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18.深度和广度优先搜索.md

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BFS&DFS

“搜索”算法

深度优先搜索算法和广度优先搜索算法都是基于“图”这种数据结构。

图上的搜索算法就是,在图中找出从一个顶点出发,到另一个顶点的路径。图上的搜索算法有深度优先、广度优先搜索算法,和$A*$、$IDA*$ 等启发式搜索算法。

广度优先搜索和深度优先搜索是图上的两种最常用、最基本的搜索算法,仅适用于状态空间不大的搜索。它们比$A*$、$IDA*$ 等启发式搜索算法要简单粗暴,没有什么优化,所以也叫作暴力搜索算法。

广度优先搜索,采用地毯式层层推进,从起始顶点开始,依次往外遍历。广度优先搜索需要借助队列来实现,遍历得到的路径就是起始顶点到终止顶点的最短路径。

深度优先搜索,采用回溯思想,适合用递归或栈来实现。遍历得到的路径并不是最短路径。

深度优先和广度优先搜索的时间复杂度都是 O(E),空间复杂度都是 O(V)。其中E代表边,O代表顶点。

下面java语言实现用邻接表来存储无向图:

public class Graph { // 无向图
  private int v; // 顶点的个数
  private LinkedList<Integer> adj[]; // 邻接表
 
  public Graph(int v) {
    this.v = v;
    adj = new LinkedList[v];
    for (int i=0; i<v; ++i) {
      adj[i] = new LinkedList<>();
    }
  }
 
  public void addEdge(int s, int t) { // 无向图一条边存两次
    adj[s].add(t);
    adj[t].add(s);
  }
}

广度优先搜索(BFS)

广度优先搜索(Breadth-First-Search),简称 BFS。它是一种“地毯式”层层推进的搜索策略,即先查找离起始顶点最近的,然后是次近的,依次往外搜索:

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下面的java代码实现基于上面Graph的定义:

bfs() 函数用于搜索一条从 s 到 t 的最短路径,其中 s 表示起始顶点,t 表示终止顶点。

visited是用来记录已经被访问的顶点,用来避免顶点被重复访问。如果顶点 q 被访问,那相应的 visited[q] 会被设置为 true。

queue是一个队列,用来存储已经被访问、但相连的顶点还没有被访问的顶点。

prev用来记录搜索路径。prev[w] 存储的是,顶点 w 是从哪个前驱顶点遍历过来的。比如,通过顶点 2 的邻接表访问到顶点 3,那 prev[3] 就等于 2。为了正向打印出路径需要递归地来打印。

public void bfs(int s, int t) {
  if (s == t) return;
  boolean[] visited = new boolean[v];
  visited[s]=true;
  Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
  queue.add(s);
  int[] prev = new int[v];
  for (int i = 0; i < v; ++i) {
    prev[i] = -1;
  }
  while (queue.size() != 0) {
    int w = queue.poll();
    for (int i = 0; i < adj[w].size(); ++i) {
      int q = adj[w].get(i);
      if (!visited[q]) {
        prev[q] = w;
        if (q == t) {
          print(prev, s, t);
          return;
        }
        visited[q] = true;
        queue.add(q);
      }
    }
  }
}
 
private void print(int[] prev, int s, int t) { // 递归打印 s->t 的路径
  if (prev[t] != -1 && t != s) {
    print(prev, s, prev[t]);
  }
  System.out.print(t + " ");
}

广度优先搜索过程分解图:

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最坏情况下,终止顶点 t 离起始顶点 s 很远,需要遍历完整个图才能找到。这个时候,每个顶点都要进出一遍队列,每个边也都会被访问一次。

假设顶点的个数为V,边的个数为E,那么广度优先搜索的时间复杂度是 O(V+E)。对于连通图(所有顶点都是连通的)来说,E >= V-1,所以,广度优先搜索的时间复杂度可以简写为 O(E)。

广度优先搜索的空间消耗主要在辅助变量 visited 数组、queue 队列、prev 数组上。这三个存储空间的大小都不会超过顶点的个数,所以空间复杂度是 O(V)。

深度优先搜索(DFS)

深度优先搜索(Depth-First-Search),简称 DFS。

最直观的例子就是“走迷宫”。假设你站在迷宫的某个岔路口,然后想找到出口。你随意选择一个岔路口来走,走着走着发现走不通的时候,你就回退到上一个岔路口,重新选择一条路继续走,直到最终找到出口。这种走法就是一种深度优先搜索策略。

下图中,搜索的起始顶点是 s,终止顶点是 t,希望在图中寻找一条从顶点 s 到顶点 t 的路径。如果映射到迷宫那个例子,s 就是你起始所在的位置,t 就是出口。

下图标记了递归算法的搜索的过程,里面实线箭头表示遍历,虚线箭头表示回退。但深度优先搜索最先找出来的路径,并不是顶点 s 到顶点 t 的最短路径。

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深度优先搜索用的是回溯思想,回溯思想非常适合用递归来实现。

下面是java代码实现,其中的 prev、visited 变量跟广度优先搜索的作用一样,变量found的作用是已经找到终止顶点 t 之后,就不再递归地继续查找了。

boolean found = false; // 全局变量或者类成员变量
 
public void dfs(int s, int t) {
  found = false;
  boolean[] visited = new boolean[v];
  int[] prev = new int[v];
  for (int i = 0; i < v; ++i) {
    prev[i] = -1;
  }
  recurDfs(s, t, visited, prev);
  print(prev, s, t);
}
 
private void recurDfs(int w, int t, boolean[] visited, int[] prev) {
  if (found == true) return;
  visited[w] = true;
  if (w == t) {
    found = true;
    return;
  }
  for (int i = 0; i < adj[w].size(); ++i) {
    int q = adj[w].get(i);
    if (!visited[q]) {
      prev[q] = w;
      recurDfs(q, t, visited, prev);
    }
  }
}

深度优先搜索算法的时间复杂度是 O(E),E 表示边的个数。因为每条边最多会被访问两次,一次是遍历,一次是回退。

深度优先搜索算法的消耗内存主要是 visited、prev 数组和递归调用栈。visited、prev 数组的大小跟顶点的个数 V 成正比,递归调用栈的最大深度不会超过顶点的个数,所以总的空间复杂度是 O(V)。

如何找出社交网络中的三度好友关系?

六度分割理论说你与世界上的另一个人间隔的关系不会超过六度,也就是说平均只需要六步就可以联系到任何两个互不相识的人。

一个用户的一度连接用户就是他的好友,二度连接用户就是他好友的好友,三度连接用户就是他好友的好友的好友。在社交网络中,我们往往通过用户之间的连接关系,来实现推荐“可能认识的人”这么一个功能。

如何找出一个用户的所有三度(其中包含一度、二度和三度)好友关系?

答:

社交网络可以用图来表示。用图的广度优先搜索算法遍历与起始顶点最近的一层顶点,也就是用户的一度好友,然后再遍历与用户距离的边数为 2 的顶点,也就是二度好友关系,以及与用户距离的边数为 3 的顶点,也就是三度好友关系。用一个数组来记录每个顶点与起始顶点的距离,非常容易就可以找出三度好友关系。

也可以用深度优先搜索来解决这个问题,将递归的终止条件改为距离大于3.

如何将迷宫抽象成图并存储在计算机中?

答:

为迷宫建立二维坐标系,这样每个 分叉路口都会在这个2维坐标系上有一个唯一的坐标。

将所有的分叉路口的坐标作为顶点, 相邻顶点之间连成边,构成一张无向图。

使用散列表来存储,键为所有顶点, 值为该顶点的相邻顶点链表(可将链表替换为有序数组、红黑树或跳表)。