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深度优先遍历图解



DFS 全称是 Depth First Search,中文名是深度优先搜索,是一种用于遍历或搜索树或图的算法。所谓深度优先,就是说每次都尝试向更深的节点走。

该算法讲解时常常与 BFS 并列,但两者除了都能遍历图的连通块以外,用途完全不同,很少有能混用两种算法的情况。

DFS 常常用来指代用递归函数实现的搜索,但实际上两者并不一样。有关该类搜索思想请参阅 DFS(搜索).

DFS 最显著的特征在于其 递归调用自身。同时与 BFS 类似,DFS 会对其访问过的点打上访问标记,在遍历图时跳过已打过标记的点,以确保 每个点仅访问一次。符合以上两条规则的函数,便是广义上的 DFS。

具体地说,DFS 大致结构如下:

以上代码只包含了 DFS 必需的主要结构。实际的 DFS 会在以上代码基础上加入一些代码,利用 DFS 性质进行其他操作。

该算法通常的时间复杂度为 ,空间复杂度为 ,其中 表示点数, 表示边数。注意空间复杂度包含了栈空间,栈空间的空间复杂度是 的。在平均 遍历一条边的条件下才能达到此时间复杂度,例如用前向星或邻接表存储图;如果用邻接矩阵则不一定能达到此复杂度。

备注:目前大部分算法竞赛(包括 NOIP、大部分省选以及 CCF 举办的各项赛事)都支持 无限栈空间,即:栈空间不单独限制,但总内存空间仍然受题面限制。但大部分操作系统会对栈空间做额外的限制,因此在本地调试时需要一些方式来取消栈空间限制。

  • 在 Windows 上,通常的方法是在 编译选项 中加入 ,表示将栈空间限制设置为 字节。
  • 在 Linux 上,通常的方法是在运行程序前 在终端内 执行 ,表示栈空间无限。每个终端只需执行一次,对之后每次程序运行都有效。

DFS 可以使用 栈(Stack) 为遍历中节点的暂存容器来实现;这与用 队列(Queue) 实现的 BFS 形成高度对应。

函数在递归调用时的求值如同对栈的添加和删除元素的顺序,故函数调用所占据的虚拟地址被称为函数调用栈(Call Stack),DFS 可用递归的方式实现。

以 邻接表(Adjacency List) 作为图的存储方式:

以 链式前向星 为例:

DFS 序列是指 DFS 调用过程中访问的节点编号的序列。

我们发现,每个子树都对应 DFS 序列中的连续一段(一段区间)。

DFS 进入某个节点的时候记录一个左括号 ,退出某个节点的时候记录一个右括号 。

每个节点会出现两次。相邻两个节点的深度相差 1。

对于非连通图,只能访问到起点所在的连通分量。

对于连通图,DFS 序列通常不唯一。

注:树的 DFS 序列也是不唯一的。

在 DFS 过程中,通过记录每个节点从哪个点访问而来,可以建立一个树结构,称为 DFS 树。DFS 树是原图的一个生成树。

DFS 树 有很多性质,比如可以用来求 强连通分量。


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