vSize,eSize,i;
	while(1)
	{
		cout<<"·请分别输入有向无环图的顶点数和边数:";
		cin>>vSize>>eSize;

	    creatGraph(vSize,eSize);//创建图
        topologicalSort(vSize);//拓扑排序
		getMaxPath(vSize);//最长路径
			
	}
	return 0;
}

欢迎大家交流~

    

     


    

      

        

    原文作者:拓扑排序
    原文地址: https://blog.csdn.net/u010519432/article/details/26751867
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