詳解Java實現拓撲排序算法
一、介紹
百科上這麼定義的：
對一個有向無環圖(Directed Acyclic Graph簡稱DAG)G進行拓撲排序，是將G中所有頂點排成一個線性序列，使得圖中任意一對頂點u和v，若邊<u,v>∈E(G)，則u在線性序列中出現在v之前。通常，這樣的線性序列稱為滿足拓撲次序(Topological Order)的序列，簡稱拓撲序列。簡單的說，由某個集合上的一個偏序得到該集合上的一個全序，這個操作稱之為拓撲排序。
為什麼會有拓撲排序？拓撲排序有何作用？
舉個例子，學習java系列的教程
| 代號 | 科目 | 學前需掌握 |
|---|---|---|
| A1 | javaSE | |
| A2 | html | |
| A3 | Jsp | A1，A2 |
| A4 | servlet | A1 |
| A5 | ssm | A3,A4 |
| A6 | springboot | A5 |
就比如學習java系類(部分)從java基礎，到jsp/servlet，到ssm，到springboot，springcloud等是個循序漸進且有依賴的過程。在jsp學習要首先掌握java基礎和html基礎。學習框架要掌握jsp/servlet和jdbc之類才行。那麼，這個學習過程即構成一個拓撲序列。當然這個序列也不唯一，你可以對不關聯的學科隨意選擇順序(比如html和java可以隨便先開始哪一個。)
那上述序列可以簡單表示為：
其中五種均為可以選擇的學習方案，對課程安排可以有參考作用，當然，五個都是拓撲序列。隻是選擇的策略不同！
一些其他註意：
DGA：有向無環圖
AOV網：數據在頂點 可以理解為面向對象
AOE網：數據在邊上，可以理解為面向過程！
而我們通俗一點的說法，就是按照某種規則將這個圖的頂點取出來，這些頂點能夠表示什麼或者有什麼聯系。
規則：
- 圖中每個頂點隻出現
一次。 - A在B前面，則不存在B在A前面的路徑。(
不能成環！！！！) - 頂點的順序是保證所有指向它的下個節點在被指節點前面！(例如A—>B—>C那麼A一定在B前面，B一定在C前面)。所以，這個核心規則下隻要滿足即可，所以拓撲排序序列不一定唯一！
二、拓撲排序算法分析
正常步驟為(方法不一定唯一)：
- 從DGA圖中找到一個
沒有前驅的頂點輸出。(可以遍歷，也可以用優先隊列維護) - 刪除以這個點為起點的邊。(它的指向的邊刪除，為瞭找到下個沒有前驅的頂點)
- 重復上述，直到最後一個頂點被輸出。如果還有頂點未被輸出，則說明有環！
對於上圖的簡單序列，可以簡單描述步驟為：
1：刪除1或2輸出
2：刪除2或3以及對應邊
3：刪除3或者4以及對應邊
4：重復以上規則步驟
這樣就完成一次拓撲排序，得到一個拓撲序列，但是這個序列並不唯一！從過程中也看到有很多選擇方案，具體得到結果看你算法的設計瞭。但隻要滿足即是拓撲排序序列。
另外觀察 1 2 4 3 6 5 7 9這個序列滿足我們所說的有關系的節點指向的在前面，被指向的在後面。如果完全沒關系那不一定前後(例如1,2)
三、拓撲排序代碼實現
對於拓撲排序，如何用代碼實現呢？對於拓撲排序，雖然在上面詳細介紹瞭思路和流程，也很通俗易懂。但是實際上代碼的實現還是很需要斟酌的，如何在空間和時間上能夠得到較好的平衡且取得較好的效率？
首先要考慮存儲。對於節點，首先他有聯通點這麼多屬性。遇到稀疏矩陣還是用鄰接表比較好。因為一個節點的指向節點較少，用鄰接矩陣較浪費資源。
另外，如果是1，2，3，4，5，6這樣的序列求拓撲排序，我們可以考慮用數組，但是如果遇到1，2，88，9999類似數據，可以考慮用map中轉一下。
我們具體的代碼思想為：
- 新建node類，包含節點數值和它的指向(這裡直接用list集合替代鏈表瞭)
- 一個數組包含node(這裡默認編號較集中)。初始化，添加每個節點指向的時候同時被指的節點入度+1！(A—>C)那麼C的入度+1；
- 掃描一遍所有node。將所有入度為0的點加入一個
棧(隊列)。 - 當棧(隊列)不空的時候，拋出其中任意一個node(棧就是尾，隊就是頭，順序無所謂，上面分析瞭隻要同時入度為零可以隨便選擇順序)。將node輸出，並且
node指向的所有元素入度減一。如果某個點的入度被減為0，那麼就將它加入棧(隊列)。 - 重復上述操作，直到棧為空。
這裡主要是利用棧或者隊列儲存入度隻為0的節點，隻需要初次掃描表將入度為0的放入棧(隊列)中。
- 這裡你或許會問為什麼。
- 因為節點之間是有相關性的，一個節點若想入度為零，那麼它的父節點(指向節點)肯定在它為0前入度為0，拆除關聯箭頭。從父節點角度，它的這次拆除聯系，可能導致被指向的入讀為0，也可能不為0(還有其他節點指向兒子)
至於具體demo：
package 圖論;
import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Queue;
import java.util.Stack;
public class tuopu {
static class node
{
int value;
List<Integer> next;
public node(int value) {
this.value=value;
next=new ArrayList<Integer>();
}
public void setnext(List<Integer>list) {
this.next=list;
}
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
node []nodes=new node[9];//儲存節點
int a[]=new int[9];//儲存入度
List<Integer>list[]=new ArrayList[10];//臨時空間，為瞭存儲指向的集合
for(int i=1;i<9;i++)
{
nodes[i]=new node(i);
list[i]=new ArrayList<Integer>();
}
initmap(nodes,list,a);
//主要流程
//Queue<node>q1=new ArrayDeque<node>();
Stack<node>s1=new Stack<node>();
for(int i=1;i<9;i++)
{
//System.out.print(nodes[i].next.size()+" 55 ");
//System.out.println(a[i]);
if(a[i]==0) {s1.add(nodes[i]);}
}
while(!s1.isEmpty())
{
node n1=s1.pop();//拋出輸出
System.out.print(n1.value+" ");
List<Integer>next=n1.next;
for(int i=0;i<next.size();i++)
{
a[next.get(i)]--;//入度減一
if(a[next.get(i)]==0)//如果入度為0
{
s1.add(nodes[next.get(i)]);
}
}
}
}
private static void initmap(node[] nodes, List<Integer>[] list, int[] a) {
list[1].add(3);
nodes[1].setnext(list[1]);
a[3]++;
list[2].add(4);list[2].add(6);
nodes[2].setnext(list[2]);
a[4]++;a[6]++;
list[3].add(5);
nodes[3].setnext(list[3]);
a[5]++;
list[4].add(5);list[4].add(6);
nodes[4].setnext(list[4]);
a[5]++;a[6]++;
list[5].add(7);
nodes[5].setnext(list[5]);
a[7]++;
list[6].add(8);
nodes[6].setnext(list[6]);
a[8]++;
list[7].add(8);
nodes[7].setnext(list[7]);
a[8]++;
}
}
輸出結果
2 4 6 1 3 5 7 8
當然，上面說過用棧和隊列都可以！如果使用隊列就會得到1 2 3 4 5 6 7 8 的拓撲序列
以上就是詳解Java實現拓撲排序算法的詳細內容，更多關於Java實現拓撲排序算法的資料請關註WalkonNet其它相關文章！