图的建立与遍历（递归和非递归）

亦凉 2022-03-26 01:48 238阅读 0赞

实验要求：

**1****．分别实现图的邻接矩阵、邻接表存储结构的建立算法，分析和比较各建立算法的时间复杂度以及存储结构的空间占用情况；**

**2****．实现图的邻接矩阵、邻接表两种存储结构的相互转换算法；**

**3****．在上述两种存储结构上，分别实现图的深度优先搜索（递归和非递归****)****和广度优先搜索算法。并以适当的方式存储和显示相应的搜索结果（深度优先或广度优先生成森林（或生成树）、深度优先或广度优先序列和编号）；**

**4****．分析搜索算法的时间复杂度；**

**5****．以文件形式输入图的顶点和边，并显示相应的结果。要求顶点不少于****10****个，边不少于****13****个**

输入文件graph\_read.txt:

15  
25  
a  
b  
c  
d  
e  
f  
g  
h  
i  
j  
k  
l  
m  
n  
o  
1,3  
1,4  
2,3  
2,5  
2,6  
3,4  
3,2  
4,7  
5,4  
6,8  
6,10  
6,2  
8,9  
9,11  
9,13  
10,11  
10,13  
10,14  
11,12  
11,8  
12,13  
12,11  
12,5  
13,14  
14,15

读出文件grapg\_write.txt自己建立为空。

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #define MAX_LEN 20
    int visited[MAX_LEN];  //记录顶点是否访问过
    typedef struct node  //边表结点
    {
        int adjvex;  //下标
        struct node *next;
    }EdgeNode;
    typedef struct   //顶点表结点
    {
        char vertexdata; //顶点数据域
        EdgeNode * firstedge;//边链表头指针
    }VertexNode;
    typedef struct  //图的邻接表
    {
        VertexNode verlist[MAX_LEN];
        int n,e;    //顶点数和边数
    }AdjGraph;
    
    typedef struct   //顶点
    {
        char value;
    }Vertexdata;
    typedef struct  //图的邻接矩阵
    {
        Vertexdata verlist[MAX_LEN];
        int edges[MAX_LEN][MAX_LEN];
        int n,e;//顶点数和边数
    }MTGraph;
    
    typedef struct  //建立队列
    {
        int data[MAX_LEN];
        int front,rear;
    }Queue;
    
    typedef struct  //栈的数组实现
    {
        int data[MAX_LEN];
        int top;
    }Stack;
    
    Stack *Createstack()  //为栈分配空间
    {
        Stack *p;
        p = (Stack *)malloc(sizeof(*p));
        p->top = -1;
        return p;
    }
    
    void Push(Stack *p,int x)  //压栈
    {
        if (p->top == MAX_LEN - 1)
        {
            printf("栈满！\n");
            return ;
        }
        p->top++;
        p->data[p->top] = x;
    }
    
    void Pop(Stack *L)  //出栈
    {
        if (L->top == -1)
        {
            printf("栈空！\n");
            return ;
        }
        L->top--;
    }
    
    int TOP(Stack *L) //栈顶
    {
        int x;
        if (L->top == -1)
        {
            printf("栈空！\n");
            return -1;
        }
        x = L->data[L->top];
        return x;
    }
    
    int Empty(Stack *L) //判断栈是否为空
    {
        return (L->top == -1);
    }
    
    void InitQueue(Queue *Q) //初始化队列
    {
        Q->front = 0;
        Q->rear = 0;
    }
    
    void EnQueue(Queue *Q ,int x)  //入队
    {
        if((Q->rear+1)%MAX_LEN==Q->front)
        {
            printf("队列满！\n");
            return;
        }
        Q->data[Q->rear] = x;
        Q->rear = (Q->rear+1)%MAX_LEN;
    }
    
    int QueueEmpty(Queue Q) //判断队列是否为空
    {
        if(Q.front==Q.rear)
            return 1;
        else
            return 0;
    }
    
    int DeQueue(Queue *Q) //出队
    {
        int x;
        if(Q->front==Q->rear)
        {
            printf("队列空！\n");
            return;
        }
        x = Q->data[Q->front];
        Q->front = (Q->front+1)%MAX_LEN;
        return x;
    }
    
    void ReadMatrix(MTGraph *G)//从graph_read.txt中读入邻接矩阵
    {
        FILE *fp;
        int i,x,y;
        fp=fopen("graph_read.txt","r");
        if(fp==NULL)
        {
            printf("读取文件graph_read.txt失败！\n");
            exit(0);
        }
        memset(G->edges,0,sizeof(G->edges)); //邻接矩阵元素初始化为0
        fscanf(fp,"%d",&G->n);
        fscanf(fp,"%d",&G->e);
        for(i=0;i<G->n;i++)
        {
            fscanf(fp," %c",&G->verlist[i].value);
        }
        for(i=0;i<G->e;i++)
        {
            fscanf(fp,"%d,%d",&x,&y);
            G->edges[x-1][y-1]=1;
        }
        fclose(fp);
    }
    
    void ReadList(AdjGraph *L)//从graph_read.txt中读入邻接表
    {
        FILE *fp;
        int i,x,y;
        VertexNode *vertex;
        EdgeNode *edge,*p;
        fp=fopen("graph_read.txt","r");
        if(fp==NULL)
        {
            printf("读取文件graph_read.txt失败！\n");
            exit(0);
        }
        fscanf(fp,"%d",&L->n);
        fscanf(fp,"%d",&L->e);
        for(i=0;i<L->n;i++)
        {
            fscanf(fp," %c",&L->verlist[i].vertexdata);
            L->verlist[i].firstedge=NULL;
        }
        for(i=0;i<L->e;i++)
        {
            edge = (EdgeNode*)malloc(sizeof(EdgeNode));
            edge->adjvex=0;
            fscanf(fp,"%d,%d",&x,&y);
            if( L->verlist[x-1].firstedge==NULL)  //头插法
            {
                L->verlist[x-1].firstedge=edge;
                edge->next=NULL;
                edge->adjvex=y-1;
            }
            if(L->verlist[x-1].firstedge->next==NULL)
            {
                L->verlist[x-1].firstedge->next=edge;
                edge->next=NULL;
                edge->adjvex=y-1;
            }
            else
            {
                p=L->verlist[x-1].firstedge->next;
                L->verlist[x-1].firstedge->next=edge;
                edge->adjvex=y-1;
                edge->next=p;
            }
        }
        fclose(fp);
    }
    
    void PrintMatrix(MTGraph G) //打印邻接矩阵
    {
        int i,j;
        printf("图的邻接矩阵如下:\n");
        printf("  ");
        for(i=0;i<G.n;i++)
            printf("%c ",G.verlist[i].value);
        printf("\n");
        for(i=0;i<G.n;i++)
        {
            printf("%c ",G.verlist[i].value);
            for(j=0;j<G.n;j++)
            {
                printf("%d ",G.edges[i][j]);
            }
            printf("\n");
        }
    }
    
    void PrintList(AdjGraph *L) //打印邻接表
    {
        int i;
        printf("图的邻接表如下：\n");
        for(i=0;i<L->n;i++)
        {
            printf("%c->",L->verlist[i].vertexdata);
            while(L->verlist[i].firstedge!=NULL)
            {
                printf("%c->",L->verlist[L->verlist[i].firstedge->adjvex].vertexdata);
                if(L->verlist[i].firstedge->next!=NULL)
                {L->verlist[i].firstedge = L->verlist[i].firstedge->next;}
                else
                    break;
            }
            printf("#\n");
        }
    }
    
    void DFS_recursive_Matrix(MTGraph G) //邻接矩阵深度遍历(递归)主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");   //文件结尾添加内容用append
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write.txt失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接矩阵深度遍历(递归)结果为:  ");
        for(i=0;i<G.n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < G.n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                DFS_Matrix1(fp,G,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void DFS_Matrix1(FILE *fp,MTGraph G, int i)
    {
        int j;
        visited[i] = 1;
        printf("%c ", G.verlist[i].value);
        fprintf(fp,"%c ",G.verlist[i].value);
        for (j=0; j<G.n; j++)
        {
            if (G.edges[i][j] !=0  &&  !visited[j])
                DFS_Matrix1(fp,G, j);
        }
    }
    
    void DFS_recursive_List(AdjGraph *L)  //邻接表深度遍历(递归)主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write.txt失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接表深度遍历(递归)结果为:  ");
        for(i=0;i<L->n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < L->n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                DFS_List1(fp,L,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void DFS_List1(FILE *fp,AdjGraph *L, int i)
    {
        int j;
        EdgeNode *p;
        visited[i] = 1;
        printf("%c ", L->verlist[i].vertexdata);
        fprintf(fp,"%c ",L->verlist[i].vertexdata);
        p = L->verlist[i].firstedge;
        while(p)
        {
            if(!visited[p->adjvex])
            {
                DFS_List1(fp,L,p->adjvex); //递归深度遍历
            }
            p= p->next;
        }
    }
    
    void BFS_Matrix(MTGraph G)  //邻接矩阵广度遍历主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");   //文件结尾添加内容用append
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接矩阵广度遍历结果为:  ");
        for(i=0;i<G.n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < G.n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                BFS1(fp,G,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void BFS1(FILE *fp, MTGraph G , int i)
    {
        int j,k;
        Queue Q;
        InitQueue(&Q);
        printf("%c ",G.verlist[i].value);
        fprintf(fp,"%c ",G.verlist[i].value);
        visited[i] = 1;   //访问过则做标记，并且进队
        EnQueue(&Q,i);
        while(!QueueEmpty(Q))
        {
            j = DeQueue(&Q);
            for(k=0;k<G.n;k++)  //依次搜索j的邻接点
            {
                if(G.edges[j][k]==1&& !visited[k]) //如果k没访问过 ， 访问并入队
                {
                    printf("%c ",G.verlist[k].value);
                    fprintf(fp,"%c ",G.verlist[k].value);
                    visited[k]=1;
                    EnQueue(&Q,k);
                }
            }
        }
    }
    
    void BFS_List(AdjGraph *L)  //邻接表广度遍历主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");   //文件结尾添加内容用append
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write.txt失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接表广度遍历结果为:  ");
        for(i=0;i<L->n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < L->n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                BFS2(fp,L,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void BFS2(FILE *fp,AdjGraph *L,int i)
    {
        int j;
        EdgeNode *p;
        Queue Q;
        InitQueue(&Q);
        printf("%c ",L->verlist[i].vertexdata);
        fprintf(fp,"%c ",L->verlist[i].vertexdata);
        visited[i] = 1;   //访问过则做标记，并且进队
        EnQueue(&Q,i);
        while(!QueueEmpty(Q))
        {
            j = DeQueue(&Q);
            p =L->verlist[j].firstedge;  //取头指针
            while(p)  //直到某个顶点所有邻接点访问完
            {
                if(!visited[p->adjvex])
                {
                    printf("%c ",L->verlist[p->adjvex].vertexdata);
                    fprintf(fp,"%c ",L->verlist[p->adjvex].vertexdata);
                    visited[p->adjvex] = 1;   //访问过则做标记，并且进队
                    EnQueue(&Q,p->adjvex);
                }
                p=p->next;
            }
        }
    }
    
    void DFS_non_recursive_Matrix(MTGraph G)  //邻接矩阵深度遍历(非递归)主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");   //文件结尾添加内容用append
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接矩阵深度遍历(非递归)结果为:  ");
        for(i=0;i<G.n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < G.n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                DFS_Matrix2(fp,G,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void DFS_Matrix2(FILE *fp,MTGraph G, int i)
    {
        int data,j;
        Stack *s;
        s = Createstack();  //创建一个栈
        printf("%c ",G.verlist[i].value);
        fprintf(fp,"%c ",G.verlist[i].value);
        visited[i]=1;
        Push(s,i);
        while(!Empty(s))
        {
            data = TOP(s);  //反复取栈顶
            for(j=0;j<G.n;j++)
            {
                if(G.edges[data][j] && !visited[j])
                {
                    printf("%c ",G.verlist[j].value);  //访问并压栈
                    fprintf(fp,"%c ",G.verlist[j].value);
                    visited[j]=1;
                    Push(s,j);
                    break;  //直接去取栈顶
                }
            }
            if(j==G.n)
                Pop(s);  //如果data相邻的结点都访问结束了 ，就弹出data
        }
    }
    
    void DFS_non_recursive_List(AdjGraph *L)  //邻接表深度遍历(非递归)主算法
    {
        int i;
        FILE *fp;
        fp=fopen("graph_write.txt","a+");   //文件结尾添加内容用append
        if(fp==NULL)
        {
            printf("写入文件graph_write失败！\n");
            return -1;
        }
        fprintf(fp,"邻接表深度遍历(非递归)结果为:  ");
        for(i=0;i<L->n;i++)
            visited[i] = 0;
        for ( int i = 0; i < L->n; i++ )
        {
            if (!visited[i])
                DFS_List2(fp,L,i);
        }
        printf("\n结果已成功写入文件！\n");
        fprintf(fp,"\n");
        fclose(fp);
    }
    
    void DFS_List2(FILE *fp,AdjGraph *L,int i)
    {
        int data;
        EdgeNode *p;
        Stack *s;
        s = Createstack();  //创建一个栈
        printf("%c ",L->verlist[i].vertexdata);
        fprintf(fp,"%c ",L->verlist[i].vertexdata);
        visited[i]=1;
        Push(s,i);
        while(!Empty(s))
        {
            data = TOP(s);
            p = L->verlist[data].firstedge;
            while(p)
            {
                if(!visited[p->adjvex])
                {
                    visited[p->adjvex]=1;  //访问并压栈
                    printf("%c ",L->verlist[p->adjvex].vertexdata);
                    fprintf(fp,"%c ",L->verlist[p->adjvex].vertexdata);
                    Push(s,p->adjvex);
                    data = TOP(s);
                    p = L->verlist[data].firstedge; //再次取栈顶序号对应的头指针
                }
                else
                    p = p->next;
            }
            if(p==NULL)
                Pop(s);
        }
    }
    
    int Menu()  //菜单
    {
        int x;
        printf("\n\n");
        printf("1.图的邻接矩阵\n");
        printf("2.图的邻接表\n");
        printf("3.邻接矩阵的深度优先搜索(递归)\n");
        printf("4.邻接矩阵的深度优先搜索(非递归)\n");
        printf("5.邻接矩阵的广度优先搜索\n");
        printf("6.邻接表的深度优先搜索(递归)\n");
        printf("7.邻接表的深度优先搜索(非递归)\n");
        printf("8.邻接表的广度优先搜索\n");
        printf("9.退出\n\n");
        printf("请选择你要执行的操作：\n");
        scanf("%d",&x);
        return x;
    }
    
    int main()
    {
        char ch;
        MTGraph G;
        AdjGraph *L;
        L = (AdjGraph*)malloc(sizeof(AdjGraph));
        ReadMatrix(&G);
        printf("文件已成功读入邻接矩阵！\n");
        ReadList(L);
        printf("文件已成功读入邻接表！\n");
        while(1)
        {
            ch = Menu();
            switch(ch)
            {
                case 1:PrintMatrix(G);
                break;
                case 2:PrintList(L);
                break;
                case 3:
                    printf("邻接矩阵深度遍历(递归)结果为:\n");
                    DFS_recursive_Matrix(G);
                break;
                case 4:
                    printf("邻接矩阵深度遍历(非递归)结果为:\n");
                    DFS_non_recursive_Matrix(G);
                break;
                case 5:
                    printf("邻接矩阵广度遍历结果为:\n");
                    BFS_Matrix(G);
                break;
                case 6:
                    printf("邻接表深度遍历(递归)结果为:\n");
                    DFS_recursive_List(L);
                break;
                case 7:
                    printf("邻接表深度遍历(非递归)结果为:\n");
                    DFS_non_recursive_List(L);
                break;
                case 8:
                    printf("邻接表深度广度遍历结果为:\n");
                    BFS_List(L);
                break;
                case 9:exit(0);
                default:printf("请输入正确序号！\n");
            }
        }
        return 0;
    }