拓扑排序（Topological Sorting）

Posted 2020-09-21 槐殇树

一、什么是拓扑排序

在图论中，拓扑排序（Topological Sorting）是一个有向无环图（DAG, Directed Acyclic Graph）的所有顶点的线性序列。且该序列必须满足下面两个条件：

1. 每个顶点出现且只出现一次。
2. 若存在一条从顶点 A 到顶点 B 的路径，那么在序列中顶点 A 出现在顶点 B 的前面。

有向无环图（DAG）才有拓扑排序，非DAG图没有拓扑排序一说。

例如，下面这个图：

它是一个 DAG 图，那么如何写出它的拓扑排序呢？这里说一种比较常用的方法：

1. 从 DAG 图中选择一个 没有前驱（即入度为0）的顶点并输出。
2. 从图中删除该顶点和所有以它为起点的有向边。
3. 重复 1 和 2 直到当前的 DAG 图为空或当前图中不存在无前驱的顶点为止。后一种情况说明有向图中必然存在环。

于是，得到拓扑排序后的结果是 { 1, 2, 4, 3, 5 }。

通常，一个有向无环图可以有一个或多个拓扑排序序列。

二、拓扑排序的应用

拓扑排序通常用来“排序”具有依赖关系的任务。

比如，如果用一个DAG图来表示一个工程，其中每个顶点表示工程中的一个任务，用有向边

三、拓扑排序的实现

根据上面讲的方法，我们关键是要维护一个入度为0的顶点的集合。

图的存储方式有两种：邻接矩阵和邻接表。这里我们采用邻接表来存储图，C++代码如下：

 

 

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68

#include<iostream> #include <list> #include <queue> using namespace std; /************************类声明************************/ class Graph { int V; // 顶点个数 list<int> *adj; // 邻接表 queue<int> q; // 维护一个入度为0的顶点的集合 int* indegree; // 记录每个顶点的入度 public: Graph(int V); // 构造函数 ~Graph(); // 析构函数 void addEdge(int v, int w); // 添加边 bool topological_sort(); // 拓扑排序 }; /************************类定义************************/ Graph::Graph(int V) { this->V = V; adj = new list<int>[V]; indegree = new int[V]; // 入度全部初始化为0 for(int i=0; i<V; ++i) indegree[i] = 0; } Graph::~Graph() { delete [] adj; delete [] indegree; } void Graph::addEdge(int v, int w) { adj[v].push_back(w); ++indegree[w]; } bool Graph::topological_sort() { for(int i=0; i<V; ++i) if(indegree[i] == 0) q.push(i); // 将所有入度为0的顶点入队 int count = 0; // 计数，记录当前已经输出的顶点数 while(!q.empty()) { int v = q.front(); // 从队列中取出一个顶点 q.pop(); cout << v << " "; // 输出该顶点 ++count; // 将所有v指向的顶点的入度减1，并将入度减为0的顶点入栈 list<int>::iterator beg = adj[v].begin(); for( ; beg!=adj[v].end(); ++beg) if(!(--indegree[*beg])) q.push(*beg); // 若入度为0，则入栈 } if(count < V) return false; // 没有输出全部顶点，有向图中有回路 else return true; // 拓扑排序成功 }

 

 

 

测试如下DAG图：

 

 

 

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

int main() { Graph g(6); // 创建图 g.addEdge(5, 2); g.addEdge(5, 0); g.addEdge(4, 0); g.addEdge(4, 1); g.addEdge(2, 3); g.addEdge(3, 1); g.topological_sort(); return 0; }

 

 

 

输出结果是 4, 5, 2, 0, 3, 1。这是该图的拓扑排序序列之一。

每次在入度为0的集合中取顶点，并没有特殊的取出规则，随机取出也行，这里使用的queue。取顶点的顺序不同会得到不同的拓扑排序序列，当然前提是该图存在多个拓扑排序序列。

由于输出每个顶点的同时还要删除以它为起点的边，故上述拓扑排序的时间复杂度为O(V+E)O(V+E)。

(详情http://www.kuqin.com/shuoit/20160111/349954.html)  

另外，拓扑排序还可以采用深度优先搜索（DFS）的思想来实现，详见《topological sorting via DFS》。