图的存储结构相比较线性表与树来说就复杂很多。我们回顾下,对于线性表来说,是一对一的关系,所以用数组或者链表均可简单存放。树结构是一对多的关系,所以我们要将数组和链表的特性结合在一起才能更好的存放。那么我们的图,是多对多的情况,另外图上的任何一个顶点都可以被看作是第一个顶点,任一顶点的邻接点之间也不存在次序关系。如下图所示

20. 图(2):图的储存结构

  我们可以看出,这四幅图实际上是相同的图。因为任意两个顶点之间都可能存在联系,因此无法以数据元素在内存中的物理位置来表示元素之间的关系(内存物理位置是线性的,图的元素关系是平面的)。如果用多重链表来描述倒是可以做到,但在几节课前的树章节我们已经讨论过,纯粹用多重链表导致的浪费是无法想像的(如果各个顶点的度数相差太大,就会造成巨大的浪费)。

  因此下面将介绍五种可用的数据结构,重点介绍前两种,后面三种作为一种拓展。

1. 邻接矩阵

  考虑到图是由顶点和边或弧两部分组成,合在一起比较困难,那就很自然地考虑到分为两个结构来分别存储。顶点因为不区分大小、主次,所以用一个一维数组来存储是狠不错的选择。而边或弧由于是顶点与顶点之间的关系,一维数组肯定就搞不定了,那我们不妨考虑用一个二维数组来存储。

1.1 无向图的邻接矩阵

  图的邻接矩阵(Adjacency Matrix)存储方式是用两个数组来表示图。一个一维数组存储图中顶点信息,一个二维数组(称为邻接矩阵)存储图中的边或弧的信息,如下图所示

20. 图(2):图的储存结构

  我们可以设置两个数组,顶点数组为vertex[4]={V0,V1,V2,V3},边数组arc[4][4]为对称矩阵(0表示不存在顶点间的边,1表示顶点间存在边)。对称矩阵:所谓对称矩阵就是n阶矩阵的元满足a[i][j]=a[j]i。即从矩阵的左上角到右下角的主对角线为轴,右上角的元与左下角相对应的元全都是相等的。

  有了这个二维数组组成的对称矩阵,我们就可以很容易地知道图中的信息:
  (1) 要判定任意两顶点是否有边无边就非常容易了;
  (2) 要知道某个顶点的度,其实就是这个顶点Vi在邻接矩阵中第i行(或第i列)的元素之和;
  (3) 求顶点Vi的所有邻接点就是将矩阵中第i行元素扫描一遍,arc[i][j]为1就是邻接点咯。

1.2 有向图的邻接矩阵

  无向图的边构成了一个对称矩阵,貌似浪费了一半的空间,那如果是有向图来存放,会不会把资源都利用得很好呢?如下图所示

20. 图(2):图的储存结构

可见顶点数组vertex[4]={V0,V1,V2,V3},弧数组arc[4][4]也是一个矩阵,但因为是有向图,所以这个矩阵并不对称,例如由V1到V0有弧,得到arc[1][0]=1,而V0到V1没有弧,因此arc[0][1]=0。另外有向图是有讲究的,要考虑入度和出度,顶点V1的入度为1,正好是第V1**列的各数之和,顶点V1的出度为2,正好是第V1行**的各数之和。

1.3 邻接矩阵(网)

  在图的术语中,我们提到了网这个概念,事实上也就是每条边上带有权的图就叫网。

20. 图(2):图的储存结构

2. 邻接表

  邻接矩阵看上去是个不错的选择,首先是容易理解,第二是索引和编排都很舒服。但是我们也发现,对于边数相对顶点较少的图,这种结构无疑是存在对存储空间的极大浪费。如下图所示

20. 图(2):图的储存结构

  因此我们可以考虑另外一种存储结构方式,例如把数组与链表结合一起来存储,这种方式在图结构也适用,我们称为邻接表(AdjacencyList)。
邻接表的处理方法是这样:
  图中顶点用一个一维数组存储,当然,顶点也可以用单链表来存储,不过数组可以较容易地读取顶点信息,更加方便。图中每个顶点Vi的所有邻接点构成一个线性表,由于邻接点的个数不确定,所以我们选择用单链表来存储。

2.1 无向图的邻接表

  无向图的单链表如下图所示
20. 图(2):图的储存结构

2.2 有向图的邻接表

  若是有向图,邻接表结构也是类似的,我们先来看下把顶点当弧尾建立的邻接表,这样很容易就可以得到每个顶点的出度:

20. 图(2):图的储存结构

但也有时为了便于确定顶点的入度或以顶点为弧头的弧,我们可以建立一个有向图的逆邻接表:

20. 图(2):图的储存结构

此时我们很容易就可以算出某个顶点的入度或出度是多少,判断两顶点是否存在弧也很容易实现。

2.3 邻接网

  对于带权值的网图,可以在边表结点定义中再增加一个数据域来存储权值即可:

20. 图(2):图的储存结构

3. 边集数组

  边集数组是由两个一维数组构成,一个是存储顶点的信息,另一个是存储边的信息,这个边数组每个数据元素由一条边的起点下标(begin)、终点下标(end)和权(weight)组成。

20. 图(2):图的储存结构

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