图的顺序存储结构（包含C语言实现）

Posted 2021-12-06 Roam-G

使用图结构表示的数据元素之间虽然具有“多对多”的关系，但是同样可以采用顺序存储，也就是使用数组有效地存储图。

使用数组存储图时，需要使用两个数组，一个数组存放图中顶点本身的数据（一维数组），另外一个数组用于存储各顶点之间的关系（二维数组）。

存储图中各顶点本身数据，使用一维数组就足够了；存储顶点之间的关系时，要记录每个顶点和其它所有顶点之间的关系，所以需要使用二维数组。

不同类型的图，存储的方式略有不同，根据图有无权，可以将图划分为两大类：图和网 。

图，包括无向图和有向图；网，是指带权的图，包括无向网和有向网。存储方式的不同，指的是：在使用二维数组存储图中顶点之间的关系时，如果顶点之间存在边或弧，在相应位置用 1 表示，反之用 0 表示；如果使用二维数组存储网中顶点之间的关系，顶点之间如果有边或者弧的存在，在数组的相应位置存储其权值；反之用 0 表示。

结构代码表示：

1. #define MAX_VERtEX_NUM 20 //顶点的最大个数
2. #define VRType int //表示顶点之间的关系的变量类型
3. #define InfoType char //存储弧或者边额外信息的指针变量类型
4. #define VertexType int //图中顶点的数据类型
5. typedef enum{DG,DN,UDG,UDN}GraphKind; //枚举图的 4 种类型
6. typedef struct {
7. VRType adj; //对于无权图，用 1 或 0 表示是否相邻；对于带权图，直接为权值。
8. InfoType * info; //弧或边额外含有的信息指针
9. }ArcCell,AdjMatrix[MAX_VERtEX_NUM][MAX_VERtEX_NUM];
11. typedef struct {
12. VertexType vexs[MAX_VERtEX_NUM]; //存储图中顶点数据
13. AdjMatrix arcs; //二维数组，记录顶点之间的关系
14. int vexnum,arcnum; //记录图的顶点数和弧（边）数
15. GraphKind kind; //记录图的种类
16. }MGraph;

图1 有向图和无向图

例如，存储图 1 中的无向图（B）时，除了存储图中各顶点本身具有的数据外，还需要使用二维数组存储任意两个顶点之间的关系。

由于 （B） 为无向图，各顶点没有权值，所以如果两顶点之间有关联，相应位置记为 1 ；反之记为 0 。构建的二维数组如图 2 所示。

图2 无向图对应的二维数组arcs

在此二维数组中，每一行代表一个顶点，依次从 V1 到 V5 ，每一列也是如此。比如 arcs[0][1] = 1 ，表示 V1 和 V2 之间有边存在；而 arcs[0][2] = 0，说明 V1 和 V3 之间没有边。

对于无向图来说，二维数组构建的二阶矩阵，实际上是对称矩阵，在存储时就可以采用压缩存储的方式存储下三角或者上三角。

通过二阶矩阵，可以直观地判断出各个顶点的度，为该行（或该列）非 0 值的和。例如，第一行有两个 1，说明 V1 有两个边，所以度为 2。

存储图 1 中的有向图（A）时，对应的二维数组如图 3 所示：

图 3 有向图对应的二维数组arcs

例如，arcs[0][1] = 1 ，证明从 V1 到 V2 有弧存在。且通过二阶矩阵，可以很轻松得知各顶点的出度和入度，出度为该行非 0 值的和，入度为该列非 0 值的和。例如，V1 的出度为第一行两个 1 的和，为 2 ； V1 的入度为第一列中 1 的和，为 1 。所以 V1 的出度为 2 ，入度为 1 ，度为两者的和 3 。

图的顺序存储结构C语言实现

 

#include <stdio.h>
#define MAX_VERtEX_NUM 20 //顶点的最大个数
#define VRType int //表示顶点之间的关系的变量类型
#define InfoType char //存储弧或者边额外信息的指针变量类型
#define VertexType int //图中顶点的数据类型
typedef enum{DG,DN,UDG,UDN}GraphKind; //枚举图的 4 种类型
typedef struct {
VRType adj; //对于无权图，用 1 或 0 表示是否相邻；对于带权图，直接为权值。
InfoType * info; //弧或边额外含有的信息指针
}ArcCell,AdjMatrix[MAX_VERtEX_NUM][MAX_VERtEX_NUM];

typedef struct {
VertexType vexs[MAX_VERtEX_NUM]; //存储图中顶点数据
AdjMatrix arcs; //二维数组，记录顶点之间的关系
int vexnum,arcnum; //记录图的顶点数和弧（边）数
GraphKind kind; //记录图的种类
}MGraph;
//根据顶点本身数据，判断出顶点在二维数组中的位置
int LocateVex(MGraph * G,VertexType v){
int i=0;
//遍历一维数组，找到变量v
for (; i<G->vexnum; i++) {
if (G->vexs[i]==v) {
break;
}
}
//如果找不到，输出提示语句，返回-1
if (i>G->vexnum) {
printf("no such vertex.\\n");
return -1;
}
return i;
}
//构造有向图
void CreateDG(MGraph *G){
//输入图含有的顶点数和弧的个数
scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
//依次输入顶点本身的数据
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
scanf("%d",&(G->vexs[i]));
}
//初始化二维矩阵，全部归0，指针指向NULL
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
G->arcs[i][j].adj=0;
G->arcs[i][j].info=NULL;
}
}
//在二维数组中添加弧的数据
for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
int v1,v2;
//输入弧头和弧尾
scanf("%d,%d",&v1,&v2);
//确定顶点位置
int n=LocateVex(G, v1);
int m=LocateVex(G, v2);
//排除错误数据
if (m==-1 ||n==-1) {
printf("no this vertex\\n");
return;
}
//将正确的弧的数据加入二维数组
G->arcs[n][m].adj=1;
}
}
//构造无向图
void CreateDN(MGraph *G){
scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
scanf("%d",&(G->vexs[i]));
}
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
G->arcs[i][j].adj=0;
G->arcs[i][j].info=NULL;
}
}
for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
int v1,v2;
scanf("%d,%d",&v1,&v2);
int n=LocateVex(G, v1);
int m=LocateVex(G, v2);
if (m==-1 ||n==-1) {
printf("no this vertex\\n");
return;
}
G->arcs[n][m].adj=1;
G->arcs[m][n].adj=1;//无向图的二阶矩阵沿主对角线对称
}
}
//构造有向网，和有向图不同的是二阶矩阵中存储的是权值。
void CreateUDG(MGraph *G){
scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
scanf("%d",&(G->vexs[i]));
}
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
G->arcs[i][j].adj=0;
G->arcs[i][j].info=NULL;
}
}
for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
int v1,v2,w;
scanf("%d,%d,%d",&v1,&v2,&w);
int n=LocateVex(G, v1);
int m=LocateVex(G, v2);
if (m==-1 ||n==-1) {
printf("no this vertex\\n");
return;
}
G->arcs[n][m].adj=w;
}
}
//构造无向网。和无向图唯一的区别就是二阶矩阵中存储的是权值
void CreateUDN(MGraph* G){
scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
scanf("%d",&(G->vexs[i]));
}
for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
G->arcs[i][j].adj=0;
G->arcs[i][j].info=NULL;
}
}
for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
int v1,v2,w;
scanf("%d,%d,%d",&v1,&v2,&w);
int m=LocateVex(G, v1);
int n=LocateVex(G, v2);
if (m==-1 ||n==-1) {
printf("no this vertex\\n");
return;
}
G->arcs[n][m].adj=w;
G->arcs[m][n].adj=w;//矩阵对称
}
}
void CreateGraph(MGraph *G){
//选择图的类型
scanf("%d",&(G->kind));
//根据所选类型，调用不同的函数实现构造图的功能
switch (G->kind) {
case DG:
return CreateDG(G);
break;
case DN:
return CreateDN(G);
break;
case UDG:
return CreateUDG(G);
break;
case UDN:
return CreateUDN(G);
break;
default:
break;
}
}
//输出函数
void PrintGrapth(MGraph G)
{
for (int i = 0; i < G.vexnum; i++)
{
for (int j = 0; j < G.vexnum; j++)
{
printf("%d ", G.arcs[i][j].adj);
}
printf("\\n");
}
}
int main() {
MGraph G;//建立一个图的变量
CreateGraph(&G);//调用创建函数，传入地址参数
PrintGrapth(G);//输出图的二阶矩阵
return 0;
}

注意：在此程序中，构建无向网和有向网时，对于之间没有边或弧的顶点，相应的二阶矩阵中存放的是 0。目的只是为了方便查看运行结果，而实际上如果顶点之间没有关联，它们之间的距离应该是无穷大（∞）。

例如，使用上述程序存储图 4（a）的有向网时，存储的两个数组如图 4（b）所示：

图 4 有向网