广度优先搜索的应用

Posted 2021-08-11 C语言进阶学习

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了广度优先搜索的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

学习难，

难在于当你处于学习过程时对自己的克制，

编程亦是如此。

前言

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前面的文章中我们学习了和，分别用这两种算法解决了迷宫问题，但是迷宫问题在实际应用中很少用到，今天我们再次使用广度优先搜索算法来解决一个实际问题——文件搜索。文件搜索为什么要用广度优先搜索而不用深度优先搜索呢？考虑这样一个场景，假设我们在D盘中进行搜索，目标文件在最后一个文件夹里面，而第一个搜索的文件夹又有几万个甚至上十万个文件，这将是一个很漫长的过程。而广度优先搜索则是每个位置都搜一下，平均搜索时间比较平稳。

思路

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1. 搜索文件首先得有一个起始路径，而该路径应该由用户提供；

2. 既然是搜索，那么得有关键字才行，而关键字也应该由用户提供；

3. 获取起始路径和关键字后，将起始路径入队，然后开始BFS；

4. 最后将符合搜索条件的文件路径输出到屏幕上，完成。

下面使用流程图来展示算法的搜索过程。

从流程图中可以看出，结束搜索的条件是队列为空，这和迷宫问题的结束条件一致。

数据结构

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在迷宫问题中，不管是栈还是队列的实现，都是使用数组来充当。而在本文中，作者重新实现了队列这个数据结构，在需求较为简单时稍微修改即可使用。定义如下：

/** * 队列定义 */struct _queue {
 size_t size; /** 队列的元素个数 */ in_queue_callback iqcb; /** 入队时的具体操作回调 */ free_qdata_callback fdcb; /** 释放队列时释放数据部分回调 */ void (*push)(queue* que, const qdata value); /** 入队 */ qdata (*pop)(queue* que); /** 出队 */ _bool (*is_empty)(queue* que); /** 判空 */ q_value* front; /** 队头指针 */ q_value* rear; /** 队尾指针 */};

其中“in_queue_callback”和“free_qdata_callback”的定义如下：

/** * 队列的数据（数据结构定义），这么做是为了方便 * 更换数据结构。 */typedef char * qdata;/** * 数据入队回调，为了使程序具有更高的可移植性，采用 * 回调的方式让调用者自己实现。 */typedef _bool (*in_queue_callback)(qdata* dst, qdata const data);
/** * 释放队列回调，调用者实现。 */typedef void (*free_qdata_callback)(qdata* addr);

在使用时只需要修改qdata的基本类型（可以是复合类型）和实现入队时的赋值操作和释放内存操作即可。因为大部分情况下队列的数据是复合类型（例如迷宫问题），虽然在本文中是字符串类型。当然，如果调用者的数据是基本类型而已，入队时直接赋值即可，释放内存时什么都不用做直接返回就行。

即使对队列进行了封装，但使用起来还得调用者自己编写一些函数，毕竟C语言是面向过程，不像大多数面向对象编程语言可以使用泛型。不过学习算法和数据结构的重点不是编程语言，也就无所谓了。

扩展

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搞定了算法和数据结构，接下来就是编写代码了。不过在编写代码之前，还有几个问题：C语言如何遍历文件（夹）？经过查询资料，发现在Windows系统中，官方提供了一些接口可用于遍历文件（夹）。

主要使用到其提供的一种数据结构（变量）和两个算法（函数）。它们的定义如下：


struct _finddata{ unsigned attrib; __time64_t time_create; // -1 for FAT file systems __time64_t time_access; // -1 for FAT file systems __time64_t time_write; _fsize_t size; char name[260];};
int _findfirst(char const* _FileName, struct _finddata* _FindData);
int _findnext(int _FindHandle, struct _finddata* _FindData);

先看数据结构的定义，根据本文的需求，和时间有关成员我们不需要关心，我们只关心两个成员——“attrib”和“name”。“attrib”描述的是文件的属性，“name”是文件名，我们可以通过属性来判断该文件是一个目录还是文件。文件名则是判断是否符合搜索要求的依据。当然，如果想要做得细致些，可以加上日期、文件大小等来进一步提高搜索的准确度。

调用“_findfirst”函数，第一个参数为“路径”，第二个参数用于存放在该路径下找到的第一个文件（夹），如果该路径下存在文件，则返回一个“句柄”，在调用“_findnext”查找下一个文件时作为参数传递。

由于代码较多，就不在这里张贴了，有兴趣的读者可以自行git，当然自己动手练习更好。

本来只是想简单介绍一下广度优先搜索算法的应用，想着想着就想把它开发成一个小工具（仅限于Windows）使用。现该工具的功能主要有以下几点：