tarjan算法讲解。

tarjan算法讲解。

 

全网最详细tarjan算法讲解，我不敢说别的。反正其他tarjan算法讲解，我看了半天才看懂。我写的这个，读完一遍，发现原来tarjan这么简单！

tarjan算法，一个关于 图的联通性的神奇算法。基于DFS（迪法师）算法，深度优先搜索一张有向图。！注意！是有向图。根据树，堆栈，打标记等种种神（che）奇（dan）方法来完成剖析一个图的工作。而图的联通性，就是任督二脉通不通。。的问题。
了解tarjan算法之前你需要知道：
强连通，强连通图，强连通分量，解答树（解答树只是一种形式。了解即可）
不知道怎么办！！！

神奇海螺～：嘟噜噜～！
强连通(strongly connected)： 在一个有向图G里，设两个点 a b 发现，由a有一条路可以走到b，由b又有一条路可以走到a，我们就叫这两个顶点（a，b）强连通。

强连通图： 如果 在一个有向图G中，每两个点都强连通，我们就叫这个图，强连通图。

强连通分量strongly connected components)：在一个有向图G中，有一个子图，这个子图每2个点都满足强连通，我们就叫这个子图叫做 强连通分量 ［分量：：把一个向量分解成几个方向的向量的和，那些方向上的向量就叫做该向量（未分解前的向量）的分量］
举个简单的栗子：

比如说这个图，在这个图中呢，点1与点2互相都有路径到达对方，所以它们强连通.

而在这个有向图中，点1 2 3组成的这个子图，是整个有向图中的强连通分量。

解答树：就是一个可以来表达出递归枚举的方式的树（图），其实也可以说是递归图。。反正都是一个作用，一个展示从“什么都没有做”开始到“所有结求出来”逐步完成的过程。“过程！”

神奇海螺结束！！！

tarjan算法，之所以用DFS就是因为它将每一个强连通分量作为搜索树上的一个子树。而这个图，就是一个完整的搜索树。
为了使这颗搜索树在遇到强连通分量的节点的时候能顺利进行。每个点都有两个参数。
1，DFN［］作为这个点搜索的次序编号（时间戳），简单来说就是 第几个被搜索到的。％每个点的时间戳都不一样％。
2，LOW［］作为每个点在这颗树中的，最小的子树的根，每次保证最小，like它的父亲结点的时间戳这种感觉。如果它自己的LOW［］最小，那这个点就应该从新分配，变成这个强连通分量子树的根节点。
ps：每次找到一个新点，这个点LOW［］＝DFN［］。

而为了存储整个强连通分量，这里挑选的容器是，堆栈。每次一个新节点出现，就进站，如果这个点有 出度 就继续往下找。直到找到底，每次返回上来都看一看子节点与这个节点的LOW值，谁小就取谁，保证最小的子树根。如果找到DFN［］＝＝LOW［］就说明这个节点是这个强连通分量的根节点（毕竟这个LOW［］值是这个强连通分量里最小的。）最后找到强连通分量的节点后，就将这个栈里，比此节点后进来的节点全部出栈，它们就组成一个全新的强连通分量。

先来一段伪代码压压惊：

tarjan(u){
　　DFN[u]=Low[u]=++Index // 为节点u设定次序编号和Low初值
　　Stack.push(u)   // 将节点u压入栈中
　　for each (u, v) in E // 枚举每一条边
　　　　if (v is not visted) // 如果节点v未被访问过
　　　　　　　　tarjan(v) // 继续向下找
　　　　　　　　Low[u] = min(Low[u], Low[v])
　　　　else if (v in S) // 如果节点u还在栈内
　　　　　　　　Low[u] = min(Low[u], DFN[v])
　　if (DFN[u] == Low[u]) // 如果节点u是强连通分量的根
　　repeat v = S.pop  // 将v退栈，为该强连通分量中一个顶点
　　print v
　　until (u== v)
}

　　

首先来一张有向图。网上到处都是这个图。我们就一点一点来模拟整个算法。

从1进入 DFN［1］＝LOW［1］＝ ＋＋index －－－－1
入栈 1
由1进入2 DFN［2］＝LOW［2］＝ ＋＋index －－－－2
入栈 1 2
之后由2进入3 DFN［3］＝LOW［3］＝ ＋＋index －－－－3
入栈 1 2 3
之后由3进入 6 DFN［6］＝LOW［6］＝＋＋index －－－－4
入栈 1 2 3 6

之后发现 嗯？ 6无出度，之后判断 DFN［6］＝＝LOW［6］
说明6是个强连通分量的根节点：6及6以后的点 出栈。
栈： 1 2 3 
之后退回 节点3 Low[3] = min(Low[3], Low[6]) LOW［3］还是 3
节点3 也没有再能延伸的边了，判断 DFN［3］＝＝LOW［3］
说明3是个强连通分量的根节点：3及3以后的点 出栈。
栈： 1 2 
之后退回 节点2 嗯？！往下到节点5
DFN［5］＝LOW［5］＝ ＋＋index －－－－－5
入栈 1 2 5

ps：你会发现在有向图旁边的那个丑的（划掉）搜索树 用红线剪掉的子树，那个就是强连通分量子树。每次找到一个。直接。一剪子下去。半个子树就没有了。。

结点5 往下找，发现节点6 DFN［6］有值，被访问过。就不管它。
继续 5往下找，找到了节点1 他爸爸的爸爸。。DFN［1］被访问过并且还在栈中，说明1还在这个强连通分量中，值得发现。 Low[5] = min(Low[5], DFN[1]) 
确定关系，在这棵强连通分量树中，5节点要比1节点出现的晚。所以5是1的子节点。so
LOW［5］＝ 1

由5继续回到2 Low[2] = min(Low[2], Low[5])
LOW［2］＝1；
由2继续回到1 判断 Low[1] = min(Low[1], Low[2]) 
LOW［1］还是 1
1还有边没有走过。发现节点4，访问节点4
DFN［4］＝LOW［4］＝＋＋index －－－－6
入栈 1 2 5 4 
由节点4，走到5，发现5被访问过了，5还在栈里，
Low[4] = min(Low[4], DFN[5]) LOW［4］＝5
说明4是5的一个子节点。

由4回到1.

回到1，判断 Low[1] = min(Low[1], Low[4])
LOW［1］还是 1 。

判断 LOW［1］ ＝＝ DFN［1］ 
诶？！相等了    说明以1为根节点的强连通分量已经找完了。
将栈中1以及1之后进栈的所有点，都出栈。
栈 ：（鬼都没有了）

这个时候就完了吗？！

你以为就完了吗？！

然而并没有完，万一你只走了一遍tarjan整个图没有找完怎么办呢？！

所以。tarjan的调用最好在循环里解决。

like    如果这个点没有被访问过，那么就从这个点开始tarjan一遍。

因为这样好让每个点都被访问到。

来一道裸代码。
输入：
一个图有向图。
输出：
它每个强连通分量。

这个图就是刚才讲的那个图。一模一样。

input:

6 8

1 3

1 2

2 4

3 4

3 5

4 6

4 1

5 6

output:

6

5

3 4 2 1

#include
#include
#include
using namespace std;
struct node {
    int v,next;
}edge[1001];
int DFN[1001],LOW[1001];
int stack[1001],heads[1001],visit[1001],cnt,tot,index;
void add(int x,int y)
{
    edge[++cnt].next=heads[x];
    edge[cnt].v = y;
    heads[x]=cnt;
    return ;
}
void tarjan(int x)//代表第几个点在处理。递归的是点。
{
    DFN[x]=LOW[x]=++tot;// 新进点的初始化。
    stack[++index]=x;//进站
    visit[x]=1;//表示在栈里
    for(int i=heads[x];i!=-1;i=edge[i].next)
    {
        if(!DFN[edge[i].v]) {//如果没访问过
            tarjan(edge[i].v);//往下进行延伸，开始递归
            LOW[x]=min(LOW[x],LOW[edge[i].v]);//递归出来，比较谁是谁的儿子／父亲，就是树的对应关系，涉及到强连通分量子树最小根的事情。
        }
        else if(visit[edge[i].v ]){  //如果访问过，并且还在栈里。
            LOW[x]=min(LOW[x],DFN[edge[i].v]);//比较谁是谁的儿子／父亲。就是链接对应关系
        }
    }
    if(LOW[x]==DFN[x]) //发现是整个强连通分量子树里的最小根。
    {
        do{
            printf("%d ",stack[index]);
            visit[stack[index]]=0;
            index--;
        }while(x!=stack[index+1]);//出栈，并且输出。
        printf("\n");
    }
    return ;
}
int main()
{
    memset(heads,-1,sizeof(heads));
    int n,m;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    int x,y;
    for(int i=1;i<=m;i++)
    {
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
    }
    for(int i=1;i<=n;i++)
         if(!DFN[i])  tarjan(1);//当这个点没有访问过，就从此点开始。防止图没走完
    return 0;
}

　　

处理SCC(强连通分量问题)的Tarjan算法

Posted 2010年11月9日 by comzyh

在有向图G中,如果两个顶点间至少存在一条路径,称两个顶点强连通(strongly connected),如果有向图G的每两个顶点都强连通，称G是一个强连通图.

如图所示,蓝色框圈起来的是一个强连通分量

通俗的说法是:从图G内任意一个点出发,存在通向图G内任意一点的的一条路径.

非强连通图有向图的极大强连通子图，称为强连通分量(strongly connected components,SCC).

求图强连通分量的意义是:由于强连通分量内部的节点性质相同,可以将一个强连通分量内的节点缩成一个点,即消除了环,这样,原图就变成了一个有向无环图(directed acyclic graph,DAG).显然对于一个无向图,求强连通分量没有什么意义,联通即为强连通.

求强连通分量比较高效的算法是SCC Tarjan算法,BYV牛有一个很好的说明,推荐大家看一看:有向图强连通分量的Tarjan算法« Beyond the Void,我在这里就不照搬了.

Tarjan 算法基本基于DFS,时间复杂度就是遍历图一遍,为Θ(N),Tarjan 貌似很喜欢深搜的样子,LCA被深搜活生生的弄成了Θ(N),SCC 看来一样,Tarjan 一出现,时间复杂度果然降了一个数量级.

先看BYV牛的CODE,写的真不错,虽然第一遍我没看懂,不过相信加了注释后会好理解多,如果有错误,别打我.

void tarjan(int i)//Tarjan
{
	int j;
	DFN[i]=LOW[i]=++Dindex;//Index 时间戳
	instack[i]=true;//标记入栈
	Stap[++Stop]=i;//入栈
	for (edge *e=V[i];e;e=e->next)//枚举所有相连边
	{
		j=e->t;//临时变量
		if (!DFN[j])//j没有被搜索过
		{
			tarjan(j);//递归搜索j
			if (LOW[j]<LOW[i])//回溯中发现j找到了更老的时间戳
			LOW[i]=LOW[j];//更新能达到老时间戳
		}
		else if (instack[j] && DFN[j]<LOW[i])//如果已经印有时间戳 且 时间戳比较小,则有环
		LOW[i]=DFN[j];//当前记录可追溯时间戳更新
	}
	if (DFN[i]==LOW[i])//可追溯最老是自己,表明自己是当前强连通分量的栈底
	{
		Bcnt++;//强连通分量数增加
		do
		{
			j=Stap[Stop--];//出栈顶元素
			instack[j]=false;//标记出栈
			Belong[j]=Bcnt;//记录j所在的强连通分量编号
		}while (j!=i);//如果是当前元素,弹栈完成
	}
}
void solve()
{
	int i;
	Stop=Bcnt=Dindex=0;
	memset(DFN,0,sizeof(DFN));//标记为为搜索过
	for (i=1;i<=N;i++)
		if (!DFN[i])
			tarjan(i);
}

　　

SCC Tarjan算法的基本框架:

• 遍历一个点,指定一个唯一时间戳DFN[i];指定该点向前追溯可追溯到的最老时间戳LOW[i].
• 枚举当前点所有边,若DFN[j]=0表明未被搜索过,递归搜索之.
• 若DFN[j]不为0,则j被搜索过,这时判断j是否在栈中,且j的时间戳DFN[j]小于当前时间戳DFN[i],可判定成环.将LOW[i]设定为DFN[j]
• 若这个点LOW[i]和DFN[i]相等,说明这个节点是所有强连通分量的元素中在栈中最早的节点.
• 弹栈,将这个强连通分量全部弹出,缩成点.

这里解释下比较晦涩的两个词:

LOW[i],这个向前追溯可追溯到的最老时间戳 的意思是根据有向图的方向遍历,在有环的情况下,向前追溯可以达到较早的点.在每次递归调用Tarjan(j)后我们可以高速较快的更新LOW[i]

至于所有强连通分量的元素中在栈中最早的节点.是这样的,所有自成强连通分量的节点或子图,在本次弹栈前都已经弹出去了,这时栈里所元素的LOW都大于等于DFN[该强连通分量的最早遍历节点],栈顶元素一定比下面元素的时间戳要大

在遍历完所有相关边之后再验证(DFN[i]==LOW[i]),可以避免有漏判情况,这时,当前节点的子节点已经将LOW更新的很优了,不存在一个强连通分量被包含在一个强连通分量里的情况.

学习SCC Tarjan算法有两道测验题:

POJ 2186 Popular Cows

POJ 1236 Network of Schools
参见Comzyh这两道强连通分量的题解

原创文章，转载请注明(最好把图片带走)： 转载自Comzyh的博客

本文链接地址: 处理SCC(强连通分量问题)的Tarjan算法