Java實(shí)現(xiàn)計(jì)算圖中兩個(gè)頂點(diǎn)的所有路徑
前言
最近公司的項(xiàng)目上有個(gè)需求,還挺有分享價(jià)值的,這邊做個(gè)記錄。需求大致如下,下面的一個(gè)流程圖,點(diǎn)擊條件線上選擇的內(nèi)容,必須是前面配置過的節(jié)點(diǎn),如果不是,需要在保存的時(shí)候做強(qiáng)校驗(yàn)提示。
需求其實(shí)很明確,抽象出來就是獲取圖中兩個(gè)頂點(diǎn)之間所有可達(dá)路徑的頂點(diǎn)集合,大家可以思考下,該如何實(shí)現(xiàn)?這里面涉及到了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中圖相關(guān)知識(shí),而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法也是本事最大的弱項(xiàng),還是廢了我一番工夫。
抽象數(shù)據(jù)模型
實(shí)際上,看到這個(gè)需求就很容易想到我們的有向圖,那么在java中該用怎么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示有向圖呢?在惡補(bǔ)了一番圖相關(guān)的知識(shí)以后,最終確定用"鄰接表"的方式實(shí)現(xiàn)。鄰接表是圖的一種最主要存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),用來描述圖上的每一個(gè)點(diǎn)。
我們假設(shè)下面的一個(gè)有向圖:
那么可以抽象出下面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
不知道大家發(fā)現(xiàn)規(guī)律了嗎,每個(gè)頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)了它關(guān)聯(lián)的其他頂點(diǎn),比如A通過邊關(guān)聯(lián)了B,C,D, 可以理解為A有3條邊,他們的目標(biāo)頂點(diǎn)是B,C,D,那如何用java表示呢?
代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型
1.頂點(diǎn)類Vertex
/** * 頂點(diǎn) */ @Data @AllArgsConstructor @Accessors(chain = true) @NoArgsConstructor class Vertex { /** * 頂點(diǎn)id */ private String id; /** * 頂點(diǎn)的名稱 */ private String name; /** * 頂點(diǎn)發(fā)散出去的邊信息 */ private List<Edge> edges = new ArrayList<>(); }
成員變量edges
表示頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有的邊
2.頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)的邊類Edge
/** * 邊 */ @Data @AllArgsConstructor @Accessors(chain = true) @NoArgsConstructor class Edge { /** * 邊的目標(biāo)id */ private String targetVertexId; /** * 邊的id */ private String id; /** * 邊的名稱 */ private String name; }
成員變量targetVertexId
用來存儲(chǔ)邊的目標(biāo)頂點(diǎn)id
3.創(chuàng)建有向圖DirectedDiagraph
/** * 有向圖 * * @author alvin * @date 2022/10/26 * @since 1.0 **/ @Data @Slf4j(topic = "a.DirectedDiagraph") public class DirectedDiagraph { /** * 有向圖的的頂點(diǎn)信息 */ private Map<String, Vertex> vertextMap = new HashMap<>(); /** * 邊的數(shù)量 */ private int edgeNum; /** * 添加頂點(diǎn)信息 * * @param vertexId 頂點(diǎn)的id * @param vertexName 頂點(diǎn)的名稱 */ public void addVertex(String vertexId, String vertexName) { if (StrUtil.isEmpty(vertexId)) { throw new RuntimeException("頂點(diǎn)id不能為空"); } Vertex node = new Vertex().setId(vertexId).setName(vertexName); // 添加到有向圖中 vertextMap.put(vertexId, node); } /** * 添加邊信息 * * @param fromVertexId 邊的起始節(jié)點(diǎn) * @param targetVertexId 邊的目標(biāo)節(jié)點(diǎn) * @param edgeId 邊id * @param edgeName 邊名稱 */ public void addEdge(String fromVertexId, String targetVertexId, String edgeId, String edgeName) { if (StrUtil.isEmpty(fromVertexId) || StrUtil.isEmpty(targetVertexId)) { throw new RuntimeException("邊的起始頂點(diǎn)或者目標(biāo)頂點(diǎn)不能為空"); } Edge edge = new Edge().setTargetVertexId(targetVertexId).setId(edgeId).setName(edgeName); // 獲取頂點(diǎn) Vertex fromVertex = vertextMap.get(fromVertexId); // 添加到邊中 fromVertex.getEdges().add(edge); // 邊的數(shù)量+1 edgeNum++; } /** * 添加邊信息 * @param fromVertexId 邊的起始節(jié)點(diǎn) * @param targetVertexId 邊的目標(biāo)節(jié)點(diǎn) */ public void addEdge(String fromVertexId, String targetVertexId) { this.addEdge(fromVertexId, targetVertexId, null, null); } /** * 獲取圖中邊的數(shù)量 */ public int getEdgeNum() { return edgeNum; } }
- 成員變量
vertextMap
存儲(chǔ)圖中的頂點(diǎn)信息 addVertex()
方法用來添加頂點(diǎn)數(shù)據(jù)addEdge()
方法用來添加邊數(shù)據(jù)
計(jì)算兩個(gè)頂點(diǎn)之間路徑算法
回到前言的需求,目前圖的數(shù)據(jù)模型已經(jīng)創(chuàng)建好了,現(xiàn)在需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算兩個(gè)頂點(diǎn)之間可達(dá)路徑的所有頂點(diǎn)集合,直接上代碼。
由于用到的參數(shù)比較多,這邊封裝了一個(gè)算法的類CalcTwoVertexPathlgorithm
calcPaths()
方法就是算法的核心入口- 成員變量
allPathList
中存放了所有可達(dá)的路徑列表。 printAllPaths()
方法打印所有的路徑。getAllVertexs()
返回所有可達(dá)的頂點(diǎn)集合。
/** * 計(jì)算兩個(gè)頂點(diǎn)之間路徑的算法 */ @Slf4j(topic = "a.CalcTwoVertexPathlgorithm") class CalcTwoVertexPathlgorithm { /** * 起始頂點(diǎn) */ private String fromVertexId; /** * 查詢的目標(biāo)頂點(diǎn) */ private String toVertextId; /** * 當(dāng)前的圖 */ private DirectedDiagraph directedDiagraph; /** * 所有的路徑 */ private final List<List<String>> allPathList = new ArrayList<>(); public CalcTwoVertexPathlgorithm(DirectedDiagraph directedDiagraph, String fromVertexId, String toVertextId) { this.fromVertexId = fromVertexId; this.toVertextId = toVertextId; this.directedDiagraph = directedDiagraph; } /** * 打印所有的路徑 */ public void printAllPaths() { log.info("the path betweent {} and {}:", fromVertexId, toVertextId); allPathList.forEach(item -> { log.info("{}", item); }); } /** * 獲取兩點(diǎn)之間所有可能的頂點(diǎn)數(shù)據(jù) * @return */ public Set<String> getAllVertexs() { return allPathList.stream().flatMap(Collection::stream).collect(Collectors.toSet()); } public void calcPaths() { // 先清理之前調(diào)用留下的數(shù)據(jù) allPathList.clear(); DirectedDiagraph.Vertex fromNode = directedDiagraph.getVertextMap().get(fromVertexId); DirectedDiagraph.Vertex toNode = directedDiagraph.getVertextMap().get(toVertextId); // 無法找到邊 if (fromNode == null || toNode == null) { throw new RuntimeException("頂點(diǎn)id不存在"); } // 如果其實(shí)節(jié)點(diǎn)等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn),則也作為一個(gè)邊 if (fromNode == toNode) { List<String> paths = new ArrayList<>(); paths.add(fromVertexId); allPathList.add(paths); return; } // 遞歸調(diào)用 coreRecGetAllPaths(fromNode, toNode, new ArrayDeque<>()); } private void coreRecGetAllPaths(DirectedDiagraph.Vertex fromVertex, DirectedDiagraph.Vertex toVertex, Deque<String> nowPaths) { // 檢查是否存在環(huán),跳過 if (nowPaths.contains(fromVertex.getId())) { System.out.println("存在環(huán)"); // 出棧 nowPaths.pop(); return; } // 當(dāng)前路徑加上其實(shí)節(jié)點(diǎn) nowPaths.push(fromVertex.getId()); // 深度搜索邊 for (DirectedDiagraph.Edge edge : fromVertex.getEdges()) { // 如果邊的目標(biāo)頂點(diǎn)和路徑的最終節(jié)點(diǎn)一直,表示找到成功 if (StrUtil.equals(edge.getTargetVertexId(), toVertex.getId())) { // 將數(shù)據(jù)添加到當(dāng)前路徑中 nowPaths.push(toVertex.getId()); // 拷貝一份數(shù)據(jù)放到allPathList中 List<String> findPaths = new ArrayList<>(); findPaths.addAll(nowPaths); CollUtil.reverse(findPaths); allPathList.add(findPaths); // 加入了最終節(jié)點(diǎn),返回一次 nowPaths.pop(); // 跳過,查詢下一個(gè)邊 continue; } // 以邊的目標(biāo)頂點(diǎn)作為其實(shí)頂點(diǎn),繼續(xù)搜索 DirectedDiagraph.Vertex nextFromVertex = directedDiagraph.getVertextMap().get(edge.getTargetVertexId()); if (nextFromVertex == null) { throw new RuntimeException("頂點(diǎn)id不存在"); } // 遞歸調(diào)用下一次 coreRecGetAllPaths(nextFromVertex, toVertex, nowPaths); } // 結(jié)束了,沒找到,彈出數(shù)據(jù) nowPaths.pop(); }
代碼注釋比較清晰的,就不再介紹了,主要是利用了深度搜索的方式+ 棧保存臨時(shí)路徑。
然后在DirectedDiagraph
類中添加一個(gè)方法findAllPaths()
,查找所有的路徑,如下圖:
@Data @Slf4j(topic = "a.DirectedDiagraph") public class DirectedDiagraph { ..... /** * 獲取兩個(gè)頂點(diǎn)之間所有可能的數(shù)據(jù) * * @param fromVertexId 起始頂點(diǎn) * @param targetVertexId 目標(biāo)頂點(diǎn) * @return */ public Set<String> findAllPaths(String fromVertexId, String targetVertexId) { CalcTwoVertexPathlgorithm calcTwoVertexPathlgorithm = new CalcTwoVertexPathlgorithm(this, fromVertexId, targetVertexId); // 先計(jì)算 calcTwoVertexPathlgorithm.calcPaths(); // 打印找到的路徑 calcTwoVertexPathlgorithm.printAllPaths(); // 然后返回所有的內(nèi)容 return calcTwoVertexPathlgorithm.getAllVertexs(); } .... }
最后,我們寫個(gè)單元測(cè)試驗(yàn)證下吧。
@Test public void test1() { DirectedDiagraph directedDiagraph = new DirectedDiagraph(); directedDiagraph.addVertex("A", "A"); directedDiagraph.addVertex("B", "B"); directedDiagraph.addVertex("C", "C"); directedDiagraph.addVertex("D", "D"); directedDiagraph.addVertex("E", "E"); directedDiagraph.addEdge("A", "B"); directedDiagraph.addEdge("B", "C"); directedDiagraph.addEdge("C", "D"); directedDiagraph.addEdge("A", "D"); directedDiagraph.addEdge("B", "D"); directedDiagraph.addEdge("A", "C"); directedDiagraph.addEdge("D", "E"); Set<String> allPaths = directedDiagraph.findAllPaths("A", "D"); log.info("all vertexIds: {}", allPaths); }
創(chuàng)建的例子也是我們前面圖片中的例子,我們看下運(yùn)行結(jié)果是否符合預(yù)期。
總結(jié)
本次需求利用了圖這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)得到結(jié)果,突然感覺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法真的很重要,感覺現(xiàn)在的做法也不是最優(yōu)解,性能應(yīng)該也不是最佳,但是考慮到流程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不會(huì)很多,應(yīng)該能滿足業(yè)務(wù)需求。不知道大家有沒有更好的做法呢?
以上就是Java實(shí)現(xiàn)計(jì)算圖中兩個(gè)頂點(diǎn)的所有路徑的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java計(jì)算頂點(diǎn)所有路徑的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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