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ja/codes/c/chapter_graph/CMakeLists.txt

@@ -0,0 +1,4 @@
+add_executable(graph_adjacency_matrix graph_adjacency_matrix.c)
+add_executable(graph_adjacency_list_test graph_adjacency_list_test.c)
+add_executable(graph_bfs graph_bfs.c)
+add_executable(graph_dfs graph_dfs.c)

ja/codes/c/chapter_graph/graph_adjacency_list.c

@@ -0,0 +1,171 @@
+/**
+ * File: graph_adjacency_list.c
+ * Created Time: 2023-07-07
+ * Author: NI-SW (947743645@qq.com)
+ */
+
+#include "../utils/common.h"
+
+// ノード数の上限を 100 と仮定
+#define MAX_SIZE 100
+
+/* ノード構造体 */
+typedef struct AdjListNode {
+    Vertex *vertex;           // 頂点
+    struct AdjListNode *next; // 後続ノード
+} AdjListNode;
+
+/* 隣接リストに基づく無向グラフクラス */
+typedef struct {
+    AdjListNode *heads[MAX_SIZE]; // ノード配列
+    int size;                     // ノード数
+} GraphAdjList;
+
+/* コンストラクタ */
+GraphAdjList *newGraphAdjList() {
+    GraphAdjList *graph = (GraphAdjList *)malloc(sizeof(GraphAdjList));
+    if (!graph) {
+        return NULL;
+    }
+    graph->size = 0;
+    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++) {
+        graph->heads[i] = NULL;
+    }
+    return graph;
+}
+
+/* デストラクタ */
+void delGraphAdjList(GraphAdjList *graph) {
+    for (int i = 0; i < graph->size; i++) {
+        AdjListNode *cur = graph->heads[i];
+        while (cur != NULL) {
+            AdjListNode *next = cur->next;
+            if (cur != graph->heads[i]) {
+                free(cur);
+            }
+            cur = next;
+        }
+        free(graph->heads[i]->vertex);
+        free(graph->heads[i]);
+    }
+    free(graph);
+}
+
+/* 頂点に対応するノードを検索 */
+AdjListNode *findNode(GraphAdjList *graph, Vertex *vet) {
+    for (int i = 0; i < graph->size; i++) {
+        if (graph->heads[i]->vertex == vet) {
+            return graph->heads[i];
+        }
+    }
+    return NULL;
+}
+
+/* 辺を追加する補助関数 */
+void addEdgeHelper(AdjListNode *head, Vertex *vet) {
+    AdjListNode *node = (AdjListNode *)malloc(sizeof(AdjListNode));
+    node->vertex = vet;
+    // 先頭挿入法
+    node->next = head->next;
+    head->next = node;
+}
+
+/* 辺を追加 */
+void addEdge(GraphAdjList *graph, Vertex *vet1, Vertex *vet2) {
+    AdjListNode *head1 = findNode(graph, vet1);
+    AdjListNode *head2 = findNode(graph, vet2);
+    assert(head1 != NULL && head2 != NULL && head1 != head2);
+    // 辺 vet1 - vet2 を追加
+    addEdgeHelper(head1, vet2);
+    addEdgeHelper(head2, vet1);
+}
+
+/* 辺削除の補助関数 */
+void removeEdgeHelper(AdjListNode *head, Vertex *vet) {
+    AdjListNode *pre = head;
+    AdjListNode *cur = head->next;
+    // 連結リスト内で vet に対応するノードを探索
+    while (cur != NULL && cur->vertex != vet) {
+        pre = cur;
+        cur = cur->next;
+    }
+    if (cur == NULL)
+        return;
+    // vet に対応するノードを連結リストから削除
+    pre->next = cur->next;
+    // メモリを解放する
+    free(cur);
+}
+
+/* 辺を削除 */
+void removeEdge(GraphAdjList *graph, Vertex *vet1, Vertex *vet2) {
+    AdjListNode *head1 = findNode(graph, vet1);
+    AdjListNode *head2 = findNode(graph, vet2);
+    assert(head1 != NULL && head2 != NULL);
+    // 辺 vet1 - vet2 を削除
+    removeEdgeHelper(head1, head2->vertex);
+    removeEdgeHelper(head2, head1->vertex);
+}
+
+/* 頂点を追加 */
+void addVertex(GraphAdjList *graph, Vertex *vet) {
+    assert(graph != NULL && graph->size < MAX_SIZE);
+    AdjListNode *head = (AdjListNode *)malloc(sizeof(AdjListNode));
+    head->vertex = vet;
+    head->next = NULL;
+    // 隣接リストに新しいリストを追加
+    graph->heads[graph->size++] = head;
+}
+
+/* 頂点を削除 */
+void removeVertex(GraphAdjList *graph, Vertex *vet) {
+    AdjListNode *node = findNode(graph, vet);
+    assert(node != NULL);
+    // 隣接リストから頂点 vet に対応するリストを削除
+    AdjListNode *cur = node, *pre = NULL;
+    while (cur) {
+        pre = cur;
+        cur = cur->next;
+        free(pre);
+    }
+    // 他の頂点のリストを走査し、vet を含むすべての辺を削除
+    for (int i = 0; i < graph->size; i++) {
+        cur = graph->heads[i];
+        pre = NULL;
+        while (cur) {
+            pre = cur;
+            cur = cur->next;
+            if (cur && cur->vertex == vet) {
+                pre->next = cur->next;
+                free(cur);
+                break;
+            }
+        }
+    }
+    // この頂点より後ろの頂点を前に詰めて欠損を埋める
+    int i;
+    for (i = 0; i < graph->size; i++) {
+        if (graph->heads[i] == node)
+            break;
+    }
+    for (int j = i; j < graph->size - 1; j++) {
+        graph->heads[j] = graph->heads[j + 1];
+    }
+    graph->size--;
+    free(vet);
+}
+
+/* 隣接リストを出力 */
+void printGraph(const GraphAdjList *graph) {
+    printf("隣接リスト =\n");
+    for (int i = 0; i < graph->size; ++i) {
+        AdjListNode *node = graph->heads[i];
+        printf("%d: [", node->vertex->val);
+        node = node->next;
+        while (node) {
+            printf("%d, ", node->vertex->val);
+            node = node->next;
+        }
+        printf("]\n");
+    }
+}

ja/codes/c/chapter_graph/graph_adjacency_list_test.c

@@ -0,0 +1,55 @@
+/**
+ * File: graph_adjacency_list_test.c
+ * Created Time: 2023-07-11
+ * Author: NI-SW (947743645@qq.com)
+ */
+
+#include "graph_adjacency_list.c"
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    int vals[] = {1, 3, 2, 5, 4};
+    int size = sizeof(vals) / sizeof(vals[0]);
+    Vertex **v = valsToVets(vals, size);
+    Vertex *edges[][2] = {{v[0], v[1]}, {v[0], v[3]}, {v[1], v[2]}, {v[2], v[3]}, {v[2], v[4]}, {v[3], v[4]}};
+    int egdeSize = sizeof(edges) / sizeof(edges[0]);
+    GraphAdjList *graph = newGraphAdjList();
+    // すべての頂点と辺を追加
+    for (int i = 0; i < size; i++) {
+        addVertex(graph, v[i]);
+    }
+    for (int i = 0; i < egdeSize; i++) {
+        addEdge(graph, edges[i][0], edges[i][1]);
+    }
+    printf("\n初期化後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    /* 辺を追加 */
+    // 頂点 1, 2 は v[0], v[2]
+    addEdge(graph, v[0], v[2]);
+    printf("\n辺 1-2 を追加した後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    /* 辺を削除 */
+    // 頂点 1, 3 は v[0], v[1]
+    removeEdge(graph, v[0], v[1]);
+    printf("\n辺 1-3 を削除した後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    /* 頂点を追加 */
+    Vertex *v5 = newVertex(6);
+    addVertex(graph, v5);
+    printf("\n頂点 6 を追加した後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    /* 頂点を削除 */
+    // 頂点 3 は v[1]
+    removeVertex(graph, v[1]);
+    printf("\n頂点 3 を削除すると、グラフは次のようになります:\n");
+    printGraph(graph);
+
+    // メモリを解放する
+    delGraphAdjList(graph);
+    free(v);
+    return 0;
+}

ja/codes/c/chapter_graph/graph_adjacency_matrix.c

@@ -0,0 +1,150 @@
+/**
+ * File: graph_adjacency_matrix.c
+ * Created Time: 2023-07-06
+ * Author: NI-SW (947743645@qq.com)
+ */
+
+#include "../utils/common.h"
+
+// 頂点数の最大値を 100 と仮定する
+#define MAX_SIZE 100
+
+/* 隣接行列に基づく無向グラフ構造体 */
+typedef struct {
+    int vertices[MAX_SIZE];
+    int adjMat[MAX_SIZE][MAX_SIZE];
+    int size;
+} GraphAdjMat;
+
+/* コンストラクタ */
+GraphAdjMat *newGraphAdjMat() {
+    GraphAdjMat *graph = (GraphAdjMat *)malloc(sizeof(GraphAdjMat));
+    graph->size = 0;
+    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++) {
+        for (int j = 0; j < MAX_SIZE; j++) {
+            graph->adjMat[i][j] = 0;
+        }
+    }
+    return graph;
+}
+
+/* デストラクタ */
+void delGraphAdjMat(GraphAdjMat *graph) {
+    free(graph);
+}
+
+/* 頂点を追加 */
+void addVertex(GraphAdjMat *graph, int val) {
+    if (graph->size == MAX_SIZE) {
+        fprintf(stderr, "グラフの頂点数が最大値に達しました\n");
+        return;
+    }
+    // n 番目の頂点を追加し、n 行目と n 列目を 0 にする
+    int n = graph->size;
+    graph->vertices[n] = val;
+    for (int i = 0; i <= n; i++) {
+        graph->adjMat[n][i] = graph->adjMat[i][n] = 0;
+    }
+    graph->size++;
+}
+
+/* 頂点を削除 */
+void removeVertex(GraphAdjMat *graph, int index) {
+    if (index < 0 || index >= graph->size) {
+        fprintf(stderr, "頂点インデックスが範囲外です\n");
+        return;
+    }
+    // 頂点リストから index の頂点を削除する
+    for (int i = index; i < graph->size - 1; i++) {
+        graph->vertices[i] = graph->vertices[i + 1];
+    }
+    // 隣接行列で index 行を削除する
+    for (int i = index; i < graph->size - 1; i++) {
+        for (int j = 0; j < graph->size; j++) {
+            graph->adjMat[i][j] = graph->adjMat[i + 1][j];
+        }
+    }
+    // 隣接行列で index 列を削除する
+    for (int i = 0; i < graph->size; i++) {
+        for (int j = index; j < graph->size - 1; j++) {
+            graph->adjMat[i][j] = graph->adjMat[i][j + 1];
+        }
+    }
+    graph->size--;
+}
+
+/* 辺を追加 */
+// 引数 i, j は vertices の要素インデックスに対応する
+void addEdge(GraphAdjMat *graph, int i, int j) {
+    if (i < 0 || j < 0 || i >= graph->size || j >= graph->size || i == j) {
+        fprintf(stderr, "辺インデックスが範囲外であるか、同一です\n");
+        return;
+    }
+    graph->adjMat[i][j] = 1;
+    graph->adjMat[j][i] = 1;
+}
+
+/* 辺を削除 */
+// 引数 i, j は vertices の要素インデックスに対応する
+void removeEdge(GraphAdjMat *graph, int i, int j) {
+    if (i < 0 || j < 0 || i >= graph->size || j >= graph->size || i == j) {
+        fprintf(stderr, "辺インデックスが範囲外であるか、同一です\n");
+        return;
+    }
+    graph->adjMat[i][j] = 0;
+    graph->adjMat[j][i] = 0;
+}
+
+/* 隣接行列を出力 */
+void printGraphAdjMat(GraphAdjMat *graph) {
+    printf("頂点リスト = ");
+    printArray(graph->vertices, graph->size);
+    printf("隣接行列 =\n");
+    for (int i = 0; i < graph->size; i++) {
+        printArray(graph->adjMat[i], graph->size);
+    }
+}
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    // 無向グラフを初期化
+    GraphAdjMat *graph = newGraphAdjMat();
+    int vertices[] = {1, 3, 2, 5, 4};
+    for (int i = 0; i < 5; i++) {
+        addVertex(graph, vertices[i]);
+    }
+    int edges[][2] = {{0, 1}, {0, 3}, {1, 2}, {2, 3}, {2, 4}, {3, 4}};
+    for (int i = 0; i < 6; i++) {
+        addEdge(graph, edges[i][0], edges[i][1]);
+    }
+    printf("\n初期化後のグラフは\n");
+    printGraphAdjMat(graph);
+
+    /* 辺を追加 */
+    // 頂点 1, 2 のインデックスはそれぞれ 0, 2
+    addEdge(graph, 0, 2);
+    printf("\n辺 1-2 を追加した後のグラフは\n");
+    printGraphAdjMat(graph);
+
+    /* 辺を削除 */
+    // 頂点 1, 3 のインデックスはそれぞれ 0, 1
+    removeEdge(graph, 0, 1);
+    printf("\n辺 1-3 を削除した後のグラフは\n");
+    printGraphAdjMat(graph);
+
+    /* 頂点を追加 */
+    addVertex(graph, 6);
+    printf("\n頂点 6 を追加した後のグラフは\n");
+    printGraphAdjMat(graph);
+
+    /* 頂点を削除 */
+    // 頂点 3 のインデックスは 1
+    removeVertex(graph, 1);
+    printf("\n頂点 3 を削除すると、グラフは次のようになります\n");
+    printGraphAdjMat(graph);
+
+    // メモリを解放する
+    delGraphAdjMat(graph);
+
+    return 0;
+}

ja/codes/c/chapter_graph/graph_bfs.c

@@ -0,0 +1,116 @@
+/**
+ * File: graph_bfs.c
+ * Created Time: 2023-07-11
+ * Author: NI-SW (947743645@qq.com)
+ */
+
+#include "graph_adjacency_list.c"
+
+// ノード数の上限を 100 と仮定
+#define MAX_SIZE 100
+
+/* ノードキュー構造体 */
+typedef struct {
+    Vertex *vertices[MAX_SIZE];
+    int front, rear, size;
+} Queue;
+
+/* コンストラクタ */
+Queue *newQueue() {
+    Queue *q = (Queue *)malloc(sizeof(Queue));
+    q->front = q->rear = q->size = 0;
+    return q;
+}
+
+/* キューが空かどうかを判定 */
+int isEmpty(Queue *q) {
+    return q->size == 0;
+}
+
+/* エンキュー操作 */
+void enqueue(Queue *q, Vertex *vet) {
+    q->vertices[q->rear] = vet;
+    q->rear = (q->rear + 1) % MAX_SIZE;
+    q->size++;
+}
+
+/* デキュー操作 */
+Vertex *dequeue(Queue *q) {
+    Vertex *vet = q->vertices[q->front];
+    q->front = (q->front + 1) % MAX_SIZE;
+    q->size--;
+    return vet;
+}
+
+/* 頂点が訪問済みかを確認 */
+int isVisited(Vertex **visited, int size, Vertex *vet) {
+    // 走査してノードを探すため、O(n) 時間を要する
+    for (int i = 0; i < size; i++) {
+        if (visited[i] == vet)
+            return 1;
+    }
+    return 0;
+}
+
+/* 幅優先探索 */
+// グラフを隣接リストで表し、指定した頂点の隣接頂点をすべて取得できるようにする
+void graphBFS(GraphAdjList *graph, Vertex *startVet, Vertex **res, int *resSize, Vertex **visited, int *visitedSize) {
+    // BFS の実装にキューを用いる
+    Queue *queue = newQueue();
+    enqueue(queue, startVet);
+    visited[(*visitedSize)++] = startVet;
+    // 頂点 vet を起点に、すべての頂点を訪問し終えるまで繰り返す
+    while (!isEmpty(queue)) {
+        Vertex *vet = dequeue(queue); // 先頭の頂点をデキュー
+        res[(*resSize)++] = vet;      // 訪問した頂点を記録
+        // この頂点のすべての隣接頂点を走査
+        AdjListNode *node = findNode(graph, vet);
+        while (node != NULL) {
+            // 訪問済みの頂点をスキップ
+            if (!isVisited(visited, *visitedSize, node->vertex)) {
+                enqueue(queue, node->vertex);             // 未訪問の頂点のみをキューに追加
+                visited[(*visitedSize)++] = node->vertex; // この頂点を訪問済みにする
+            }
+            node = node->next;
+        }
+    }
+    // メモリを解放する
+    free(queue);
+}
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    // 無向グラフを初期化
+    int vals[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
+    int size = sizeof(vals) / sizeof(vals[0]);
+    Vertex **v = valsToVets(vals, size);
+    Vertex *edges[][2] = {{v[0], v[1]}, {v[0], v[3]}, {v[1], v[2]}, {v[1], v[4]}, {v[2], v[5]}, {v[3], v[4]},
+                          {v[3], v[6]}, {v[4], v[5]}, {v[4], v[7]}, {v[5], v[8]}, {v[6], v[7]}, {v[7], v[8]}};
+    int egdeSize = sizeof(edges) / sizeof(edges[0]);
+    GraphAdjList *graph = newGraphAdjList();
+    // すべての頂点と辺を追加
+    for (int i = 0; i < size; i++) {
+        addVertex(graph, v[i]);
+    }
+    for (int i = 0; i < egdeSize; i++) {
+        addEdge(graph, edges[i][0], edges[i][1]);
+    }
+    printf("\n初期化後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    // 幅優先探索
+    // 頂点の走査順序
+    Vertex *res[MAX_SIZE];
+    int resSize = 0;
+    // 訪問済みの頂点を記録する
+    Vertex *visited[MAX_SIZE];
+    int visitedSize = 0;
+    graphBFS(graph, v[0], res, &resSize, visited, &visitedSize);
+    printf("\n幅優先探索（BFS）の頂点列は次のとおりです\n");
+    printArray(vetsToVals(res, resSize), resSize);
+
+    // メモリを解放する
+    delGraphAdjList(graph);
+    free(v);
+    return 0;
+}

ja/codes/c/chapter_graph/graph_dfs.c

@@ -0,0 +1,75 @@
+/**
+ * File: graph_dfs.c
+ * Created Time: 2023-07-13
+ * Author: NI-SW (947743645@qq.com)
+ */
+
+#include "graph_adjacency_list.c"
+
+// ノード数の上限を 100 と仮定
+#define MAX_SIZE 100
+
+/* 頂点が訪問済みかを確認 */
+int isVisited(Vertex **res, int size, Vertex *vet) {
+    // 走査してノードを探すため、O(n) 時間を要する
+    for (int i = 0; i < size; i++) {
+        if (res[i] == vet) {
+            return 1;
+        }
+    }
+    return 0;
+}
+
+/* 深さ優先走査の補助関数 */
+void dfs(GraphAdjList *graph, Vertex **res, int *resSize, Vertex *vet) {
+    // 訪問した頂点を記録
+    res[(*resSize)++] = vet;
+    // この頂点のすべての隣接頂点を走査
+    AdjListNode *node = findNode(graph, vet);
+    while (node != NULL) {
+        // 訪問済みの頂点をスキップ
+        if (!isVisited(res, *resSize, node->vertex)) {
+            // 隣接頂点を再帰的に訪問
+            dfs(graph, res, resSize, node->vertex);
+        }
+        node = node->next;
+    }
+}
+
+/* 深さ優先探索 */
+// グラフを隣接リストで表し、指定した頂点の隣接頂点をすべて取得できるようにする
+void graphDFS(GraphAdjList *graph, Vertex *startVet, Vertex **res, int *resSize) {
+    dfs(graph, res, resSize, startVet);
+}
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    // 無向グラフを初期化
+    int vals[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6};
+    int size = sizeof(vals) / sizeof(vals[0]);
+    Vertex **v = valsToVets(vals, size);
+    Vertex *edges[][2] = {{v[0], v[1]}, {v[0], v[3]}, {v[1], v[2]}, {v[2], v[5]}, {v[4], v[5]}, {v[5], v[6]}};
+    int egdeSize = sizeof(edges) / sizeof(edges[0]);
+    GraphAdjList *graph = newGraphAdjList();
+    // すべての頂点と辺を追加
+    for (int i = 0; i < size; i++) {
+        addVertex(graph, v[i]);
+    }
+    for (int i = 0; i < egdeSize; i++) {
+        addEdge(graph, edges[i][0], edges[i][1]);
+    }
+    printf("\n初期化後のグラフは\n");
+    printGraph(graph);
+
+    // 深さ優先探索
+    Vertex *res[MAX_SIZE];
+    int resSize = 0;
+    graphDFS(graph, v[0], res, &resSize);
+    printf("\n深さ優先探索（DFS）の頂点列は次のとおりです\n");
+    printArray(vetsToVals(res, resSize), resSize);
+
+    // メモリを解放する
+    delGraphAdjList(graph);
+    free(v);
+    return 0;
+}