mirror of https://github.com/krahets/hello-algo.git synced 2024-12-26 23:16:28 +08:00

krahets 739f8a31bb build

2024-04-11 01:11:20 +08:00

55 KiB

Raw Blame History

comments
true

9.3 圖的走訪

樹代表的是“一對多”的關係，而圖則具有更高的自由度，可以表示任意的“多對多”關係。因此，我們可以把樹看作圖的一種特例。顯然，樹的走訪操作也是圖的走訪操作的一種特例。

圖和樹都需要應用搜索演算法來實現走訪操作。圖的走訪方式也可分為兩種：廣度優先走訪和深度優先走訪。

9.3.1 廣度優先走訪

廣度優先走訪是一種由近及遠的走訪方式，從某個節點出發，始終優先訪問距離最近的頂點，並一層層向外擴張。如圖 9-9 所示，從左上角頂點出發，首先走訪該頂點的所有鄰接頂點，然後走訪下一個頂點的所有鄰接頂點，以此類推，直至所有頂點訪問完畢。

{ class="animation-figure" }

圖 9-9 圖的廣度優先走訪

1. 演算法實現

BFS 通常藉助佇列來實現，程式碼如下所示。佇列具有“先入先出”的性質，這與 BFS 的“由近及遠”的思想異曲同工。

將走訪起始頂點 startVet 加入列列，並開啟迴圈。
在迴圈的每輪迭代中，彈出佇列首頂點並記錄訪問，然後將該頂點的所有鄰接頂點加入到佇列尾部。
迴圈步驟 2. ，直到所有頂點被訪問完畢後結束。

為了防止重複走訪頂點，我們需要藉助一個雜湊表 visited 來記錄哪些節點已被訪問。

=== "Python"

```python title="graph_bfs.py"
def graph_bfs(graph: GraphAdjList, start_vet: Vertex) -> list[Vertex]:
    """廣度優先走訪"""
    # 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
    # 頂點走訪序列
    res = []
    # 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    visited = set[Vertex]([start_vet])
    # 佇列用於實現 BFS
    que = deque[Vertex]([start_vet])
    # 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while len(que) > 0:
        vet = que.popleft()  # 佇列首頂點出隊
        res.append(vet)  # 記錄訪問頂點
        # 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for adj_vet in graph.adj_list[vet]:
            if adj_vet in visited:
                continue  # 跳過已被訪問的頂點
            que.append(adj_vet)  # 只入列未訪問的頂點
            visited.add(adj_vet)  # 標記該頂點已被訪問
    # 返回頂點走訪序列
    return res
```

=== "C++"

```cpp title="graph_bfs.cpp"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
vector<Vertex *> graphBFS(GraphAdjList &graph, Vertex *startVet) {
    // 頂點走訪序列
    vector<Vertex *> res;
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    unordered_set<Vertex *> visited = {startVet};
    // 佇列用於實現 BFS
    queue<Vertex *> que;
    que.push(startVet);
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (!que.empty()) {
        Vertex *vet = que.front();
        que.pop();          // 佇列首頂點出隊
        res.push_back(vet); // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for (auto adjVet : graph.adjList[vet]) {
            if (visited.count(adjVet))
                continue;            // 跳過已被訪問的頂點
            que.push(adjVet);        // 只入列未訪問的頂點
            visited.emplace(adjVet); // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res;
}
```

=== "Java"

```java title="graph_bfs.java"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
List<Vertex> graphBFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
    // 頂點走訪序列
    List<Vertex> res = new ArrayList<>();
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    Set<Vertex> visited = new HashSet<>();
    visited.add(startVet);
    // 佇列用於實現 BFS
    Queue<Vertex> que = new LinkedList<>();
    que.offer(startVet);
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (!que.isEmpty()) {
        Vertex vet = que.poll(); // 佇列首頂點出隊
        res.add(vet);            // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
            if (visited.contains(adjVet))
                continue;        // 跳過已被訪問的頂點
            que.offer(adjVet);   // 只入列未訪問的頂點
            visited.add(adjVet); // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res;
}
```

=== "C#"

```csharp title="graph_bfs.cs"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
List<Vertex> GraphBFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
    // 頂點走訪序列
    List<Vertex> res = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    HashSet<Vertex> visited = [startVet];
    // 佇列用於實現 BFS
    Queue<Vertex> que = new();
    que.Enqueue(startVet);
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (que.Count > 0) {
        Vertex vet = que.Dequeue(); // 佇列首頂點出隊
        res.Add(vet);               // 記錄訪問頂點
        foreach (Vertex adjVet in graph.adjList[vet]) {
            if (visited.Contains(adjVet)) {
                continue;          // 跳過已被訪問的頂點
            }
            que.Enqueue(adjVet);   // 只入列未訪問的頂點
            visited.Add(adjVet);   // 標記該頂點已被訪問
        }
    }

    // 返回頂點走訪序列
    return res;
}
```

=== "Go"

```go title="graph_bfs.go"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
func graphBFS(g *graphAdjList, startVet Vertex) []Vertex {
    // 頂點走訪序列
    res := make([]Vertex, 0)
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    visited := make(map[Vertex]struct{})
    visited[startVet] = struct{}{}
    // 佇列用於實現 BFS, 使用切片模擬佇列
    queue := make([]Vertex, 0)
    queue = append(queue, startVet)
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    for len(queue) > 0 {
        // 佇列首頂點出隊
        vet := queue[0]
        queue = queue[1:]
        // 記錄訪問頂點
        res = append(res, vet)
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for _, adjVet := range g.adjList[vet] {
            _, isExist := visited[adjVet]
            // 只入列未訪問的頂點
            if !isExist {
                queue = append(queue, adjVet)
                visited[adjVet] = struct{}{}
            }
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res
}
```

=== "Swift"

```swift title="graph_bfs.swift"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
func graphBFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex) -> [Vertex] {
    // 頂點走訪序列
    var res: [Vertex] = []
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    var visited: Set<Vertex> = [startVet]
    // 佇列用於實現 BFS
    var que: [Vertex] = [startVet]
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while !que.isEmpty {
        let vet = que.removeFirst() // 佇列首頂點出隊
        res.append(vet) // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for adjVet in graph.adjList[vet] ?? [] {
            if visited.contains(adjVet) {
                continue // 跳過已被訪問的頂點
            }
            que.append(adjVet) // 只入列未訪問的頂點
            visited.insert(adjVet) // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res
}
```

=== "JS"

```javascript title="graph_bfs.js"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
function graphBFS(graph, startVet) {
    // 頂點走訪序列
    const res = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    const visited = new Set();
    visited.add(startVet);
    // 佇列用於實現 BFS
    const que = [startVet];
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (que.length) {
        const vet = que.shift(); // 佇列首頂點出隊
        res.push(vet); // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for (const adjVet of graph.adjList.get(vet) ?? []) {
            if (visited.has(adjVet)) {
                continue; // 跳過已被訪問的頂點
            }
            que.push(adjVet); // 只入列未訪問的頂點
            visited.add(adjVet); // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res;
}
```

=== "TS"

```typescript title="graph_bfs.ts"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
function graphBFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex): Vertex[] {
    // 頂點走訪序列
    const res: Vertex[] = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    const visited: Set<Vertex> = new Set();
    visited.add(startVet);
    // 佇列用於實現 BFS
    const que = [startVet];
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (que.length) {
        const vet = que.shift(); // 佇列首頂點出隊
        res.push(vet); // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for (const adjVet of graph.adjList.get(vet) ?? []) {
            if (visited.has(adjVet)) {
                continue; // 跳過已被訪問的頂點
            }
            que.push(adjVet); // 只入列未訪問
            visited.add(adjVet); // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res;
}
```

=== "Dart"

```dart title="graph_bfs.dart"
/* 廣度優先走訪 */
List<Vertex> graphBFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
  // 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
  // 頂點走訪序列
  List<Vertex> res = [];
  // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
  Set<Vertex> visited = {};
  visited.add(startVet);
  // 佇列用於實現 BFS
  Queue<Vertex> que = Queue();
  que.add(startVet);
  // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
  while (que.isNotEmpty) {
    Vertex vet = que.removeFirst(); // 佇列首頂點出隊
    res.add(vet); // 記錄訪問頂點
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (Vertex adjVet in graph.adjList[vet]!) {
      if (visited.contains(adjVet)) {
        continue; // 跳過已被訪問的頂點
      }
      que.add(adjVet); // 只入列未訪問的頂點
      visited.add(adjVet); // 標記該頂點已被訪問
    }
  }
  // 返回頂點走訪序列
  return res;
}
```

=== "Rust"

```rust title="graph_bfs.rs"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
fn graph_bfs(graph: GraphAdjList, start_vet: Vertex) -> Vec<Vertex> {
    // 頂點走訪序列
    let mut res = vec![];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    let mut visited = HashSet::new();
    visited.insert(start_vet);
    // 佇列用於實現 BFS
    let mut que = VecDeque::new();
    que.push_back(start_vet);
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while !que.is_empty() {
        let vet = que.pop_front().unwrap(); // 佇列首頂點出隊
        res.push(vet); // 記錄訪問頂點

        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        if let Some(adj_vets) = graph.adj_list.get(&vet) {
            for &adj_vet in adj_vets {
                if visited.contains(&adj_vet) {
                    continue; // 跳過已被訪問的頂點
                }
                que.push_back(adj_vet); // 只入列未訪問的頂點
                visited.insert(adj_vet); // 標記該頂點已被訪問
            }
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    res
}
```

=== "C"

```c title="graph_bfs.c"
/* 節點佇列結構體 */
typedef struct {
    Vertex *vertices[MAX_SIZE];
    int front, rear, size;
} Queue;

/* 建構子 */
Queue *newQueue() {
    Queue *q = (Queue *)malloc(sizeof(Queue));
    q->front = q->rear = q->size = 0;
    return q;
}

/* 判斷佇列是否為空 */
int isEmpty(Queue *q) {
    return q->size == 0;
}

/* 入列操作 */
void enqueue(Queue *q, Vertex *vet) {
    q->vertices[q->rear] = vet;
    q->rear = (q->rear + 1) % MAX_SIZE;
    q->size++;
}

/* 出列操作 */
Vertex *dequeue(Queue *q) {
    Vertex *vet = q->vertices[q->front];
    q->front = (q->front + 1) % MAX_SIZE;
    q->size--;
    return vet;
}

/* 檢查頂點是否已被訪問 */
int isVisited(Vertex **visited, int size, Vertex *vet) {
    // 走訪查詢節點，使用 O(n) 時間
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (visited[i] == vet)
            return 1;
    }
    return 0;
}

/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
void graphBFS(GraphAdjList *graph, Vertex *startVet, Vertex **res, int *resSize, Vertex **visited, int *visitedSize) {
    // 佇列用於實現 BFS
    Queue *queue = newQueue();
    enqueue(queue, startVet);
    visited[(*visitedSize)++] = startVet;
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (!isEmpty(queue)) {
        Vertex *vet = dequeue(queue); // 佇列首頂點出隊
        res[(*resSize)++] = vet;      // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        AdjListNode *node = findNode(graph, vet);
        while (node != NULL) {
            // 跳過已被訪問的頂點
            if (!isVisited(visited, *visitedSize, node->vertex)) {
                enqueue(queue, node->vertex);             // 只入列未訪問的頂點
                visited[(*visitedSize)++] = node->vertex; // 標記該頂點已被訪問
            }
            node = node->next;
        }
    }
    // 釋放記憶體
    free(queue);
}
```

=== "Kotlin"

```kotlin title="graph_bfs.kt"
/* 廣度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
fun graphBFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex): MutableList<Vertex?> {
    // 頂點走訪序列
    val res = mutableListOf<Vertex?>()
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    val visited = HashSet<Vertex>()
    visited.add(startVet)
    // 佇列用於實現 BFS
    val que = LinkedList<Vertex>()
    que.offer(startVet)
    // 以頂點 vet 為起點，迴圈直至訪問完所有頂點
    while (!que.isEmpty()) {
        val vet = que.poll() // 佇列首頂點出隊
        res.add(vet)         // 記錄訪問頂點
        // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
        for (adjVet in graph.adjList[vet]!!) {
            if (visited.contains(adjVet))
                continue        // 跳過已被訪問的頂點
            que.offer(adjVet)   // 只入列未訪問的頂點
            visited.add(adjVet) // 標記該頂點已被訪問
        }
    }
    // 返回頂點走訪序列
    return res
}
```

=== "Ruby"

```ruby title="graph_bfs.rb"
[class]{}-[func]{graph_bfs}
```

=== "Zig"

```zig title="graph_bfs.zig"
[class]{}-[func]{graphBFS}
```

??? pythontutor "視覺化執行"

<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=from%20collections%20import%20deque%0A%0Aclass%20Vertex%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%A0%82%E9%BB%9E%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%20%3D%20val%0A%0Adef%20vals_to_vets%28vals%3A%20list%5Bint%5D%29%20-%3E%20list%5B%22Vertex%22%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E8%BC%B8%E5%85%A5%E5%80%BC%E4%B8%B2%E5%88%97%20vals%20%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E4%B8%B2%E5%88%97%20vets%22%22%22%0A%20%20%20%20return%20%5BVertex%28val%29%20for%20val%20in%20vals%5D%0A%0Aclass%20GraphAdjList%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E6%96%BC%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E5%AF%A6%E7%8F%BE%E7%9A%84%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20edges%3A%20list%5Blist%5BVertex%5D%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%BA%E6%A7%8B%E5%AD%90%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%20%3D%20dict%5BVertex%2C%20list%5BVertex%5D%5D%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20edge%20in%20edges%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B0%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B1%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_edge%28edge%5B0%5D%2C%20edge%5B1%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_edge%28self%2C%20vet1%3A%20Vertex%2C%20vet2%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%82%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet1%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet2%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet1%20%3D%3D%20vet2%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20ValueError%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet1%5D.append%28vet2%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet2%5D.append%28vet1%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_vertex%28self%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet%20in%20self.adj_list%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%0Adef%20graph_bfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20start_vet%3A%20Vertex%29%20-%3E%20list%5BVertex%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%A3%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20res%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%23%20%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E8%A1%A8%EF%BC%8C%E7%94%A8%E6%96%BC%E8%A8%98%E9%8C%84%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%81%8E%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited%20%3D%20set%5BVertex%5D%28%5Bstart_vet%5D%29%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BD%87%E5%88%97%E7%94%A8%E6%96%BC%E5%AF%A6%E7%8F%BE%20BFS%0A%20%20%20%20que%20%3D%20deque%5BVertex%5D%28%5Bstart_vet%5D%29%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BB%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%20vet%20%E7%82%BA%E8%B5%B7%E9%BB%9E%EF%BC%8C%E8%BF%B4%E5%9C%88%E7%9B%B4%E8%87%B3%E8%A8%AA%E5%95%8F%E5%AE%8C%E6%89%80%E6%9C%89%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20while%20len%28que%29%20%3E%200%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20vet%20%3D%20que.popleft%28%29%20%20%23%20%E4%BD%87%E5%88%97%E9%A6%96%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%87%BA%E9%9A%8A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20res.append%28vet%29%20%20%23%20%E8%A8%98%E9%8C%84%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20adj_vet%20in%20graph.adj_list%5Bvet%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20adj_vet%20in%20visited%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20continue%20%20%23%20%E8%B7%B3%E9%81%8E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20que.append%28adj_vet%29%20%20%23%20%E5%8F%AA%E5%85%A5%E5%88%97%E6%9C%AA%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20visited.add%28adj_vet%29%20%20%23%20%E6%A8%99%E8%A8%98%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%0A%20%20%20%20%23%20%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20return%20res%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%0A%20%20%20%20v%20%3D%20vals_to_vets%28%5B0%2C%201%2C%202%2C%203%2C%204%5D%29%0A%20%20%20%20edges%20%3D%20%5B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B1%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B3%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B2%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B3%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%5D%0A%20%20%20%20graph%20%3D%20GraphAdjList%28edges%29%0A%20%20%20%20del%20edges%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%BB%A3%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%0A%20%20%20%20res%20%3D%20graph_bfs%28graph%2C%20v%5B0%5D%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=131&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=from%20collections%20import%20deque%0A%0Aclass%20Vertex%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%A0%82%E9%BB%9E%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%20%3D%20val%0A%0Adef%20vals_to_vets%28vals%3A%20list%5Bint%5D%29%20-%3E%20list%5B%22Vertex%22%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E8%BC%B8%E5%85%A5%E5%80%BC%E4%B8%B2%E5%88%97%20vals%20%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E4%B8%B2%E5%88%97%20vets%22%22%22%0A%20%20%20%20return%20%5BVertex%28val%29%20for%20val%20in%20vals%5D%0A%0Aclass%20GraphAdjList%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E6%96%BC%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E5%AF%A6%E7%8F%BE%E7%9A%84%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20edges%3A%20list%5Blist%5BVertex%5D%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%BA%E6%A7%8B%E5%AD%90%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%20%3D%20dict%5BVertex%2C%20list%5BVertex%5D%5D%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20edge%20in%20edges%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B0%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B1%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_edge%28edge%5B0%5D%2C%20edge%5B1%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_edge%28self%2C%20vet1%3A%20Vertex%2C%20vet2%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%82%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet1%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet2%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet1%20%3D%3D%20vet2%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20ValueError%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet1%5D.append%28vet2%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet2%5D.append%28vet1%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_vertex%28self%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet%20in%20self.adj_list%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%0Adef%20graph_bfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20start_vet%3A%20Vertex%29%20-%3E%20list%5BVertex%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%A3%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20res%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%23%20%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E8%A1%A8%EF%BC%8C%E7%94%A8%E6%96%BC%E8%A8%98%E9%8C%84%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%81%8E%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited%20%3D%20set%5BVertex%5D%28%5Bstart_vet%5D%29%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BD%87%E5%88%97%E7%94%A8%E6%96%BC%E5%AF%A6%E7%8F%BE%20BFS%0A%20%20%20%20que%20%3D%20deque%5BVertex%5D%28%5Bstart_vet%5D%29%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BB%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%20vet%20%E7%82%BA%E8%B5%B7%E9%BB%9E%EF%BC%8C%E8%BF%B4%E5%9C%88%E7%9B%B4%E8%87%B3%E8%A8%AA%E5%95%8F%E5%AE%8C%E6%89%80%E6%9C%89%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20while%20len%28que%29%20%3E%200%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20vet%20%3D%20que.popleft%28%29%20%20%23%20%E4%BD%87%E5%88%97%E9%A6%96%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%87%BA%E9%9A%8A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20res.append%28vet%29%20%20%23%20%E8%A8%98%E9%8C%84%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20adj_vet%20in%20graph.adj_list%5Bvet%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20adj_vet%20in%20visited%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20continue%20%20%23%20%E8%B7%B3%E9%81%8E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20que.append%28adj_vet%29%20%20%23%20%E5%8F%AA%E5%85%A5%E5%88%97%E6%9C%AA%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20visited.add%28adj_vet%29%20%20%23%20%E6%A8%99%E8%A8%98%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%0A%20%20%20%20%23%20%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20return%20res%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%0A%20%20%20%20v%20%3D%20vals_to_vets%28%5B0%2C%201%2C%202%2C%203%2C%204%5D%29%0A%20%20%20%20edges%20%3D%20%5B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B1%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B3%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B2%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B3%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%5D%0A%20%20%20%20graph%20%3D%20GraphAdjList%28edges%29%0A%20%20%20%20del%20edges%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%BB%A3%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%0A%20%20%20%20res%20%3D%20graph_bfs%28graph%2C%20v%5B0%5D%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=131&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全螢幕觀看 ></a></div>

程式碼相對抽象，建議對照圖 9-10 來加深理解。

=== "<1>" { class="animation-figure" }

=== "<2>" { class="animation-figure" }

=== "<3>" { class="animation-figure" }

=== "<4>" { class="animation-figure" }

=== "<5>" { class="animation-figure" }

=== "<6>" { class="animation-figure" }

=== "<7>" { class="animation-figure" }

=== "<8>" { class="animation-figure" }

=== "<9>" { class="animation-figure" }

=== "<10>" { class="animation-figure" }

=== "<11>" { class="animation-figure" }

圖 9-10 圖的廣度優先走訪步驟

!!! question "廣度優先走訪的序列是否唯一？"

不唯一。廣度優先走訪只要求按“由近及遠”的順序走訪，**而多個相同距離的頂點的走訪順序允許被任意打亂**。以圖 9-10 為例，頂點 $1$、$3$ 的訪問順序可以交換，頂點 $2$、$4$、$6$ 的訪問順序也可以任意交換。

2. 複雜度分析

時間複雜度：所有頂點都會入列並出隊一次，使用 O(|V|) 時間；在走訪鄰接頂點的過程中，由於是無向圖，因此所有邊都會被訪問 2 次，使用 O(2|E|) 時間；總體使用 O(|V| + |E|) 時間。

空間複雜度：串列 res ，雜湊表 visited ，佇列 que 中的頂點數量最多為 |V| ，使用 O(|V|) 空間。

9.3.2 深度優先走訪

深度優先走訪是一種優先走到底、無路可走再回頭的走訪方式。如圖 9-11 所示，從左上角頂點出發，訪問當前頂點的某個鄰接頂點，直到走到盡頭時返回，再繼續走到盡頭並返回，以此類推，直至所有頂點走訪完成。

{ class="animation-figure" }

圖 9-11 圖的深度優先走訪

1. 演算法實現

這種“走到盡頭再返回”的演算法範式通常基於遞迴來實現。與廣度優先走訪類似，在深度優先走訪中，我們也需要藉助一個雜湊表 visited 來記錄已被訪問的頂點，以避免重複訪問頂點。

=== "Python"

```python title="graph_dfs.py"
def dfs(graph: GraphAdjList, visited: set[Vertex], res: list[Vertex], vet: Vertex):
    """深度優先走訪輔助函式"""
    res.append(vet)  # 記錄訪問頂點
    visited.add(vet)  # 標記該頂點已被訪問
    # 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for adjVet in graph.adj_list[vet]:
        if adjVet in visited:
            continue  # 跳過已被訪問的頂點
        # 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet)

def graph_dfs(graph: GraphAdjList, start_vet: Vertex) -> list[Vertex]:
    """深度優先走訪"""
    # 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
    # 頂點走訪序列
    res = []
    # 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    visited = set[Vertex]()
    dfs(graph, visited, res, start_vet)
    return res
```

=== "C++"

```cpp title="graph_dfs.cpp"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
void dfs(GraphAdjList &graph, unordered_set<Vertex *> &visited, vector<Vertex *> &res, Vertex *vet) {
    res.push_back(vet);   // 記錄訪問頂點
    visited.emplace(vet); // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (Vertex *adjVet : graph.adjList[vet]) {
        if (visited.count(adjVet))
            continue; // 跳過已被訪問的頂點
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet);
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
vector<Vertex *> graphDFS(GraphAdjList &graph, Vertex *startVet) {
    // 頂點走訪序列
    vector<Vertex *> res;
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    unordered_set<Vertex *> visited;
    dfs(graph, visited, res, startVet);
    return res;
}
```

=== "Java"

```java title="graph_dfs.java"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
void dfs(GraphAdjList graph, Set<Vertex> visited, List<Vertex> res, Vertex vet) {
    res.add(vet);     // 記錄訪問頂點
    visited.add(vet); // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
        if (visited.contains(adjVet))
            continue; // 跳過已被訪問的頂點
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet);
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
List<Vertex> graphDFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
    // 頂點走訪序列
    List<Vertex> res = new ArrayList<>();
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    Set<Vertex> visited = new HashSet<>();
    dfs(graph, visited, res, startVet);
    return res;
}
```

=== "C#"

```csharp title="graph_dfs.cs"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
void DFS(GraphAdjList graph, HashSet<Vertex> visited, List<Vertex> res, Vertex vet) {
    res.Add(vet);     // 記錄訪問頂點
    visited.Add(vet); // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    foreach (Vertex adjVet in graph.adjList[vet]) {
        if (visited.Contains(adjVet)) {
            continue; // 跳過已被訪問的頂點                             
        }
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        DFS(graph, visited, res, adjVet);
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
List<Vertex> GraphDFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
    // 頂點走訪序列
    List<Vertex> res = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    HashSet<Vertex> visited = [];
    DFS(graph, visited, res, startVet);
    return res;
}
```

=== "Go"

```go title="graph_dfs.go"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
func dfs(g *graphAdjList, visited map[Vertex]struct{}, res *[]Vertex, vet Vertex) {
    // append 操作會返回新的的引用，必須讓原引用重新賦值為新slice的引用
    *res = append(*res, vet)
    visited[vet] = struct{}{}
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for _, adjVet := range g.adjList[vet] {
        _, isExist := visited[adjVet]
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        if !isExist {
            dfs(g, visited, res, adjVet)
        }
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
func graphDFS(g *graphAdjList, startVet Vertex) []Vertex {
    // 頂點走訪序列
    res := make([]Vertex, 0)
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    visited := make(map[Vertex]struct{})
    dfs(g, visited, &res, startVet)
    // 返回頂點走訪序列
    return res
}
```

=== "Swift"

```swift title="graph_dfs.swift"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
func dfs(graph: GraphAdjList, visited: inout Set<Vertex>, res: inout [Vertex], vet: Vertex) {
    res.append(vet) // 記錄訪問頂點
    visited.insert(vet) // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for adjVet in graph.adjList[vet] ?? [] {
        if visited.contains(adjVet) {
            continue // 跳過已被訪問的頂點
        }
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph: graph, visited: &visited, res: &res, vet: adjVet)
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
func graphDFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex) -> [Vertex] {
    // 頂點走訪序列
    var res: [Vertex] = []
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    var visited: Set<Vertex> = []
    dfs(graph: graph, visited: &visited, res: &res, vet: startVet)
    return res
}
```

=== "JS"

```javascript title="graph_dfs.js"
/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
function dfs(graph, visited, res, vet) {
    res.push(vet); // 記錄訪問頂點
    visited.add(vet); // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (const adjVet of graph.adjList.get(vet)) {
        if (visited.has(adjVet)) {
            continue; // 跳過已被訪問的頂點
        }
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet);
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
function graphDFS(graph, startVet) {
    // 頂點走訪序列
    const res = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    const visited = new Set();
    dfs(graph, visited, res, startVet);
    return res;
}
```

=== "TS"

```typescript title="graph_dfs.ts"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
function dfs(
    graph: GraphAdjList,
    visited: Set<Vertex>,
    res: Vertex[],
    vet: Vertex
): void {
    res.push(vet); // 記錄訪問頂點
    visited.add(vet); // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (const adjVet of graph.adjList.get(vet)) {
        if (visited.has(adjVet)) {
            continue; // 跳過已被訪問的頂點
        }
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet);
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
function graphDFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex): Vertex[] {
    // 頂點走訪序列
    const res: Vertex[] = [];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    const visited: Set<Vertex> = new Set();
    dfs(graph, visited, res, startVet);
    return res;
}
```

=== "Dart"

```dart title="graph_dfs.dart"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
void dfs(
  GraphAdjList graph,
  Set<Vertex> visited,
  List<Vertex> res,
  Vertex vet,
) {
  res.add(vet); // 記錄訪問頂點
  visited.add(vet); // 標記該頂點已被訪問
  // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
  for (Vertex adjVet in graph.adjList[vet]!) {
    if (visited.contains(adjVet)) {
      continue; // 跳過已被訪問的頂點
    }
    // 遞迴訪問鄰接頂點
    dfs(graph, visited, res, adjVet);
  }
}

/* 深度優先走訪 */
List<Vertex> graphDFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
  // 頂點走訪序列
  List<Vertex> res = [];
  // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
  Set<Vertex> visited = {};
  dfs(graph, visited, res, startVet);
  return res;
}
```

=== "Rust"

```rust title="graph_dfs.rs"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
fn dfs(graph: &GraphAdjList, visited: &mut HashSet<Vertex>, res: &mut Vec<Vertex>, vet: Vertex) {
    res.push(vet); // 記錄訪問頂點
    visited.insert(vet); // 標記該頂點已被訪問
                         // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    if let Some(adj_vets) = graph.adj_list.get(&vet) {
        for &adj_vet in adj_vets {
            if visited.contains(&adj_vet) {
                continue; // 跳過已被訪問的頂點
            }
            // 遞迴訪問鄰接頂點
            dfs(graph, visited, res, adj_vet);
        }
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
fn graph_dfs(graph: GraphAdjList, start_vet: Vertex) -> Vec<Vertex> {
    // 頂點走訪序列
    let mut res = vec![];
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    let mut visited = HashSet::new();
    dfs(&graph, &mut visited, &mut res, start_vet);

    res
}
```

=== "C"

```c title="graph_dfs.c"
/* 檢查頂點是否已被訪問 */
int isVisited(Vertex **res, int size, Vertex *vet) {
    // 走訪查詢節點，使用 O(n) 時間
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (res[i] == vet) {
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

/* 深度優先走訪輔助函式 */
void dfs(GraphAdjList *graph, Vertex **res, int *resSize, Vertex *vet) {
    // 記錄訪問頂點
    res[(*resSize)++] = vet;
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    AdjListNode *node = findNode(graph, vet);
    while (node != NULL) {
        // 跳過已被訪問的頂點
        if (!isVisited(res, *resSize, node->vertex)) {
            // 遞迴訪問鄰接頂點
            dfs(graph, res, resSize, node->vertex);
        }
        node = node->next;
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
void graphDFS(GraphAdjList *graph, Vertex *startVet, Vertex **res, int *resSize) {
    dfs(graph, res, resSize, startVet);
}
```

=== "Kotlin"

```kotlin title="graph_dfs.kt"
/* 深度優先走訪輔助函式 */
fun dfs(
    graph: GraphAdjList,
    visited: MutableSet<Vertex?>,
    res: MutableList<Vertex?>,
    vet: Vertex?
) {
    res.add(vet)     // 記錄訪問頂點
    visited.add(vet) // 標記該頂點已被訪問
    // 走訪該頂點的所有鄰接頂點
    for (adjVet in graph.adjList[vet]!!) {
        if (visited.contains(adjVet))
            continue  // 跳過已被訪問的頂點
        // 遞迴訪問鄰接頂點
        dfs(graph, visited, res, adjVet)
    }
}

/* 深度優先走訪 */
// 使用鄰接表來表示圖，以便獲取指定頂點的所有鄰接頂點
fun graphDFS(graph: GraphAdjList, startVet: Vertex?): MutableList<Vertex?> {
    // 頂點走訪序列
    val res = mutableListOf<Vertex?>()
    // 雜湊表，用於記錄已被訪問過的頂點
    val visited = HashSet<Vertex?>()
    dfs(graph, visited, res, startVet)
    return res
}
```

=== "Ruby"

```ruby title="graph_dfs.rb"
[class]{}-[func]{dfs}

[class]{}-[func]{graph_dfs}
```

=== "Zig"

```zig title="graph_dfs.zig"
[class]{}-[func]{dfs}

[class]{}-[func]{graphDFS}
```

??? pythontutor "視覺化執行"

<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20Vertex%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%A0%82%E9%BB%9E%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%20%3D%20val%0A%0Adef%20vals_to_vets%28vals%3A%20list%5Bint%5D%29%20-%3E%20list%5B%22Vertex%22%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E8%BC%B8%E5%85%A5%E5%80%BC%E4%B8%B2%E5%88%97%20vals%20%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E4%B8%B2%E5%88%97%20vets%22%22%22%0A%20%20%20%20return%20%5BVertex%28val%29%20for%20val%20in%20vals%5D%0A%0Aclass%20GraphAdjList%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E6%96%BC%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E5%AF%A6%E7%8F%BE%E7%9A%84%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20edges%3A%20list%5Blist%5BVertex%5D%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%BA%E6%A7%8B%E5%AD%90%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%20%3D%20dict%5BVertex%2C%20list%5BVertex%5D%5D%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20edge%20in%20edges%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B0%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B1%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_edge%28edge%5B0%5D%2C%20edge%5B1%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_edge%28self%2C%20vet1%3A%20Vertex%2C%20vet2%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%82%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet1%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet2%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet1%20%3D%3D%20vet2%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20ValueError%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet1%5D.append%28vet2%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet2%5D.append%28vet1%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_vertex%28self%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet%20in%20self.adj_list%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%0Adef%20dfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20visited%3A%20set%5BVertex%5D%2C%20res%3A%20list%5BVertex%5D%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%BC%94%E5%8A%A9%E5%87%BD%E5%BC%8F%22%22%22%0A%20%20%20%20res.append%28vet%29%20%20%23%20%E8%A8%98%E9%8C%84%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited.add%28vet%29%20%20%23%20%E6%A8%99%E8%A8%98%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%0A%20%20%20%20%23%20%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20for%20adjVet%20in%20graph.adj_list%5Bvet%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20adjVet%20in%20visited%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20continue%20%20%23%20%E8%B7%B3%E9%81%8E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20dfs%28graph%2C%20visited%2C%20res%2C%20adjVet%29%0A%0A%0Adef%20graph_dfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20start_vet%3A%20Vertex%29%20-%3E%20list%5BVertex%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BD%BF%E7%94%A8%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E4%BE%86%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E5%9C%96%EF%BC%8C%E4%BB%A5%E4%BE%BF%E7%8D%B2%E5%8F%96%E6%8C%87%E5%AE%9A%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%23%20%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20res%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%23%20%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E8%A1%A8%EF%BC%8C%E7%94%A8%E6%96%BC%E8%A8%98%E9%8C%84%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%81%8E%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited%20%3D%20set%5BVertex%5D%28%29%0A%20%20%20%20dfs%28graph%2C%20visited%2C%20res%2C%20start_vet%29%0A%20%20%20%20return%20res%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%0A%20%20%20%20v%20%3D%20vals_to_vets%28%5B0%2C%201%2C%202%2C%203%2C%204%5D%29%0A%20%20%20%20edges%20%3D%20%5B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B1%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B3%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B2%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B3%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%5D%0A%20%20%20%20graph%20%3D%20GraphAdjList%28edges%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%0A%20%20%20%20res%20%3D%20graph_dfs%28graph%2C%20v%5B0%5D%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=130&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20Vertex%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%A0%82%E9%BB%9E%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%20%3D%20val%0A%0Adef%20vals_to_vets%28vals%3A%20list%5Bint%5D%29%20-%3E%20list%5B%22Vertex%22%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E8%BC%B8%E5%85%A5%E5%80%BC%E4%B8%B2%E5%88%97%20vals%20%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%E4%B8%B2%E5%88%97%20vets%22%22%22%0A%20%20%20%20return%20%5BVertex%28val%29%20for%20val%20in%20vals%5D%0A%0Aclass%20GraphAdjList%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E6%96%BC%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E5%AF%A6%E7%8F%BE%E7%9A%84%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%E9%A1%9E%E5%88%A5%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20edges%3A%20list%5Blist%5BVertex%5D%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%BB%BA%E6%A7%8B%E5%AD%90%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%20%3D%20dict%5BVertex%2C%20list%5BVertex%5D%5D%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20edge%20in%20edges%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B0%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_vertex%28edge%5B1%5D%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.add_edge%28edge%5B0%5D%2C%20edge%5B1%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_edge%28self%2C%20vet1%3A%20Vertex%2C%20vet2%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%82%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet1%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet2%20not%20in%20self.adj_list%20or%20vet1%20%3D%3D%20vet2%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20ValueError%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet1%5D.append%28vet2%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet2%5D.append%28vet1%29%0A%0A%20%20%20%20def%20add_vertex%28self%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%96%B0%E5%A2%9E%E9%A0%82%E9%BB%9E%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20vet%20in%20self.adj_list%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.adj_list%5Bvet%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%0Adef%20dfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20visited%3A%20set%5BVertex%5D%2C%20res%3A%20list%5BVertex%5D%2C%20vet%3A%20Vertex%29%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%BC%94%E5%8A%A9%E5%87%BD%E5%BC%8F%22%22%22%0A%20%20%20%20res.append%28vet%29%20%20%23%20%E8%A8%98%E9%8C%84%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited.add%28vet%29%20%20%23%20%E6%A8%99%E8%A8%98%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%0A%20%20%20%20%23%20%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E8%A9%B2%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20for%20adjVet%20in%20graph.adj_list%5Bvet%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20adjVet%20in%20visited%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20continue%20%20%23%20%E8%B7%B3%E9%81%8E%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20dfs%28graph%2C%20visited%2C%20res%2C%20adjVet%29%0A%0A%0Adef%20graph_dfs%28graph%3A%20GraphAdjList%2C%20start_vet%3A%20Vertex%29%20-%3E%20list%5BVertex%5D%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BD%BF%E7%94%A8%E9%84%B0%E6%8E%A5%E8%A1%A8%E4%BE%86%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E5%9C%96%EF%BC%8C%E4%BB%A5%E4%BE%BF%E7%8D%B2%E5%8F%96%E6%8C%87%E5%AE%9A%E9%A0%82%E9%BB%9E%E7%9A%84%E6%89%80%E6%9C%89%E9%84%B0%E6%8E%A5%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20%23%20%E9%A0%82%E9%BB%9E%E8%B5%B0%E8%A8%AA%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20res%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%23%20%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E8%A1%A8%EF%BC%8C%E7%94%A8%E6%96%BC%E8%A8%98%E9%8C%84%E5%B7%B2%E8%A2%AB%E8%A8%AA%E5%95%8F%E9%81%8E%E7%9A%84%E9%A0%82%E9%BB%9E%0A%20%20%20%20visited%20%3D%20set%5BVertex%5D%28%29%0A%20%20%20%20dfs%28graph%2C%20visited%2C%20res%2C%20start_vet%29%0A%20%20%20%20return%20res%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E7%84%A1%E5%90%91%E5%9C%96%0A%20%20%20%20v%20%3D%20vals_to_vets%28%5B0%2C%201%2C%202%2C%203%2C%204%5D%29%0A%20%20%20%20edges%20%3D%20%5B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B1%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B0%5D%2C%20v%5B3%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B2%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B1%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%5Bv%5B3%5D%2C%20v%5B4%5D%5D%2C%0A%20%20%20%20%5D%0A%20%20%20%20graph%20%3D%20GraphAdjList%28edges%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%84%AA%E5%85%88%E8%B5%B0%E8%A8%AA%0A%20%20%20%20res%20%3D%20graph_dfs%28graph%2C%20v%5B0%5D%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=130&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全螢幕觀看 ></a></div>

深度優先走訪的演算法流程如圖 9-12 所示。

直虛線代表向下遞推，表示開啟了一個新的遞迴方法來訪問新頂點。
曲虛線代表向上回溯，表示此遞迴方法已經返回，回溯到了開啟此方法的位置。

為了加深理解，建議將圖 9-12 與程式碼結合起來，在腦中模擬（或者用筆畫下來）整個 DFS 過程，包括每個遞迴方法何時開啟、何時返回。

=== "<1>" { class="animation-figure" }

=== "<2>" { class="animation-figure" }

=== "<3>" { class="animation-figure" }

=== "<4>" { class="animation-figure" }

=== "<5>" { class="animation-figure" }

=== "<6>" { class="animation-figure" }

=== "<7>" { class="animation-figure" }

=== "<8>" { class="animation-figure" }

=== "<9>" { class="animation-figure" }

=== "<10>" { class="animation-figure" }

=== "<11>" { class="animation-figure" }

圖 9-12 圖的深度優先走訪步驟

!!! question "深度優先走訪的序列是否唯一？"

與廣度優先走訪類似，深度優先走訪序列的順序也不是唯一的。給定某頂點，先往哪個方向探索都可以，即鄰接頂點的順序可以任意打亂，都是深度優先走訪。

以樹的走訪為例，“根 $\rightarrow$ 左 $\rightarrow$ 右”“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”“左 $\rightarrow$ 右 $\rightarrow$ 根”分別對應前序、中序、後序走訪，它們展示了三種走訪優先順序，然而這三者都屬於深度優先走訪。

2. 複雜度分析

時間複雜度：所有頂點都會被訪問 1 次，使用 O(|V|) 時間；所有邊都會被訪問 2 次，使用 O(2|E|) 時間；總體使用 O(|V| + |E|) 時間。

空間複雜度：串列 res ，雜湊表 visited 頂點數量最多為 |V| ，遞迴深度最大為 |V| ，因此使用 O(|V|) 空間。

55 KiB Raw Blame History Unescape Escape

9.3 圖的走訪

9.3.1 廣度優先走訪

1. 演算法實現

2. 複雜度分析

9.3.2 深度優先走訪

1. 演算法實現

2. 複雜度分析

55 KiB

Raw Blame History