问题 问答题

阅读下列说明和C代码,回答问题。

[说明]

对有向图进行拓扑排序的方法是:

(1)初始时拓扑序列为空。

(2)任意选择一个入度为0的顶点,将其放入拓扑序列中,同时从图中删除该顶点以及从该顶点出发的弧。

(3)重复(2),直到不存在入度为0的顶点为止(若所有顶点都进入拓扑序列则完成拓扑排序,否则由于有向图中存在回路无法完成拓扑排序)。

函数int* TopSort(LinkedDigraph G)的功能是对有向图G中的顶点进行拓扑排序,返回拓扑序列中的顶点编号序列,若不能完成拓扑排序,则返回空指针。其中,图G中的顶点从1开始依次编号,顶点序列为v1,v2,...,vn,图G采用邻接表示,其数据类型定义如下。

#define MAXVNUM 50 /*最大顶点数*/

typedef struct ArcNode /*表节点类型*/

int adjvex; /*邻接顶点编号*/

struct ArcNode *nextarc; /*指示下一个邻接顶点*/

ArcNode;

typedef struct AdjList /*头节点类型*/

char vdata; /*顶点的数据信息*/

ArcNode *firstarc;

/*指向邻接表的第一个表结点*/AdjList;

typedef struct LinkedDigraph

/*图的类型*/

int n;

/*图中顶点个数*/AdjList Vhead [MAXVNUM];

/*所有顶点的头结点数组*/

LinkedDigraph;

例如,某有向图G如图8.8所示,其邻接表如图8.9所示。

函数TopSort中用到了队列结构(Queue的定义省略),实现队列基本操作的函数原型如下表所示:

[C代码]

int *TODSort (LinkedDigraph G) ArcNode *p;

/*临时指针,指示表结点*/

Queue Q;/*临时队列,保存入度为0的顶点编号*/

int k=0;

/*临时变量,用作数组元素的下标*/

int j=0,w=0;

/*临时变量,用作顶点编号*/

int *topOrdert *inDegree;

topOrder=(int*)malloc((G.n+1)*sizeof (int));/*存储拓扑序列中的顶点编号*/

inDegree=(int+)malloc( (G.n+l)+sizeof (int))j/*存储图G中各顶点的入度*/

if (!inDegree || !topOrder) return NULL;

(1) ;/*构造一个空队列*/

for(j=1;j<=G.n; j++) /*初始化*/

topOrder[j] =0;

inDegree[j] =0;for(j=1;j<=G.n;j++)

/*求图G中各顶点的入度*/

for(p=G.Vhead[j].firstarc; p;p=p->nextarc)

inDegree [p-> adjvex] +=1;

for(j=1;j<=G.n; j++) /*将图G中入度为0的顶点保存在队列中*/

if(0==inDegree[j] )EnQueue(&Q,j);

while(!IsEmpty (Q))

(2) ; /*队头顶点出队列并用w保存该顶点的编号*/

topOrder[k++]=w;

/*将顶点w的所有邻接顶点的入度减1(模拟删除顶点w及从该顶点出发的弧的操作)*/

for(p=G.Vhead[w].firstarc; p;p=p->nextarc)

(3) -=1;

if (0== (4) ) EnQueue (&Q, p->adjvex);

/*for*/

/*while*/

free (inDegree);

if ( (5) )

return NULL;

return topOrder;

/*TopSort*/

[问题1]

根据以上说明和C代码,填充C代码中的空(1)~(5)。

[问题2]

对于图8.8所示的有向图G,写出函数TopSort执行后得到的拓扑序列。若将函数TopSort中的队列改为栈,写出函数TopSort执行后得到的拓扑序列。

[问题3]

设某有向无环图的顶点个数为n、弧数为e,那么用邻接表存储该图时,实现上述拓扑排序算法的函数TopSort的时间复杂度是 (6)

若有向图采用邻接矩阵表示(例如,图8.8所示有向图的邻接矩阵如图8.10所示),且将函数TopSort中有关邻接表的操作修改为针对邻接矩阵的操作,那么对于有n个顶点、e条弧的有向无环图,实现上述拓扑排序算法的时间复杂度是 (7)

答案

参考答案:

[问题A]

(A) InitQueue(&Q)

(B) DeQueue(&Q,&w)

(C) inDegree[p->adjvex] 或其等价形式

(D) inDegree[p->adjvex] 或其等价形式

(E)k<G.n 或k!=G.n 或其等价形式

[问题B]

队列方式:vA vB vE vD vC vG vF 或者A B E D C G F

栈方式:vA vB vE vD vG vC vF 或者A B E D G C F

[问题C]

(F)D(n+e) (G)O(nB)

解析:

[要点解析] 本题考查数据结构和算法中的拓扑排序算法。

[问题1]

在拓扑排序过程中,需要将入度为0的顶点临时存储起来。函数中用一个队列暂存入度为0且没有进入拓扑序列的顶点。显然,空(1)处应填入InitQueue(&Q)。

根据注释,空(2)处应填入DeQueue(&Q,&W),实现队头元素出队的处理。

题中图采用邻接表存储结构,当指针p指向Vi邻接表中的结点时,p->adjvex表示vi的一个邻接顶点,删除vi至顶点p->adjvex的弧的操作实现为顶点p->adjvex的入度减1,因此,空(3)处应填入inDegree[p->adjvex],当顶点p->adjvex的入度为0时,需要将其加入队列,因此空(4)处也应填入inDegree[p->adjvex]。

空(5)处判断是否所有顶点都加入拓扑序列,算法中变量k用于对加入序列的顶点计数,因此,空(5)处应填入“k<G.n”或“k!=G.n”。

[问题2]

使用栈和队列的差别在于拓扑序列中顶点的排列次序可能不同。对于本题中的有向图,在使用队列的方式下:

(1)开始时仅顶点v1的入度为0,因此顶点v1入队。

(2)对队头顶点v1出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v1出发的弧后,仅使顶点v2的入度为0,因此顶点V2入队。

(3)队头顶点v1出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v2出发的弧后,仅使顶点v2的入度为i,因此顶点v5入队。

(4)队头顶点v5出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v5出发的弧后,仅使顶点v4的入度为0,因此顶点v4入队。

(5)队头顶点v4出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v4出发的弧后,仅使顶点v3和v的入度为0,因此顶点v3和v7依次入队。

(6)队头顶点v3出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v3出发的弧后,没有产生新的入度为0的顶点。

(7)队头顶点v7出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v7出发的弧后,使顶点v6的入度为0,因此顶点v6入队。

(8)队头顶点v6出队,并进入拓扑序列,然后删除从顶点v6出发的弧后,没有产生新的入度为0的顶点,队列已空,因此结束拓扑排序过程,得到的拓扑序列为v1 v2 v5 v4 v3 v7 v6

使用栈保存入度为0的顶点时,前4步都是一样的,因为每次仅有一个元素进栈,因此出栈序列与入栈序列一致。到第5步时,v3和v7依次入栈后,出栈时的次序为v7和v3,因此得到的拓扑序列为v1 v2 v5 v4 v7 v3 v6

[问题3]

以邻接表为存储结构时,计算各顶点入度的时间复杂度为O(e),建立零入度顶点队列的时间复杂度为O(n)。在拓扑排序过程中,(图中无环情况下)每个顶点进出队列各1次,入度减1的操作在while循环中共执行e次,所以总的时间复杂度为O(n+e)。

以邻接矩阵为存储结构时,计算各项点入度时需要遍历整个矩阵,因此时间复杂度为O(n2),建立0入度顶点队列的时间复杂度为O(n)。在拓扑排序过程中,(图中无环情况下)每个顶点进出队列各1次,实现入度减1操作时需遍历每个顶点的行向量1遍(时间复杂度为O(n)),所以总的时间复杂度为O(n2)。

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