• 强连通分量——Tarjan算法


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    强连通分量是有向图中的概念,我们先说强连通分量的定义吧:在一个图的子图中,任意两个点相互可达,也就是存在互通的路径,那么这个子图就是强连通分量(或者称为强连通分支)。如果一个有向图的任意两个点相互可达,那么这个图就称为强连通图。

            我们常用的求强连通分量的算法有两个,一个是Kosaraju算法,这个算法是基于两次dfs来实现的;还有一个就是Tarjan算法,这个算法完成一次dfs就可以找到图中的强连通分支。我的这篇文章主要介绍Tarjan算法。

           Tarjan算法是基于这样一个原理:如果u是某个强连通分量的根,那么:

    (1)u不存在路径可以返回到它的祖先

    (2)u的子树也不存在路径可以返回到u的祖先。

            因此我们在实现Tarjan算法的时候,使用dfsnum[i]记录节点i被访问的时间,也可以理解为在访问该点之前已经访问的点的个数。然后使用数组low[i]记录点i或者i的子树最小可以返回到的节点(在栈中)的次序号。

            这里还要说一下low[i]的更新过程,

    if(v是i向下dfs的树边) low[i]=min(low[i],low[v]);//这里也就是说low[i]表示i或者i的子树所能追回到的最小的点序号。

    if(v不是树边也不是横叉边) low[i]=min(low[i],dfsnum[v]);//其实这里你直接更新成low[v]代替dfsnum[v]也是可以的

            根据上面的原理,我们可以发现只有当dfsnum[i]==low[i]的时候就正好是强连通分量的根。这个时候我们把在栈中的点(在遇到根之前在栈中的点)出栈,并且标记好点所属的强连通分支的编号。

            整个Tarjan算法跑下来就可以完成强连通分支的求解了。

    #include<iostream>
    #include<vector>
    using namespace std;

    const int MAX=10001;

    int Stop;//栈中的元素个数
    int cnt;//记录连通分量的个数
    int visitNum;//记录遍历的步数
    int DFN[MAX]; //记录节点u第一次被访问时的步数
    int LOW[MAX]; //记录与节点u和u的子树节点中最早的步数
    bool instack[MAX];//记录节点u是否在栈中
    int Stap[MAX];//栈
    int Belong[MAX];//记录每个节点属于的强连通分量编号

    int N;//节点个数

    vector<int> tree[MAX];

    void tarjan(int i)
    {
        int j;
        DFN[i]=LOW[i]=++visitNum;
        instack[i]=true;
        Stap[++Stop]=i;//将当前节点压入栈中
        for (unsigned k=0;k<tree[i].size();k++)
        {
            j=tree[i][k];
            if (!DFN[j]) //j还没有被访问过
            {
                tarjan(j);
                //父节点是子节点的子节点
                if (LOW[j]<LOW[i])
                    LOW[i]=LOW[j];
            }
            //与j相连,但是j已经被访问过,且还在栈中
            //用子树节点更新节点第一次出现的时间
            else if (instack[j] && DFN[j]<LOW[i])
                LOW[i]=DFN[j];
        }
        //节点i是强连通分量的根
        if (DFN[i]==LOW[i])
        {
            cnt++;
            //输出找到的强连通分量
            cout<<"连通分量"<<cnt<<": ";
            //退栈,直至找到根为止
            do
            {
                j=Stap[Stop--];
                instack[j]=false;
                cout<<j<<" ";
                Belong[j]=cnt;
            }
            while (j!=i);
            cout<<endl;
        }
    }
    void solve()
    {
        Stop=cnt=visitNum=0;
        memset(DFN,0,sizeof(DFN));
        for (int i=1;i<=N;i++)
            if (!DFN[i])//有可能图不是连通图
                tarjan(i);
    }

    int main()
    {
        N=6;
        tree[1].push_back(3);
        tree[1].push_back(2);
        tree[2].push_back(4);
        tree[3].push_back(5);
        tree[3].push_back(4);
        tree[4].push_back(1);
        tree[4].push_back(6);
        tree[5].push_back(6);
        solve();
        for(int i=1;i<=N;i++)
            cout<<Belong[i]<<" ";
        cout<<endl;
        return 0;
    }

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