数据结构与算法之拓扑排序

最小生成树和最短路径可以解决无序的问题,此处的无序指的是对顶点的访问顺序没有要求,但是很多场景对顺序有严格的要求,比如说建造一栋大楼必须先找好施工人员,购买各种材料和准备好各种器械之后才能开始盖楼。或者是拍电影必须先找好演员和各种负责人之后才能开拍。类似这样的场景我们称为AOV网。

在一个表示工程的有向图中,用顶点表示活动,用弧表示活动之间的优先关系,这样的有向图为顶点表示活动的网,我们称为AOV网(Activity On Vertex Network)。

AOV网中不能存在回路,因为后续的活动依赖之前的活动,而不能互相依赖。而拓扑排序,就是对这样的AOV网进行排序,它的定义如下:

设G=(V, E)是一个具有 n 个顶点的有向图,V中的顶点序列v0, v1, ..., vn-1,满足若从顶点 vi 到 vj 有一条路径,则在顶点序列中顶点 vi 必在 vj 之前,这样的顶点序列就是拓扑序列。将AOV网排序成这样的序列就是拓扑排序。

例如下图就是一个AOV网,其中v2、v3、v4、v5都依赖于v1,表明只要v1执行完毕后,它们都可以开始了。

AOV网

对于这样的AOV网,只要v0在v1之前,v1在v2、v3、v4、v5之前,而v2、v3在v6之前,v4、v5在v7之前,v6和v7在v8之前,就是一个有效的拓扑序列。比如可以是v0->v1->v2->v3->v4->v5->v6->v7->v8,也可以是v0->v1->v2->v3->v6->v4->v5->v7->v8

拓扑排序的思路就是:从AOV网中选择一个入度为0的顶点,删除它与其它顶点间的弧,然后重复这个过程,直到得到全部顶点,或者是判断出它不是一个AOV网。

因为涉及到大量的删除操作,我们选择邻接表来存储数据,同时为了方便计算入度,增加一个属性来记录每个顶点的入度。拓扑排序的参考代码如下:

public <T> boolean topoSort(ATGraph<T> atGraph) {
    int count = 0;
    Queue<ATVertex<T>> queue = new LinkedList<>();
    for (int i = 0; i < atGraph.getLen(); i++) {
        if (atGraph.getVertex(i).getIn() == 0) {
            queue.offer(atGraph.getVertex(i));
        }
    }
    while (!queue.isEmpty()) {
        ATVertex<T> vertex = queue.poll();
        System.out.print(vertex.getData() + "->");
        count++;
        ATEdge<T> next = vertex.getNext();
        while (next != null) {
            ATVertex<T> nextVertex = next.getVertex();
            nextVertex.setIn(nextVertex.getIn() - 1);
            if (nextVertex.getIn() == 0) {
                queue.offer(nextVertex);
            }
            next = next.getNext();
        }
    }

    return count >= atGraph.getLen();
}

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