對一個有向無環圖(Directed Acyclic Graph簡稱DAG)G進行拓撲排序,是將G中所有頂點排成一個線性序列,使得圖中任意一對頂點u和v,若邊(u,v)∈E(G),則u在線性序列中出現在v之前。通常,這樣的線性序列稱為滿足拓撲次序(Topological Order)的序列,簡稱拓撲序列。簡單的說,由某個集合上的一個偏序得到該集合上的一個全序,這個操作稱之為拓撲排序。
預備知識
一個較大的工程往往被劃分成許多子工程,我們把這些子工程稱作活動(activity)。在整個工程中,有些子工程(活動)必須在其它有關子工程完成之后才能開始,也就是說,一個子工程的開始是以它的所有前序子工程的結束為先決條件的,但有些子工程沒有先決條件,可以安排在任何時間開始。為了形象地反映出整個工程中各個子工程(活動)之間的先后關系,可用一個有向圖來表示,圖中的頂點代表活動(子工程),圖中的有向邊代表活動的先后關系,即有向邊的起點的活動是終點活動的前序活動,只有當起點活動完成之后,其終點活動才能進行。通常,我們把這種頂點表示活動、邊表示活動間先后關系的有向圖稱做頂點活動網(Activity On Vertex network),簡稱 AOV網。
例如,假定一個計算機專業的學生必須完成圖3-4所列出的全部課程。在這里,課程代表活動,學習一門課程就表示進行一項活動,學習每門課程的先決條件是學完它的全部先修課程。如學習《數據結構》課程就必須安排在學完它的兩門先修課程《離散數學》和《算法語言》之后。學習《高等數學》課程則可以隨時安排,因為它是基礎課程,沒有先修課。若用AOV網來表示這種課程安排的先后關系,則如圖3-5所示。圖中的每個頂點代表一門課程,每條有向邊代表起點對應的課程是終點對應課程的先修課。從圖中可以清楚地看出各課程之間的先修和后續的關系。如課程C5的先修課為C2,后續課程為C4和C6。
一個AOV網應該是一個有向無環圖,即不應該帶有回路,因為若帶有回路,則回路上的所有活動都無法進行。如圖3-6是一個具有三個頂點的回路,由邊可得B活動必須在A活動之后,由邊可得C活動必須在B活動之后,所以推出C活動必然在A活動之后,但由
在AOV網中,若不存在回路,則所有活動可排列成一個線性序列,使得每個活動的所有前驅活動都排在該活動的前面,我們把此序列叫做拓撲序列(Topological order),由AOV網構造拓撲序列的過程叫做拓撲排序(Topological sort)。AOV網的拓撲序列不是唯一的,滿足上述定義的任一線性序列都稱作它的拓撲序列。
由AOV網構造出拓撲序列的實際意義是:如果按照拓撲序列中的頂點次序,在開始每一項活動時,能夠保證它的所有前驅活動都已完成,從而使整個工程順序進行,不會出現沖突的情況。
執行步驟
由AOV網構造拓撲序列的拓撲排序算法主要是循環執行以下兩步,直到不存在入度為0的頂點為止。
(1)選擇一個入度為0的頂點并輸出之;
(2)從網中刪除此頂點及所有出邊。
循環結束后,若輸出的頂點數小于網中的頂點數,則輸出“有回路”信息,否則輸出的頂點序列就是一種拓撲序列。
非計算機應用
拓撲排序常用來確定一個依賴關系集中,事物發生的順序。例如,在日常工作中,可能會將項目拆分成A、B、C、D四個子部分來完成,但A依賴于B和D,C依賴于D。為了計算這個項目進行的順序,可對這個關系集進行拓撲排序,得出一個線性的序列,則排在前面的任務就是需要先完成的任務。
注意:這里得到的排序并不是唯一的!就好像你早上穿衣服可以先穿上衣也可以先穿褲子,只要里面的衣服在外面的衣服之前穿就行。
應用
拓撲序列Pascal代碼(無優化)
拓撲序列C++(STL)核心代碼
這里的代碼可以參考這本書,這里是我自己敲的代碼,用了容器,感覺能看明白點。
拓撲序列Pascal代碼(鄰接表+隊列優化)
這里主要是將入度為零的點加入隊列stack,直接在隊列內擴展即可,效率為O(n+m)
拓撲學
拓撲學是近代發展起來的一個研究連續性現象的數學分支。中文名稱起源于希臘語Τοπολογ?α的音譯。Topology原意為地貌,于19世紀中期由科學家引入,當時主要研究的是出于數學分析的需要而產生的一些幾何問題。發展至今,拓撲學主要研究拓撲空間在拓撲變換下的不變性質和不變量。
參考資料 >
拓撲排序.cnblog.2014-08-24