# 图论算法基础
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读完本文，你不仅学会了算法套路，还可以顺便解决如下题目：
| LeetCode | 力扣 | 难度 |
| :----: | :----: | :----: |
| [797. All Paths From Source to Target](https://leetcode.com/problems/all-paths-from-source-to-target/) | [797. 所有可能的路径](https://leetcode.cn/problems/all-paths-from-source-to-target/) | 🟠
| - | [剑指 Offer II 110. 所有路径](https://leetcode.cn/problems/bP4bmD/) | 🟠
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> 本文有视频版：[图论基础及遍历算法](https://www.bilibili.com/video/BV19G41187cL/)
经常有读者问我「图」这种数据结构，其实我在 [学习数据结构和算法的框架思维](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=学习数据结构和算法的高效方法) 中说过，虽然图可以玩出更多的算法，解决更复杂的问题，但本质上图可以认为是多叉树的延伸。
面试笔试很少出现图相关的问题，就算有，大多也是简单的遍历问题，基本上可以完全照搬多叉树的遍历。
那么，本文依然秉持我们号的风格，只讲「图」最实用的，离我们最近的部分，让你心里对图有个直观的认识，文末我给出了其他经典图论算法，理解本文后应该都可以拿下的。
### 图的逻辑结构和具体实现
一幅图是由**节点**和**边**构成的，逻辑结构如下：
**什么叫「逻辑结构」？就是说为了方便研究，我们把图抽象成这个样子**。
根据这个逻辑结构，我们可以认为每个节点的实现如下：
```java
/* 图节点的逻辑结构 */
class Vertex {
int id;
Vertex[] neighbors;
}
```
看到这个实现，你有没有很熟悉？它和我们之前说的多叉树节点几乎完全一样：
```java
/* 基本的 N 叉树节点 */
class TreeNode {
int val;
TreeNode[] children;
}
```
所以说，图真的没啥高深的，本质上就是个高级点的多叉树而已，适用于树的 DFS/BFS 遍历算法，全部适用于图。
不过呢，上面的这种实现是「逻辑上的」，实际上我们很少用这个 `Vertex` 类实现图，而是用常说的**邻接表和邻接矩阵**来实现。
比如还是刚才那幅图：
用邻接表和邻接矩阵的存储方式如下：
邻接表很直观，我把每个节点 `x` 的邻居都存到一个列表里，然后把 `x` 和这个列表关联起来，这样就可以通过一个节点 `x` 找到它的所有相邻节点。
邻接矩阵则是一个二维布尔数组，我们权且称为 `matrix`，如果节点 `x` 和 `y` 是相连的，那么就把 `matrix[x][y]` 设为 `true`（上图中绿色的方格代表 `true`）。如果想找节点 `x` 的邻居，去扫一圈 `matrix[x][..]` 就行了。
如果用代码的形式来表现，邻接表和邻接矩阵大概长这样：
```java
// 邻接表
// graph[x] 存储 x 的所有邻居节点
List[] graph;
// 邻接矩阵
// matrix[x][y] 记录 x 是否有一条指向 y 的边
boolean[][] matrix;
```
**那么，为什么有这两种存储图的方式呢？肯定是因为他们各有优劣**。
对于邻接表，好处是占用的空间少。
你看邻接矩阵里面空着那么多位置，肯定需要更多的存储空间。
但是，邻接表无法快速判断两个节点是否相邻。
比如说我想判断节点 `1` 是否和节点 `3` 相邻，我要去邻接表里 `1` 对应的邻居列表里查找 `3` 是否存在。但对于邻接矩阵就简单了，只要看看 `matrix[1][3]` 就知道了，效率高。
所以说，使用哪一种方式实现图，要看具体情况。
> PS：在常规的算法题中，邻接表的使用会更频繁一些，主要是因为操作起来较为简单，但这不意味着邻接矩阵应该被轻视。矩阵是一个强有力的数学工具，图的一些隐晦性质可以借助精妙的矩阵运算展现出来。不过本文不准备引入数学内容，所以有兴趣的读者可以自行搜索学习。
最后，我们再明确一个图论中特有的**度**（degree）的概念，在无向图中，「度」就是每个节点相连的边的条数。
由于有向图的边有方向，所以有向图中每个节点「度」被细分为**入度**（indegree）和**出度**（outdegree），比如下图：
其中节点 `3` 的入度为 3（有三条边指向它），出度为 1（它有 1 条边指向别的节点）。
好了，对于「图」这种数据结构，能看懂上面这些就绰绰够用了。
那你可能会问，我们上面说的这个图的模型仅仅是「有向无权图」，不是还有什么加权图，无向图，等等……
**其实，这些更复杂的模型都是基于这个最简单的图衍生出来的**。
**有向加权图怎么实现**？很简单呀：
如果是邻接表，我们不仅仅存储某个节点 `x` 的所有邻居节点，还存储 `x` 到每个邻居的权重，不就实现加权有向图了吗？
如果是邻接矩阵，`matrix[x][y]` 不再是布尔值，而是一个 int 值，0 表示没有连接，其他值表示权重，不就变成加权有向图了吗？
如果用代码的形式来表现，大概长这样：
```java
// 邻接表
// graph[x] 存储 x 的所有邻居节点以及对应的权重
List[] graph;
// 邻接矩阵
// matrix[x][y] 记录 x 指向 y 的边的权重，0 表示不相邻
int[][] matrix;
```
**无向图怎么实现**？也很简单，所谓的「无向」，是不是等同于「双向」？
如果连接无向图中的节点 `x` 和 `y`，把 `matrix[x][y]` 和 `matrix[y][x]` 都变成 `true` 不就行了；邻接表也是类似的操作，在 `x` 的邻居列表里添加 `y`，同时在 `y` 的邻居列表里添加 `x`。
把上面的技巧合起来，就变成了无向加权图……
好了，关于图的基本介绍就到这里，现在不管来什么乱七八糟的图，你心里应该都有底了。
下面来看看所有数据结构都逃不过的问题：遍历。
### 图的遍历
**[学习数据结构和算法的框架思维](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=学习数据结构和算法的高效方法) 说过，各种数据结构被发明出来无非就是为了遍历和访问，所以「遍历」是所有数据结构的基础**。
图怎么遍历？还是那句话，参考多叉树，多叉树的 DFS 遍历框架如下：
```java
/* 多叉树遍历框架 */
void traverse(TreeNode root) {
if (root == null) return;
// 前序位置
for (TreeNode child : root.children) {
traverse(child);
}
// 后序位置
}
```
图和多叉树最大的区别是，图是可能包含环的，你从图的某一个节点开始遍历，有可能走了一圈又回到这个节点，而树不会出现这种情况，从某个节点出发必然走到叶子节点，绝不可能回到它自身。
所以，如果图包含环，遍历框架就要一个 `visited` 数组进行辅助：
```java
// 记录被遍历过的节点
boolean[] visited;
// 记录从起点到当前节点的路径
boolean[] onPath;
/* 图遍历框架 */
void traverse(Graph graph, int s) {
if (visited[s]) return;
// 经过节点 s，标记为已遍历
visited[s] = true;
// 做选择：标记节点 s 在路径上
onPath[s] = true;
for (int neighbor : graph.neighbors(s)) {
traverse(graph, neighbor);
}
// 撤销选择：节点 s 离开路径
onPath[s] = false;
}
```
注意 `visited` 数组和 `onPath` 数组的区别，因为二叉树算是特殊的图，所以用遍历二叉树的过程来理解下这两个数组的区别：
**上述 GIF 描述了递归遍历二叉树的过程，在 `visited` 中被标记为 true 的节点用灰色表示，在 `onPath` 中被标记为 true 的节点用绿色表示**，类比贪吃蛇游戏，`visited` 记录蛇经过过的格子，而 `onPath` 仅仅记录蛇身。在图的遍历过程中，`onPath` 用于判断是否成环，类比当贪吃蛇自己咬到自己（成环）的场景，这下你可以理解它们二者的区别了吧。
如果让你处理路径相关的问题，这个 `onPath` 变量是肯定会被用到的，比如 [拓扑排序](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=拓扑排序) 中就有运用。
另外，你应该注意到了，这个 `onPath` 数组的操作很像前文 [回溯算法核心套路](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=回溯算法详解修订版) 中做「做选择」和「撤销选择」，区别在于位置：回溯算法的「做选择」和「撤销选择」在 for 循环里面，而对 `onPath` 数组的操作在 for 循环外面。
为什么有这个区别呢？这就是前文 [回溯算法核心套路](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=回溯算法详解修订版) 中讲到的回溯算法和 DFS 算法的区别所在：回溯算法关注的不是节点，而是树枝。不信你看前文画的回溯树，我们需要在「树枝」上做选择和撤销选择：
他们的区别可以这样反应到代码上：
```java
// DFS 算法，关注点在节点
void traverse(TreeNode root) {
if (root == null) return;
printf("进入节点 %s", root);
for (TreeNode child : root.children) {
traverse(child);
}
printf("离开节点 %s", root);
}
// 回溯算法，关注点在树枝
void backtrack(TreeNode root) {
if (root == null) return;
for (TreeNode child : root.children) {
// 做选择
printf("从 %s 到 %s", root, child);
backtrack(child);
// 撤销选择
printf("从 %s 到 %s", child, root);
}
}
```
如果执行这段代码，你会发现根节点被漏掉了：
```java
void traverse(TreeNode root) {
if (root == null) return;
for (TreeNode child : root.children) {
printf("进入节点 %s", child);
traverse(child);
printf("离开节点 %s", child);
}
}
```
所以对于这里「图」的遍历，我们应该用 DFS 算法，即把 `onPath` 的操作放到 for 循环外面，否则会漏掉记录起始点的遍历。
说了这么多 `onPath` 数组，再说下 `visited` 数组，其目的很明显了，由于图可能含有环，`visited` 数组就是防止递归重复遍历同一个节点进入死循环的。
当然，如果题目告诉你图中不含环，可以把 `visited` 数组都省掉，基本就是多叉树的遍历。
### 题目实践
下面我们来看力扣第 797 题「所有可能路径」，函数签名如下：
```java
List> allPathsSourceTarget(int[][] graph);
```
题目输入一幅**有向无环图**，这个图包含 `n` 个节点，标号为 `0, 1, 2,..., n - 1`，请你计算所有从节点 `0` 到节点 `n - 1` 的路径。
输入的这个 `graph` 其实就是「邻接表」表示的一幅图，`graph[i]` 存储这节点 `i` 的所有邻居节点。
比如输入 `graph = [[1,2],[3],[3],[]]`，就代表下面这幅图：
算法应该返回 `[[0,1,3],[0,2,3]]`，即 `0` 到 `3` 的所有路径。
**解法很简单，以 `0` 为起点遍历图，同时记录遍历过的路径，当遍历到终点时将路径记录下来即可**。
既然输入的图是无环的，我们就不需要 `visited` 数组辅助了，直接套用图的遍历框架：
```java
// 记录所有路径
List> res = new LinkedList<>();
public List> allPathsSourceTarget(int[][] graph) {
// 维护递归过程中经过的路径
LinkedList path = new LinkedList<>();
traverse(graph, 0, path);
return res;
}
/* 图的遍历框架 */
void traverse(int[][] graph, int s, LinkedList path) {
// 添加节点 s 到路径
path.addLast(s);
int n = graph.length;
if (s == n - 1) {
// 到达终点
res.add(new LinkedList<>(path));
// 可以在这直接 return，但要 removeLast 正确维护 path
// path.removeLast();
// return;
// 不 return 也可以，因为图中不包含环，不会出现无限递归
}
// 递归每个相邻节点
for (int v : graph[s]) {
traverse(graph, v, path);
}
// 从路径移出节点 s
path.removeLast();
}
```
这道题就这样解决了，注意 Java 的语言特性，因为 Java 函数参数传的是对象引用，所以向 `res` 中添加 `path` 时需要拷贝一个新的列表，否则最终 `res` 中的列表都是空的。
最后总结一下，图的存储方式主要有邻接表和邻接矩阵，无论什么花里胡哨的图，都可以用这两种方式存储。
在笔试中，最常考的算法是图的遍历，和多叉树的遍历框架是非常类似的。
当然，图还会有很多其他的有趣算法，比如 [二分图判定](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二分图)，[环检测和拓扑排序](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=拓扑排序)（编译器循环引用检测就是类似的算法），[最小生成树](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=kruskal)，[Dijkstra 最短路径算法](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=dijkstra算法) 等等，有兴趣的读者可以去看看，本文就到这了。
引用本文的文章
- [Dijkstra 算法模板及应用](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=dijkstra算法)
- [Prim 最小生成树算法](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=prim算法)
- [一文秒杀所有岛屿题目](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=岛屿题目)
- [东哥带你刷二叉树（纲领篇）](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二叉树总结)
- [二分图判定算法](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二分图)
- [众里寻他千百度：名流问题](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=名人问题)
- [前缀树算法模板秒杀五道算法题](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=trie)
- [回溯算法解题套路框架](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=回溯算法详解修订版)
- [我的刷题心得](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=算法心得)
- [环检测及拓扑排序算法](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=拓扑排序)
- [用算法打败算法 ](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=PDF中的算法)
- [算法学习和心流体验](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=心流)
引用本文的题目
安装 [我的 Chrome 刷题插件](https://mp.weixin.qq.com/s/X-fE9sR4BLi6T9pn7xP4pg) 点开下列题目可直接查看解题思路：
| LeetCode | 力扣 |
| :----: | :----: |
| [133. Clone Graph](https://leetcode.com/problems/clone-graph/?show=1) | [133. 克隆图](https://leetcode.cn/problems/clone-graph/?show=1) |
| [200. Number of Islands](https://leetcode.com/problems/number-of-islands/?show=1) | [200. 岛屿数量](https://leetcode.cn/problems/number-of-islands/?show=1) |
| [2049. Count Nodes With the Highest Score](https://leetcode.com/problems/count-nodes-with-the-highest-score/?show=1) | [2049. 统计最高分的节点数目](https://leetcode.cn/problems/count-nodes-with-the-highest-score/?show=1) |
| - | [剑指 Offer II 110. 所有路径](https://leetcode.cn/problems/bP4bmD/?show=1) |
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