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2008-10-27, 11:46 AM | #1 |
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【转帖】图基本操作的实现
一、【实验内容】
【问题描述】 (1)、选择邻接表作为无向图的存储结构,设计一个程序实现图的基本操作(包括输出、广度遍历、深度遍历) (2)、选择邻接矩阵作为无向图的存储结构,分别设计用prim求最小生成树和用克鲁斯卡尔求最小生成树的算法。 【基本要求】: 程序的菜单功能项如下: 1、 初始化(图的邻接表存储为空)//可以不要该选项 2、 图邻接表的建立 //针对的图为不带权图 3、 深度优先遍历 //针对的存储结构是2所建立起来的邻接表 4、 广度优先遍历 //针对的存储结构是2所建立起来的邻接表 5、 最小生成树(prim/克鲁斯卡尔)//该项操作要先建立带权图的邻接矩阵,然后才应用prim方法 6、 退出 二、实验目的 1. 掌握图的各种存储结构,特别要熟练掌握邻接矩阵和邻接表存储结构。 2. 遍历是图各种应用的算法的基础,要熟练掌握图的深度优先遍历和广度优先遍历算法,复习栈和队列的应用。 3. 复习类的操作和多文件的实现 三、实验文档: 图基本操作的实现 一、 需求分析 1、通过图操作的实现,把一些实际生活中的具体的事物抽象出来。 2、演示程序以用户与计算机的对话方式执行,即在计算机终端上显示“提示信息”之后,由用户在键盘上输入演示程序中规定的运算命令,相应的输入数据(可虑去输入中的非法字符)和运算结果显示在其后。本演示程序中,用户可以输入键盘中相应的字符,选择相应的功能,然后程序进行对应的操作。 3、本演示程序中,当用户选择的功能错误时,系统会输出相应的提示。 4、程序执行的命令包括: 1) 图邻接表的建立(C) 2) 深度优先遍历(D) 3) 广度优先遍历(B) 4) 最小生成树(prim)(P) 5) 退出(Q) 二、概要设计 为实现上述程序功能,应以指针存储结点。为此,需要定义一个抽象数据类型。 1. 抽象数据类型定义为 ADT Queue{ 数据对象:DataType front,rear; int *Vec; //对列 int MaxSize; //对列最大长度 数据关系:R={< ai-1, ai > ai-1, ai∈D, ai-1<ai ,i=2,3,……,n} 基本操作P:: Queue(int size); //构造函数 ~Queue(); //析构函数 EnQueue(DataType x); 初始条件: 操作结果:元素x入队 DelQueue(); 初始条件: 队列已存在 操作结果:对头出对 GetFront(); 初始条件:队列已存在 操作结果:获取对头元素 IsEmpty(); 初始条件: 操作结果: 队列为空,返回false,否则返回true Clear(); 初始条件: 队列已存在 操作结果: 队列为空 } ADT Graph { 数据对象:int matrix[maxSize][maxSize]; //邻接矩阵 Node *list; //邻接表 int numVertex; //顶点数 int numEdge; //边数 bool *Mark; // Tree *T; //最小生成树 数据关系:R={< ai-1, ai > ai-1, ai∈D, ai-1<ai ,i=2,3,……,n} Graph(); //构造函数 ~Graph(); //析构函数 n() 初始条件:图存在 操作结果:获取顶点数 e() 初始条件:图存在 操作结果:获取边数 IsEmpty(); //判断图是否为空 初始条件: 操作结果:图为空,返回false,否则返回true first(int pos); 初始条件:图存在 操作结果:返回顶点的第一条边 first2(int pos); 初始条件:图存在 操作结果:返回顶点的第一条边 next(Edge w); 初始条件:图存在 操作结果:返回顶点的下一条边 IsEdge(Edge e); 初始条件:图存在 操作结果:判断是否为图中的一条边 weight(int ,int); 初始条件:图存在 操作结果:返回边的权 weight(Edge); 初始条件:图存在 操作结果:返回边的权 initializtion(); 初始条件:图存在 操作结果:初始化 CreateGraph(); 初始条件: 操作结果:建立图 Graph_traverse(char,int); 初始条件:图存在 操作结果:对图进行遍历 DFS(int v); 初始条件:图存在 操作结果:深度遍历 BFS(int start); 初始条件:图存在 操作结果:广度遍历 Prim(int s); 初始条件:图存在 操作结果:生成最小生成树 minVertex(int *D); 初始条件:图存在 操作结果:选择最小权值的顶点 AddEdgetoT(int,int); 初始条件: 操作结果:连接边 }; 2.本程序包含三个模块: 1)主程序模块: void main(){ 初始化; do{ 接受命令; 处理命令; }while(“命令”=”退出”) } 2)、队列模块——实现定义队列的抽象数据类型和队列的基本操作 3)、图模块——实现定义图的抽象数据类型和图的基本操作 各模块之间的调用关系如下: 主程序模块 图模块 队列模块 三、详细设计 程序代码如下 // 程序名:Queue.h // 程序功能:对列类的头文件(并用其来实现生成最小生成树) // 作者:刘伟高 // 日期:2006.12.12 // 版本:1.0 //对应类实现文件: Queue.cpp //对应主程序文件: main.cpp #include<iostream.h> typedef int DataType; //定义数据类型 class Queue { private: DataType front,rear; int *Vec; //对列 int MaxSize; //对列最大长度 public: Queue(int size); //构造函数 ~Queue(); //析构函数 void EnQueue(DataType x); //入队函数 DataType DelQueue(); //出对函数 DataType GetFront(); //获取对头函数 bool IsEmpty(); //判断对列是否为空 void Clear(); //清对空 }; // 程序名:Queue.cpp // 程序功能:实现对列类的源文件(并用其来实现图的各项操作) // 作者:刘伟高 // 日期:2006.12.12 // 版本:1.0 #include "Queue.h" ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 构造函数 // 函数功能:初始化对列 // 函数参数:int size // 参数返回值:无 Queue::Queue(int size) { MaxSize=size; front=rear=-1; Vec=new DataType[MaxSize]; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 析构函数 // 函数功能:释放对列空间 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 Queue::~Queue() { delete [] Vec; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 入队函数 // 函数功能:数据x入队 // 函数参数:DataType x // 参数返回值:无 void Queue::EnQueue(DataType x) { if(rear==MaxSize) { cerr<<"Overflow!\n"; return; } rear=(rear+1)%MaxSize; Vec[rear]=x; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 出队函数 // 函数功能:出队 // 函数参数:无 // 参数返回值:返回对头元素 DataType Queue::DelQueue() { if(rear==front) cerr<<"Underflow!\n"; else { front=(front+1)%MaxSize; return Vec[front]; } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 取对头函数 // 函数功能:从对列中获取对头元素 // 函数参数:无 // 参数返回值:对头元素 DataType Queue::GetFront() { return Vec[front]; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 判空函数 // 函数功能:判断队列是否为空 // 函数参数:无 // 参数返回值:空则返回true,否则返回false bool Queue::IsEmpty() { if(front==rear) return true; return false; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 清对空函数 // 函数功能:清空队列 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 void Queue::Clear() { front=rear=-1; } // 程序名:Graph.h // 程序功能:图类的头文件(并用其来实现编/译码) // 作者:刘伟高 // 日期:2006.12.12 // 版本:1.0 //对应类实现文件: Graph.cpp //对应主程序文件: main.cpp #include "Queue.h" //引用队列文件 #define maxSize 50 //定义图的最大顶点数 #define INFINITY 32767 //定义权值最大值 //定义邻接表中的边结点类型 class EdgeLink{ public: int weight; //权值域 int v2; //边的尾结点 EdgeLink* next;//指向下一个边结点的链域 }; //定义最小生成树的存储结构 struct Tree { int x; //起始边 int y; //尾边 }; typedef EdgeLink* Edge; struct Node //定义邻接表类型 { char Vertex; //保存结点的数据 Edge head; //引出单链表 }; //定义图类型 class Graph { private: int matrix[maxSize][maxSize]; //邻接矩阵 Node *list; //邻接表 int numVertex; //顶点数 int numEdge; //边数 bool *Mark; // Tree *T; //最小生成树 public: Graph(); //构造函数 ~Graph(); //析构函数 int n() {return numVertex;} //获取顶点数 int e() {return numEdge;} bool IsEmpty(); //判断图是否为空 Edge first(int pos); //返回顶点的第一条边 int first2(int pos); //返回顶点的第一条边 Edge next(Edge w); //返回顶点的下一条边 bool IsEdge(Edge e); //判断是否为图中的一条边 int weight(int ,int); //返回边的权 int weight(Edge); //返回边的权 void initializtion(); //初始化 void CreateGraph(); //建立图 void Graph_traverse(char,int); //遍历函数 void DFS(int v); //深度遍历函数 void BFS(int start); //广度遍历函数 void Prim(int s); //生成最小生成树函数 int minVertex(int *D); //选择最小权值的顶点 void AddEdgetoT(int,int); //连接边 }; // 程序名:Graph.cpp // 程序功能:实现图类的源文件(并用其来实现图的各项操作) // 作者:刘伟高 // 日期:2006.12.12 // 版本:1.0 #include "GRAPH.h" #include<iomanip.h> ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 构造函数 // 函数功能:初始化图 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 Graph::Graph() { T=new Tree[maxSize]; //申请空间 // matrix=new int[maxSize]; list=new Node[maxSize]; numVertex=0; numEdge=0; Mark=new bool[maxSize]; for(int i=0;i<maxSize;i++) { list[i].head=NULL; } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 析构函数 // 函数功能:将所有结点的空间释放 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 Graph::~Graph() { if(T) delete [] T; // if(matrix) // delete [] matrix; if(Mark) delete [] Mark; if(list){ for(int v=0;v<n();v++) { while(list[v].head) //释放单链表空间 { Edge temp=list[v].head; list[v].head=list[v].head->next; delete temp; } } delete [] list; //释放list空间 } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 获取边函数 // 函数功能:返回顶点的第一条边 // 函数参数:int v // 参数返回值:Edge Edge Graph::first(int v) { if(list[v].head!=NULL) return list[v].head; else cerr<<"此顶点无关联边!\n"; return NULL; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 获取边函数 // 函数功能:返回顶点的第一条边 // 函数参数:int v // 参数返回值:Edge int Graph::first2(int v) { for(int pos=0;pos<numVertex;pos++) if(matrix[v][pos]!=INFINITY) return pos; return NULL; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 判边函数 // 函数功能:判定是否为图中的一条边 // 函数参数:Edge w // 参数返回值:如果是图里的边,返回true;否则返回false bool Graph::IsEdge(Edge w) { return w!=NULL; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 判图函数 // 函数功能:判定图是否为空 // 函数参数:无 // 参数返回值:如果图空,返回true;否则返回false bool Graph::IsEmpty() { if(numVertex==0) { cerr<<"图中没有顶点!\n"; return false; } return true; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 获取边函数 // 函数功能:返回顶点的下一条边 // 函数参数:Edge w // 参数返回值:Edge Edge Graph::next(Edge w) { if(w->next!=NULL) return w->next; return NULL; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 获取权值函数 // 函数功能:获取边(u,v)的权值 // 函数参数:int u,int v // 参数返回值:返回边的权值 int Graph::weight(int u,int v) { return matrix[u][v]; /* Edge temp=list[u].head; while(temp->v2!=v) //查找边(u,v) { if(temp==NULL) { cerr<<"此两点没有边关联!\n"; return INFINITY; } temp=temp->next; } return temp->weight; */ } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 获取权值函数 // 函数功能:获取边w的权值 // 函数参数:Edge w // 参数返回值:返回边的权值 int Graph::weight(Edge w) { return w->weight; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 建图函数 // 函数功能:建立一个图 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 void Graph::CreateGraph() { int i; cout<<"请输入图的顶点数:"; cin>>numVertex; // matrix=new int [numVertex*numVertex]; for(i=0;i<n();i++) for(int j=0;j<n();j++) matrix[i][j]=INFINITY; cout<<"请输入图中边的条数:"; cin>>numEdge; cout<<"建立无向(0)还是有向图(1):"; char ChooseXiang; cin>>ChooseXiang; cout<<"建立不带权(0)还是带权图(1):"; char ChooseWeight; cin>>ChooseWeight; cout<<"请输入各顶点信息:\n"; for(i=0;i<numVertex;i++) { cout<<"第"<<i+1<<"点信息为:"; cin>>list[i].Vertex; } if(ChooseWeight=='0') { cout<<"请输入无权图关联边的起点和终点:\n"; int start,end; for(i=0;i<numEdge;i++) { cout<<"第"<<i+1<<"条边起点和终点为:"; cin>>start>>end; Edge Temp1; Temp1=new EdgeLink; Temp1->v2=end; Temp1->weight=INFINITY; Temp1->next=list[start].head; list[start].head=Temp1; if(ChooseXiang=='0') //建立有向图 { Edge Temp2; Temp2=new EdgeLink; Temp2->v2=start; Temp2->weight=INFINITY; Temp2->next=list[end].head; list[end].head=Temp2; } } } else //if(ChooseWeight=='1') //建立带权图 { cout<<"请输入有权图关联边的起点和终点:\n"; int start,end; for(i=0;i<numEdge;i++) { cout<<"第"<<i+1<<"条边起点和终点为:"; cin>>start>>end; cout<<"第"<<i+1<<"条边权为:"; int weight; cin>>weight; Edge Temp1; Temp1=new EdgeLink; Temp1->v2=end; Temp1->weight=weight; Temp1->next=list[start].head; list[start].head=Temp1; matrix[start][end]=weight; if(ChooseXiang=='0') //建立有向图 { Edge Temp2; Temp2=new EdgeLink; Temp2->v2=start; Temp2->weight=weight; Temp2->next=list[end].head; list[end].head=Temp2; matrix[end][start]=weight; } } } cout<<"图的邻接矩阵为:\n"; for(i=0;i<n();i++) { for(int j=0;j<n();j++) { if(matrix[i][j]==INFINITY) cout<<"∞ "; else cout<<matrix[i][j]<<" "; } cout<<endl; } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 初始化函数 // 函数功能:对图进行初始化 // 函数参数:无 // 参数返回值:无 void Graph::initializtion() { for(int v=0;v<n();v++) Mark[v]=false; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 遍历函数 // 函数功能:对图进行遍历 // 函数参数:char ch,int start // 参数返回值:无 void Graph::Graph_traverse(char ch,int start) { if(!IsEmpty()) { cout<<" 请先建图!\n"; CreateGraph(); return; } initializtion(); //初始化 switch(ch) { case 'D': case 'd': cout<<"深度优先遍历如下:\n"; DFS(start); //深度优先遍历 cout<<endl; break; case 'B': case 'b': cout<<"广度优先遍历如下:\n"; BFS(start); //深度优先遍历 break; } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 深度优先遍历函数 // 函数功能:对图进行深度优先遍历 // 函数参数:int v // 参数返回值:无 void Graph::DFS(int v) { if(Mark[v]==false) { //显示遍历信息 cout<<setw(5)<<list[v].Vertex; } Mark[v]=true; //标记点v已访问过 for(Edge w=first(v);IsEdge(w);w=next(w)) //访问下一条边 if(Mark[w->v2]==false) //未访问 DFS(w->v2); //深度优先遍历 } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 广度优先遍历函数 // 函数功能:对图进行广度优先遍历 // 函数参数:int start // 参数返回值:无 void Graph::BFS(int start) { Queue Q(n()); //定义n()长度的队列 Q.EnQueue(start); //起始位置入队 Mark[start]=true; //标记已访问过 while(!Q.IsEmpty()) //队列不空 { int v=Q.DelQueue(); //出对 cout<<setw(5)<<list[v].Vertex; //显示信息 for(Edge w=first(v);IsEdge(w);w=next(w)) //访问下一条边 if(Mark[w->v2]==false) //未访问 { Mark[w->v2]=true; //标记访问 Q.EnQueue(w->v2); //入队 } } cout<<endl; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 最小生成树函数 // 函数功能:生成一颗最小生成树 // 函数参数:int s // 参数返回值:无 void Graph::Prim(int s) { if(!IsEmpty()) { cout<<" 请先建图!\n"; CreateGraph(); return; } initializtion(); //标记都未被访问过 int *dist; dist=new int[numVertex]; //dist[i]记录V-TV中顶点i到TV中顶点的边的最小权 int *V; V=new int[n()]; //V[i]为TV中的顶点,(V[I],I)为V-TV中的顶点i到TV中顶点的权最小的边 for(int i=0;i<n();i++) //初始化dist数组,所有顶点都属于V-TV集合 dist[i]=INFINITY; dist[s]=0; //为了将s加入生成树中作为“种子”,把s的dist值设为最小 for(i=0;i<n();i++) //循环n次,每次往T中加入一个新顶点 { int v=minVertex(dist); //选择V-TV中dist值最小的顶点v if(dist[v]==INFINITY) return; //有无法到达的顶点 Mark[v]=true; //将v加入生成树T中 if(v!=s) //如果v不是第一个顶点,则把连接到v的边加入生成树T中 AddEdgetoT(V[v],v); for(int w=first2(v);w<numVertex;w++) //重新计算V-TV中的顶点到 { if(dist[w]>weight(v,w)) //TV中的顶点的边的最小权 { dist[w]=weight(v,w); V[w]=v; } } } for(i=0;i<n();i++) { if(i!=s) { cout<<"("<<T[i].x<<","<<T[i].y<<")\n"; //显示树中各边信息 cout<<list[T[i].x].Vertex<<"-->"<<list[T[i].y].Vertex<<endl; } } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 选择最小权值的顶点函数 // 函数功能:选择最小权值的顶点 // 函数参数:int *D // 参数返回值:选择最小权值的顶点 int Graph::minVertex(int *D) { int v; for(int i=0;i<n();i++) //查找v中第一个在V-TV中的顶点 if(Mark[i]==false) { v=i; break; } for(i=v+1;i<n();i++) if((Mark[i]==false)&&(D[i]<D[v])) v=i; return v; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 连接边函数 // 函数功能:连接边(x,y) // 函数参数:int x,int y // 参数返回值:选择最小权值的顶点 void Graph::AddEdgetoT(int x,int y) { T[y].x=x; T[y].y=y; } // 程序名:main.cpp // 程序功能:主函数源文件 // 作者:刘伟高 // 日期:2006.12.12 // 版本:1.0 #include "GRAPH.h" //引用图文件 int main() { cout<<" *************************************\n"; cout<<" **********欢迎使用图系统*************\n"; cout<<" ******************刘伟高*************\n"; cout<<" **在此系统中用户可以进行一下操作: **\n"; cout<<" **1、图邻接表的建立(C) **\n"; cout<<" **2、深度优先遍历(D) **\n"; cout<<" **3、广度优先遍历(B) **\n"; cout<<" **4、最小生成树(prim)(P) **\n"; cout<<" **5、退出(E) **\n"; cout<<" *************************************\n"; cout<<" 版权所有,盗版必纠\n\n"; cout<<"请选择操作:"; Graph G; int i=0; char ch; while(1){ //重复操作 cin>>ch; //选择操作 switch(ch) { case 'C': //建图 case 'c': G.CreateGraph(); break; case 'D': //深度优先遍历 case 'd': cout<<"深度优先遍历:\n"; cout<<"请输入深度优先遍历的起始点:"; cin>>i; G.Graph_traverse(ch,i); break; case 'B': //广度优先遍历 case 'b': cout<<"广度优先遍历:\n"; cout<<"请输入广度优先遍历的起始点:"; cin>>i; G.Graph_traverse(ch,i); break; case 'P': //最小生成树 case 'p': cout<<"请输入最小生成树的起始点:"; cin>>i; G.Prim(i); break; case 'E': //退出 case 'e': cout<<"*************************\n"; cout<<"*****感谢使用本系统!*****\n"; cout<<"*************************\n"; return 0; } cout<<" ************************************************************\n"; cout<<" **深度优先遍历(D)//广度优先遍历(B)//最小生成树(P)//退出(E)**\n"; cout<<" ************************************************************\n"; cout<<"请选择操作:"; } } 四、调试分析 1、由于对图的基本操作的推敲不足,使程序调试时费时不少。 2、本程序模块划分比较合理,且利用指针的操作,操作方便。 3、算法的时空分析 在此程序中,存储字符串用了指针,先动态申请空间,然后再存,这样就有效的利用了空间。 而对于算法本身。用邻接矩阵存储,存储顶点集合的数组变量的大小n应为需要处理的图的可能具有的最多的顶点数。而存储邻接矩阵的二维数组变量的大小一定为n2。所以邻接矩阵存储的空间大小由图的顶点数决定。 而用邻接表存储,顶点数组的大小自然由图的最多可能有的顶点个数决定。边结点的多少则取决于图的边的条数。所以图的邻接表存储的大小由图的顶点个数和边的条数共同决定。 4、本实验采用数据抽象的程序设计方法,将程序分为3个模块,使得设计时思路清晰,实现时调试可以顺利完成,各模块具有较好的可重用性,确实得到了一次良好的程序设计训练。 五、用户手册 1、本程序的运行环境为DOS操作系统 2、进入演示程序后即显示文本方式的用户界面 3、进入界面后,就会提示输入字符串的输入形式,结束符为“回车符”。 六、测试结果 如上图所示。 七、附录 源程序文件名清单: Graph.h //图定义单元 Graph.cpp //图实现单元 Queue.h //队列定义单元 Queue.cpp //队列实现单元 main.cpp //主程序 四、实验总结(心得体会) 1、通过实验更好的掌握了图操作的实现,更深的理解广度优先遍历、深度优先遍历、最小生成树算法 2、更进一步掌握有关类的操作 3、由于算法推敲不足,使程序调试时费时不少 4、更熟悉了文件的操作 5、更好的掌握了对程序的调试,并从中感受到调试的巨大的力量,特别是当程序不能实现预想结果时 五、参考文献: 1、《数据结构与算法》 黄定 黄煜廉 刘贤兴 编著 广东科技出版社 2000年1月第1版 2、《〈数据结构与算法〉学习与实验指导》 黄煜廉 编著 2005. 8
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