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Dfs、Bfs的終于弄明白了

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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「bigsai」,作者大賽。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系bigsai公眾號。

目前成都創(chuàng)新互聯(lián)已為上千的企業(yè)提供了網(wǎng)站建設(shè)、域名、網(wǎng)站空間、網(wǎng)站托管、服務(wù)器托管、企業(yè)網(wǎng)站設(shè)計(jì)、和林格爾網(wǎng)站維護(hù)等服務(wù),公司將堅(jiān)持客戶導(dǎo)向、應(yīng)用為本的策略,正道將秉承"和諧、參與、激情"的文化,與客戶和合作伙伴齊心協(xié)力一起成長,共同發(fā)展。

前言

你問一個人聽過哪些算法,那么深度優(yōu)先搜索(dfs)和寬度優(yōu)先搜索(bfs)那肯定在其中,很多小老弟學(xué)會dfs和bfs就覺得好像懂算法了,無所不能,確實(shí)如此,學(xué)會dfs和bfs暴力搜索枚舉確實(shí)利用計(jì)算機(jī)超強(qiáng)計(jì)算大部分都能求的一份解,學(xué)會dfs和bfs去暴力杯混分是一個非常不錯的選擇!

五大經(jīng)典算法的回溯算法其實(shí)也是dfs的一種應(yīng)用,是不是回憶起被折磨的八皇后問題?;A(chǔ)的dfs和bfs學(xué)習(xí)來思想很容易,寫出來模板代碼也不難,但很多時候需要在此基礎(chǔ)上靈活變通就有不小難度了。

不過dfs 和bfs初步學(xué)習(xí)搞懂原理比較簡單,但是想要精通 dfs和bfs還是很難的,因?yàn)楹芏鄦栴}是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變形優(yōu)化的,比如dfs你可能考慮各種剪枝問題,bfs可能會涉及很多貪心的策略,有的還要考慮到記憶化的問題、雙向bfs、bfs+dfs等等才能更好解決的問題,不過本文講的相對基礎(chǔ),不同的延伸需要自己刷題去學(xué)習(xí)才行。

鄰接矩陣和鄰接表

dfs和bfs一般用于處理圖論的問題,那么在看問題之前首先要關(guān)注圖的存儲問題,正常一般用鄰接矩陣或者鄰接表存儲圖(對于十字鏈表、壓縮矩陣之類空間優(yōu)化這里不進(jìn)行討論)。

鄰接矩陣:

鄰接矩陣就是用數(shù)組(二維)表示圖,通常這種圖我們會對各個節(jié)點(diǎn)順序的編號,在矩陣內(nèi)數(shù)值表示圖的聯(lián)通情況或者路徑長度。

如果是無權(quán)圖:那么一般用boolean數(shù)組的01表示聯(lián)通性,如果是有權(quán)圖那么數(shù)組的值就用來表示兩者路徑長度,如果為0那么就表示不通。另外如果圖是無向圖那么這個矩陣是對稱的,如果是有向圖那么大概率不是對稱的。

具體可以看下面例子,這種操作方式條理更清晰并且操作方便,當(dāng)然,這種情況很容易造成空間浪費(fèi),所以有人進(jìn)行空間優(yōu)化,或者是鄰接表的方式存儲圖。

鄰接表:

觀察上面的鄰接矩陣,如果節(jié)點(diǎn)很多但是聯(lián)通路徑很少,那么就浪費(fèi)了太多的存儲空間,這種情況就更適合鄰接表。

鄰接表一般是數(shù)組套鏈表,比起鄰接矩陣節(jié)省不少空間(直接存儲聯(lián)通信息或者路徑),在存儲的時候可以根據(jù)數(shù)據(jù)格式要求靈活運(yùn)用容器(無權(quán)圖省事一些)。

但是正常的無向圖依然會重復(fù)浪費(fèi)一半空間,就有十字鏈表,多重鏈接表等等出現(xiàn)優(yōu)化(大佬們的優(yōu)化是真的牛批),但在算法邏輯上稍復(fù)雜,不過一般圖論算法更注重的是算法的優(yōu)化這里就不介紹十字鏈表等,一個鄰接表存儲的圖可以看下圖:

深度優(yōu)先搜索(dfs)

概念:

深度優(yōu)先搜索屬于圖算法的一種,英文縮寫為DFS即Depth First Search.其過程簡要來說是對每一個可能的分支路徑深入到不能再深入為止,而且每個節(jié)點(diǎn)只能訪問一次.

簡單的說,dfs就是在一個圖中按照一個規(guī)則進(jìn)行搜索,一般基于遞歸實(shí)現(xiàn),對于我們來說dfs就像一個黑魔法一樣,設(shè)計(jì)好算法它就自動搜索,所以我們要注意的是算法初始化、搜索規(guī)則、結(jié)束條件。二叉樹的前序遍歷就是一個最簡單的dfs遍歷。

我們通常使用鄰接表或者鄰接矩陣儲存圖的信息,這里例子使用鄰接矩陣完成!

對于dfs的流程來說,大致可以認(rèn)為是這樣:

(1)某個節(jié)點(diǎn)開始先按照一個方向一直遍歷到盡頭,同時標(biāo)記已經(jīng)走過的點(diǎn)。

(2)遍歷到盡頭后回退到上一個點(diǎn),同時清除當(dāng)前點(diǎn)的標(biāo)記。往下一個方向遍歷一次,然后繼續(xù)重復(fù)步驟(1).

(3)一直到所有流程都走完,即回退到起點(diǎn)。

在遍歷的過程中記得需要標(biāo)記 因?yàn)椴贿M(jìn)行標(biāo)記會出現(xiàn)死循環(huán),標(biāo)記就代表這個點(diǎn)被用過不能用了,而撤回標(biāo)記就說明這個點(diǎn)又能重新使用了。

舉個例子,例如一個全排列s a i 當(dāng)s被枚舉到就要標(biāo)記這個s不能被使用(不可能ssss一直下去吧),并且遍歷到s a時候a也不能使用,到s a i 時候到盡頭回退 s a 依然要回退s 此時 a和i都被解但是上次指標(biāo)方向?yàn)閍(for 循環(huán)到的位置),那么下一次就要往下個方向i 組成s i,然后在s i a,同理回退到s i,到s,下面兩個方向都被枚舉過所以還要回退到,解放了s a i但是第一個方向s已經(jīng)走過,開始從a 剩下的步驟依次類推就得到了。

不過全排列這是一維空間的dfs運(yùn)用,在標(biāo)記時候可以選擇boolean數(shù)組對應(yīng)位置true標(biāo)記用過,false表示沒用過。除此之外也可使用動態(tài)數(shù)組List使用過先刪除對應(yīng)位置元素向下遞歸進(jìn)行搜索,然后結(jié)束后再對應(yīng)位置插入也行(不是很推薦,效率比較低)。

對于上面圖片中圖的dfs,得到其中一個dfs搜索的序列(可能有多個)可以用代碼來表示一下:

 
 
 
 
  1. public class dfs { 
  2.     static boolean isVisit[]; 
  3.     public static void main(String[] args) { 
  4.         int map[][]=new int[7][7]; 
  5.         isVisit=new boolean[7]; 
  6.         map[0][1]=map[1][0]=1; 
  7.         map[0][2]=map[2][0]=1; 
  8.         map[0][3]=map[3][0]=1; 
  9.  
  10.         map[1][4]=map[4][1]=1; 
  11.         map[1][5]=map[5][1]=1; 
  12.         map[2][6]=map[6][2]=1; 
  13.         map[3][6]=map[6][3]=1; 
  14.  
  15.         isVisit[0]=true; 
  16.         dfs(0,map);//從0開始遍歷 
  17.     } 
  18.     private static void dfs(int index,int map[][]) { 
  19.         // TODO Auto-generated method stub 
  20.         System.out.println("訪問"+(index+1)+"  "); 
  21.         for(int i=0;i
  22.         { 
  23.             if(map[index][i]>0&&isVisit[i]==false) 
  24.             { 
  25.                 isVisit[i]=true; 
  26.                 dfs(i,map); 
  27.             } 
  28.         } 
  29.         System.out.println((index+1)+"訪問結(jié)束 "); 
  30.     } 

大致順序訪問為

廣度優(yōu)先搜素(bfs)

概念:

BFS,其英文全稱是Breadth First Search。BFS并不使用經(jīng)驗(yàn)法則算法。從算法的觀點(diǎn),所有因?yàn)檎归_節(jié)點(diǎn)而得到的子節(jié)點(diǎn)都會被加進(jìn)一個先進(jìn)先出的隊(duì)列中。一般的實(shí)驗(yàn)里,其鄰居節(jié)點(diǎn)尚未被檢驗(yàn)過的節(jié)點(diǎn)會被放置在一個被稱為 open 的容器中(例如隊(duì)列或是鏈表),而被檢驗(yàn)過的節(jié)點(diǎn)則被放置在被稱為 closed 的容器中。(open-closed表)

簡單來說,bfs就是從某個節(jié)點(diǎn)開始按層遍歷,估計(jì)大部分人第一次接觸bfs的時候是在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的二叉樹的層序遍歷!借助一個隊(duì)列一層一層遍歷。第二次估計(jì)就是在學(xué)習(xí)圖論的時候,給你一個圖,讓你寫出一個bfs遍歷的順序,此后再無bfs…

如果從路徑上走來看,dfs就是一條跑的很快的瘋狗,到處亂咬,沒路了就跑回來去其他地方繼續(xù),而bfs就像是一團(tuán)毒氣,慢慢延伸!

在實(shí)現(xiàn)上樸素的bfs就是控制一個隊(duì)列,后進(jìn)先出進(jìn)行層序遍歷,但很多時候可能有場景需求節(jié)點(diǎn)有權(quán)值可能就需要使用優(yōu)先隊(duì)列。

就拿上述的圖來說,我們使用鄰接表來實(shí)現(xiàn)一個bfs遍歷。

 
 
 
 
  1. import java.util.ArrayDeque; 
  2. import java.util.ArrayList; 
  3. import java.util.List; 
  4. import java.util.Queue; 
  5.  
  6. public class bfs { 
  7.     public static void main(String[] args) { 
  8.         List map[]=new ArrayList[7]; 
  9.         boolean isVisit[]=new boolean[7]; 
  10.         for(int i=0;i
  11.         { 
  12.             map[i]=new ArrayList(); 
  13.         } 
  14.         map[0].add(1);map[0].add(2);map[0].add(3); 
  15.         map[1].add(0);map[1].add(4);map[1].add(5); 
  16.         map[2].add(0);map[2].add(6); 
  17.         map[3].add(0);map[3].add(6); 
  18.         map[4].add(1); 
  19.         map[5].add(1); 
  20.         map[6].add(2);map[6].add(3); 
  21.  
  22.         Queueq1=new ArrayDeque(); 
  23.         q1.add(0);isVisit[0]=true; 
  24.         while (!q1.isEmpty()) { 
  25.             int va=q1.poll(); 
  26.             System.out.println("訪問"+(va+1)); 
  27.             for(int i=0;i
  28.             { 
  29.                 int index=map[va].get(i); 
  30.                 if(!isVisit[index]) 
  31.                 { 
  32.                     q1.add(index); 
  33.                     isVisit[index]=true; 
  34.                 } 
  35.             } 
  36.         } 
  37.     } 

搜索之延伸

本文主要任務(wù)是幫助初學(xué)者認(rèn)清dfs和bfs,比較偏基礎(chǔ),但是事實(shí)中dfs和bfs比較偏向?qū)崙?zhàn)。

對于dfs和bfs,有些區(qū)別也有些共性,例如在迷宮很多問題dfs能解決bfs也能解決。

對于dfs一般解決的經(jīng)典問題有:

  • 二叉樹的搜索遍歷(非層序)
  • 經(jīng)典全排列、組合、子集問題
  • 回溯算法之八皇后問題
  • 迷宮搜索問題(能否找到)
  • 其他圖搜索

而bfs一般解決的問題有:

  • 二叉樹層序搜索遍歷(各種變形例如分層輸出、之字形等等空間優(yōu)化)
  • 無權(quán)圖的最短路徑
  • 其他迷宮搜索問題(節(jié)點(diǎn)帶某些權(quán)值的)
  • 其他問題

當(dāng)然這里面羅列不全,dfs關(guān)注更多的可能是剪枝問題或者記憶化,剪枝就是剪掉沒必要的搜索,記憶化就是防止太多重復(fù)操作。而bfs關(guān)注更多的可能是貪心策略選擇(大部分搜索可能有一些附加的條件)可能需要使用優(yōu)先隊(duì)列來解決。

然而,當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到一定程度,我們使用簡單的方法肯定會爆炸的。就可能需要一些特殊的巧妙方法處理,比如想不到的剪枝優(yōu)化、優(yōu)先隊(duì)列、A*、dfs套bfs,又或者利用一些非常厲害的數(shù)學(xué)方法比如康托展開(逆展開)等等。而今天在這里,我們談?wù)勲p向bfs,體驗(yàn)一下算法的奧妙!

什么樣的情況可以使用雙向bfs來優(yōu)化呢?其實(shí)雙向bfs的主要思想是問題的拆分吧,比如在一個迷宮中可以往下往右行走,問你有多少種方式從左上到右下。

正常情況下,我們就是搜索遍歷,如果迷宮邊長為n,那么這個復(fù)雜度大概是2^n級別.

但是實(shí)際上我們可以將迷宮拆分一下,比如根據(jù)對角線(比較多),將迷宮一分為二。其實(shí)你的結(jié)果肯定必然經(jīng)過對角線的這些點(diǎn)對吧!我們只要分別計(jì)算出各個對角線各個點(diǎn)的次數(shù)然后相加就可以了!

怎么算? 就是從(0,0)到中間這個點(diǎn)mid的總次數(shù)為n1,然后這個mid到(n,n)點(diǎn)的總次數(shù)為n2,然后根據(jù)排列組合總次數(shù)就是n1*n2(n1和n2正常差不多大)這樣就可以通過乘法減少加法的運(yùn)算次數(shù)啦!

簡單的說,從數(shù)據(jù)次數(shù)來看如果直接搜索全圖經(jīng)過下圖的那個點(diǎn)的次數(shù)為n1*n2次,如果分成兩個部分相乘那就是n1+n2次。兩者差距如果n1,n2=1000左右,那么這么一次差距是平方(根號)級別的。從搜索圖形來看其實(shí)這么一次搜索是本來一個n*n大小的搜索轉(zhuǎn)變成n次(每次大概是(n/2)*(n/2)大小的迷宮搜索兩次)。也就是如果18*18的迷宮如果使用直接搜索,那么大概2^18次方量級,而如果采用雙向bfs,那么就是2^9這個量級。

例題實(shí)戰(zhàn)一下,就拿一道經(jīng)典雙向bfs問題給大家展示一下吧!

題目鏈接:http://oj.hzjingma.com/contest/problem?id=20&pid=8#problem-anchor

分析:對于題目的要求還是很容易理解的,就是找到所有的路徑種類,再判斷其中是對稱路徑的有幾個輸出即可!

對于一個普通思考是這樣的,首先是進(jìn)行dfs,然后動態(tài)維護(hù)一個字符串,每次跑到最后判斷這個路徑字符串是否滿足對稱要求,如果滿足那么就添加到容器中進(jìn)行判斷。可惜很遺憾這樣是超時的,僅能通過40%的樣例。

接著用普通bfs進(jìn)行嘗試,維護(hù)一個node節(jié)點(diǎn),每次走的時候路徑儲存起來其實(shí)這個效率跟dfs差不多依然超時。只能通過40%數(shù)據(jù)。

接下來就開始雙向bfs進(jìn)行分析!

(1) 既然只能右下,那么對角線的那個位置的肯定是中間的那個字符串的!它的存在不影響是否對稱的(n*n的迷宮路徑長度為n-1 + n為奇數(shù)).

(2) 我們判斷路徑是否對稱,只需要判斷從(1,1)到對角節(jié)點(diǎn)k(設(shè)為k節(jié)點(diǎn))的路徑有沒有和從(n,n)到k相同的。如果有路徑相同的那么就說明這一對構(gòu)成對稱路徑

(3) 在具體實(shí)現(xiàn)上,我們對每個對角線節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行兩次bfs(一次左上到(1,1),一次右下到(n,n)).并且將路徑放到兩個hashset(set1,set2)中,跑完之后用遍歷其中一個hashset中的路徑,看看另一個set是否存在該路徑,如果存在就說明這個是對稱路徑放到 總的hashset(set) 中。對角線每個位置都這樣判斷完最后只需要輸出總的hashset(set)的集合大小即可!

ac代碼如下:

 
 
 
 
  1. import java.util.ArrayDeque; 
  2. import java.util.HashSet; 
  3. import java.util.Queue; 
  4. import java.util.Scanner; 
  5. import java.util.Set; 
  6.  
  7. public class test2 {     
  8.     static class node{ 
  9.          int x; 
  10.          int y; 
  11.         String path=""; 
  12.         public node() {} 
  13.         public node(int x,int y,String team) 
  14.         { 
  15.             this.x=x; 
  16.             this.y=y; 
  17.             this.path=team; 
  18.         } 
  19.     } 
  20.     public static void main(String[] args) { 
  21.         Scanner sc=new Scanner(System.in); 
  22.         Setset=new HashSet();//儲存最終結(jié)果 
  23.         int n=Integer.parseInt(sc.nextLine()); 
  24.         char map[][]=new char[n][n]; 
  25.         for(int i=0;i
  26.         { 
  27.             String string=sc.nextLine(); 
  28.             map[i]=string.toCharArray(); 
  29.         } 
  30.         Queueq1=new ArrayDeque();//左上的隊(duì)列 
  31.         Queueq2=new ArrayDeque();//右下的隊(duì)列 
  32.         for(int i=0;i
  33.         { 
  34.             q1.clear();q2.clear(); 
  35.             Setset1=new HashSet();//儲存zuoshang 
  36.             Setset2=new HashSet();//儲右下 
  37.             q1.add(new node(i,n-1-i,""+map[i][n-1-i])); 
  38.             q2.add(new node(i,n-1-i,""+map[i][n-1-i])); 
  39.             while(!q1.isEmpty()&&!q2.isEmpty()) 
  40.             { 
  41.                 node team=q1.poll(); 
  42.                 node team2=q2.poll(); 
  43.                 if(team.x==n-1&&team.y==n-1)//到終點(diǎn),將路徑儲存 
  44.                 { 
  45.                     //System.out.println(team2.path);    
  46.                     set1.add(team.path); 
  47.                     set2.add(team2.path); 
  48.                 } 
  49.                 else { 
  50.                     if(team.x
  51.                     { 
  52.                         q1.add(new node(team.x+1, team.y, team.path+map[team.x+1][team.y])); 
  53.                     } 
  54.                     if(team.y
  55.                     { 
  56.                         q1.add(new node(team.x, team.y+1, team.path+map[team.x][team.y+1])); 
  57.                     } 
  58.                     if(team2.x>0)//上 
  59.                     { 
  60.                         q2.add(new node(team2.x-1, team2.y, team2.path+map[team2.x-1][team2.y])); 
  61.                     } 
  62.                     if(team2.y>0)//左 
  63.                     { 
  64.                         q2.add(new node(team2.x, team2.y-1, team2.path+map[team2.x][team2.y-1])); 
  65.                     } 
  66.                 } 
  67.  
  68.             } 
  69.             for(String va:set1) 
  70.             { 
  71.                 if(set2.contains(va)) 
  72.                 { 
  73.                     set.add(va); 
  74.                 } 
  75.             } 
  76.  
  77.         } 
  78.         System.out.println(set.size());      
  79.     } 

總結(jié)

dfs和bfs是圖論中非常經(jīng)典的搜索算法,兩種算法的重要程度都非常高,這里面主要對其簡單介紹,對于普通開發(fā)者,能夠用dfs和bfs能夠解決二叉樹問題、迷宮搜索問題等基礎(chǔ)簡單的就夠了(面試官不會那么騷難為你)。

如果理解比較困難,多看教程、多刷題,多刷題之后每做一題算法跑的大概流程是有個數(shù)的。


本文標(biāo)題:Dfs、Bfs的終于弄明白了
文章路徑:http://www.dlmjj.cn/article/dpeecgo.html