Поиск в ширину
Поиск в ширину (англ. breadth-first search, BFS) – один из алгоритмов обхода графа. Метод лежит в основе некоторых других алгоритмов близкой тематики. Поиск в ширину подразумевает поуровневое исследование графа: вначале посещается корень – произвольно выбранный узел, затем – все потомки данного узла, после этого посещаются потомки потомков и т.д. Вершины просматриваются в порядке возрастания их расстояния от корня.
Пусть задан граф G=(V, E) и корень s, с которого начинается обход. После посещения узла s, следующими за ним будут посещены смежные с s узлы (множество смежных с s узлов обозначим как q; очевидно, что q⊆V, то есть q – некоторое подмножество V). Далее, эта процедура повториться для вершин смежных с вершинами из множества q, за исключением вершины s, т. к. она уже была посещена. Так, продолжая обходить уровень за уровнем, алгоритм обойдет все доступные из s вершины множества V. Алгоритм прекращает свою работу после обхода всех вершин графа, либо в случае выполнения наличествующего условия.
Рассматривая пример, будем считать, что в процессе работы алгоритма каждая из вершин графа может быть окрашена в один из трех цветов: черный, белый или серый. Изначально все вершины белые. В процессе обхода каждая из вершин, по мере обнаружения, окрашивается сначала в серый, а затем в черный цвет. Определенный момент обхода описывает следующие условие: если вершина черная, то все ее потомки окрашены в серый или черный цвет.
Имеем смешанный граф (рис. 9.1) с |V| = 4 и |E| = 5. Выполним обход его вершин, используя алгоритм поиска в ширину. В качестве стартовой вершины возьмем узел 3. Сначала он помечается серым как обнаруженный, а затем черным, поскольку обнаружены смежные с ним узлы (1 и 4), которые, в свою очередь, в указанном порядке помечаются серым. Следующим в черный окрашивается узел 1, и находятся его соседи – узел 2, который становится серым. И, наконец, узлы 4 и 2, в данном порядке, просматриваются, обход в ширину завершается.
Рисунок 9.1 – Смешанный граф
Алгоритм поиска в ширину работает как на ориентированных, так и на неориентированных графах. Дать понять это был призван смешанный граф, используемый в примере. Стоит отметить, в неориентированном связном графе данный метод обойдет все имеющиеся узлы, а в смешанном или орграфе это необязательно произойдет. К тому же, до сих пор рассматривался обход всех вершин, но вполне вероятно, достаточным окажется, например просмотр определенного их количества, либо нахождение конкретной вершины. В таком случае придется немного приспособить алгоритм, а не изменять его полностью или вовсе отказаться от использования такового.
Теперь перейдем к более формальному описанию алгоритма поиска в ширину. Основными объектами – тремя структурами данных, задействованными в программе, будут:
· матрица смежности графа GM;
· очередь queue;
· массив посещенных вершин visited.
Две первые структуры имеют целочисленный тип данных, последняя – логический. Посещенные вершины, заносятся в массив visited, что предотвратит зацикливание, а очередь queue будет хранить задействованные узлы. Напомним, что структура данных «очередь» работает по принципу «первый пришел – первый вышел». Рассмотрим разбитый на этапы процесс обхода графа:
1. массив visited обнуляется, т. е. ни одна вершина графа еще не была посещена;
2. в качестве стартовой, выбирается некоторая вершина s и помещается в очередь (в массив queue);
3. вершина s исследуется (помечается как посещенная), и все смежные с ней вершины помещаются в конец очереди, а сама она удаляется;
4. если на данном этапе очередь оказывается пустой, то алгоритм прекращает свою работу, иначе посещается вершина, стоящая в начале очереди, и помечается как посещенная, все ее потомки заносятся в конец очереди;
5. выполнять пункт 4, пока это возможно.
Поиск в ширину, начиная со стартовой вершины, постепенно уходит от нее все дальше и дальше, проходя уровень за уровнем. Получается, что по окончанию работы алгоритма будут найдены все кратчайшие пути из начальной вершины до каждого доступного из нее узла.
Для реализации алгоритма на ЯП потребуется: умение программно задавать граф, а также иметь представление о такой структуре данных, как очередь.
Код программы на C++:
const int n=4;
int i, j;
int GM[n][n] = //матрица смежности графа
{
{0, 1, 1, 0},
{0, 0, 1, 1},
{1, 0, 0, 1},
{0, 1, 0, 0}
};
void BFS(bool *visited, int unit) //поиск в ширину
{
int *queue=new int[n];
int count, head;
for (i=0; i<n; i++) queue[i]=0;
count=0; head=0;
queue[count++]=unit;
visited[unit]=true;
while (head<count)
{
unit=queue[head++];
cout<<unit+1<<" ";
for (i=0; i<n; i++)
if (GM[unit][i] && !visited[i])
{
queue[count++]=i;
visited[i]=true;
}
}
delete []queue;
}
void main() //главная функция
{
int start;
cout<<"Стартовая вершина >> ";
cin>>start;
bool *visited=new bool[n];
cout<<"Матрица смежности графа: "<<endl;
for (i=0; i<n; i++)
{
visited[i]=false;
for (j=0; j<n; j++)
cout<<" "<<GM[i][j];
cout<<endl;
}
cout<<"Порядок обхода: ";
BFS(visited, start-1);
delete []visited;
}
Код программы на Pascal:
const n=4;
type
MassivInt=array[1..n, 1..n] of integer;
MassivBool=array[1..n] of boolean;
var
i, j, start: integer;
visited: MassivBool;
const GM: MassivInt = {матрица смежности графа}
(
(0, 1, 1, 0),
(0, 0, 1, 1),
(1, 0, 0, 1),
(0, 1, 0, 0)
);
procedure BFS(visited: MassivBool; _unit: integer); {поиск в ширину}
var
queue: array[1..n] of integer;
count, head: integer;
begin
for i:=1 to n do queue[i]:=0;
count:=0; head:=0;
count:=count+1;
queue[count]:=_unit;
visited[_unit]:=true;
while head<count do
begin
head:=head+1;
_unit:=queue[head];
write(_unit, ' ');
for i:=1 to n do
begin
if (GM[_unit, i]<>0) and (not visited[i]) then
begin
count:=count+1;
queue[count]:=i;
visited[i]:=true;
end;
end;
end;
end;
begin {основной блок программы}
write('Стартовая вершина >> ');
read(start);
writeln('Матрица смежности графа: ');
for i:=1 to n do
begin
visited[i]:=false;
for j:=1 to n do write(' ', GM[i, j]);
writeln;
end;
write('Порядок обхода: ');
BFS(visited, start);
end.
В двух этих программах используется граф, изображенный на предыдущем рисунке, точнее его матрица смежности. На ввод может поддаваться только одно из 4 значений, т. к. в качестве стартовой возможно указать лишь одну из 4 имеющихся вершин (программы не предусматривают некорректных входных данных):
| Входные данные | Выходные данные |
| 1 2 3 4 | |
| 2 3 4 1 | |
| 3 1 4 2 | |
| 4 2 3 1 |
Граф представлен матрицей смежности, и относительно эффективности это не самый лучший вариант, так как время, затраченное на ее обход, оценивается в O(|V|2), а сократить его можно до O(|V|+|E|), используя список смежности.