问题:在Python中表示图(数据结构)
如何用Python巧妙地表示图形?(从头开始,即没有库!)哪种数据结构(例如dicts / tuples / dict(tuples))既快速又具有存储效率?必须能够对它执行各种图形操作。
如前所述,各种图形表示可能会有所帮助。如何在Python中实现它们?至于图书馆,这个问题有很好的答案。
回答 0
即使这是一个有点老的问题,我还是想为遇到问题的任何人提供一个切实可行的答案。
假设您以元组列表的形式获取连接的输入数据,如下所示:
[('A', 'B'), ('B', 'C'), ('B', 'D'), ('C', 'D'), ('E', 'F'), ('F', 'C')]
我发现对于Python中的图形最有用和最有效的数据结构是集合的决定。这将是我们Graph
Class的基础结构。您还必须知道这些连接是弧形(定向,以一种方式连接)还是边缘(无定向,以两种方式连接)。我们将通过directed
向该Graph.__init__
方法添加参数来处理该问题。我们还将添加一些其他有用的方法。
import pprint
from collections import defaultdict
class Graph(object):
""" Graph data structure, undirected by default. """
def __init__(self, connections, directed=False):
self._graph = defaultdict(set)
self._directed = directed
self.add_connections(connections)
def add_connections(self, connections):
""" Add connections (list of tuple pairs) to graph """
for node1, node2 in connections:
self.add(node1, node2)
def add(self, node1, node2):
""" Add connection between node1 and node2 """
self._graph[node1].add(node2)
if not self._directed:
self._graph[node2].add(node1)
def remove(self, node):
""" Remove all references to node """
for n, cxns in self._graph.items(): # python3: items(); python2: iteritems()
try:
cxns.remove(node)
except KeyError:
pass
try:
del self._graph[node]
except KeyError:
pass
def is_connected(self, node1, node2):
""" Is node1 directly connected to node2 """
return node1 in self._graph and node2 in self._graph[node1]
def find_path(self, node1, node2, path=[]):
""" Find any path between node1 and node2 (may not be shortest) """
path = path + [node1]
if node1 == node2:
return path
if node1 not in self._graph:
return None
for node in self._graph[node1]:
if node not in path:
new_path = self.find_path(node, node2, path)
if new_path:
return new_path
return None
def __str__(self):
return '{}({})'.format(self.__class__.__name__, dict(self._graph))
我将其作为创建读者find_shortest_path
和其他方法的“读者练习” 。
让我们来看一下这个动作…
>>> connections = [('A', 'B'), ('B', 'C'), ('B', 'D'),
('C', 'D'), ('E', 'F'), ('F', 'C')]
>>> g = Graph(connections, directed=True)
>>> pretty_print = pprint.PrettyPrinter()
>>> pretty_print.pprint(g._graph)
{'A': {'B'},
'B': {'D', 'C'},
'C': {'D'},
'E': {'F'},
'F': {'C'}}
>>> g = Graph(connections) # undirected
>>> pretty_print = pprint.PrettyPrinter()
>>> pretty_print.pprint(g._graph)
{'A': {'B'},
'B': {'D', 'A', 'C'},
'C': {'D', 'F', 'B'},
'D': {'C', 'B'},
'E': {'F'},
'F': {'E', 'C'}}
>>> g.add('E', 'D')
>>> pretty_print.pprint(g._graph)
{'A': {'B'},
'B': {'D', 'A', 'C'},
'C': {'D', 'F', 'B'},
'D': {'C', 'E', 'B'},
'E': {'D', 'F'},
'F': {'E', 'C'}}
>>> g.remove('A')
>>> pretty_print.pprint(g._graph)
{'B': {'D', 'C'},
'C': {'D', 'F', 'B'},
'D': {'C', 'E', 'B'},
'E': {'D', 'F'},
'F': {'E', 'C'}}
>>> g.add('G', 'B')
>>> pretty_print.pprint(g._graph)
{'B': {'D', 'G', 'C'},
'C': {'D', 'F', 'B'},
'D': {'C', 'E', 'B'},
'E': {'D', 'F'},
'F': {'E', 'C'},
'G': {'B'}}
>>> g.find_path('G', 'E')
['G', 'B', 'D', 'C', 'F', 'E']
回答 1
NetworkX是一个很棒的Python图形库。您将很难找到尚未需要的东西。
而且它是开源的,因此您可以了解他们如何实现算法。您还可以添加其他算法。
https://github.com/networkx/networkx/tree/master/networkx/algorithms
回答 2
首先,经典列表与矩阵表示形式的选择取决于目的(取决于您要如何使用表示形式)。众所周知的问题和算法与选择有关。对抽象表示类型的选择决定了应如何实现它。
其次,问题是顶点和边缘是否应该仅根据存在性来表达,或者它们是否携带一些额外的信息。
从Python内置数据类型的角度来看,其他任何地方包含的任何值都表示为对目标对象的(隐藏)引用。如果它是变量(即命名引用),则名称和引用始终存储在(内部)字典中。如果你不需要名字,则引用可以存储在自己的容器-在这里大概Python列表会一直被用于列表的抽象。
Python列表实现为动态引用数组,Python元组实现为具有恒定内容的静态引用数组(不能更改引用的值)。因此,它们可以很容易地被索引。这样,该列表也可以用于矩阵的实现。
表示矩阵的另一种方法是由标准模块实现的数组array
-相对于存储的类型(均值)更受限制。元素直接存储值。(该列表将存储对值对象的引用)。这样,它可以提高内存效率,并且对值的访问也更快。
有时,您可能会发现有用的甚至更受限制的表示形式,例如bytearray
。
回答 3
有两个出色的图形库
NetworkX和igraph。您可以在GitHub上找到这两个库源代码。您始终可以看到函数的编写方式。但是我更喜欢NetworkX,因为它易于理解。
查看其代码以了解其功能。您将获得多个想法,然后可以选择如何使用数据结构制作图形。