图 | 存储结构：邻接矩阵及C语言实现

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使用图结构表示的数据元素之间虽然具有“多对多”的关系，但是同样可以采用顺序存储，也就是使用数组有效地存储图。

邻接矩阵

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邻接矩阵(Adjacency Matrix)，又称 数组表示法，存储方式是用两个数组来表示图：

• 一个一维数组存储图中顶点本身信息；
• 一个二维数组(称为邻接矩阵)存储图中的边或弧的信息。

存储图中各顶点本身信息，使用一维数组就足够了；存储顶点之间的关系（边或弧）时，要记录每个顶点和其它所有顶点之间的关系，所以需要使用二维数组。

不同类型的图，存储的方式略有不同。根据图有无权，可以将图划分为两大类：图和网 。图，包括无向图和有向图；网，是指带权的图，包括无向网和有向网。

存储方式的不同，指的是：在使用二维数组存储图中顶点之间的关系时，如果顶点之间存在边或弧，在相应位置用 1 表示，反之用 0 表示；如果使用二维数组存储网中顶点之间的关系，顶点之间如果有边或者弧的存在，在数组的相应位置存储其权值；反之用 ∞ 表示。

这里“∞”表示一个计算机允许的、大于所有边上权值的值。

结构代码表示：

#define MAX_VERtEX_NUM 20                   //顶点的最大个数
#define VRType int                          //表示顶点之间的关系的变量类型
#define InfoType char                       //存储弧或者边额外信息的指针变量类型
#define VertexType int                      //图中顶点的数据类型
typedef enum{DG,DN,UDG,UDN}GraphKind;       //枚举图的 4 种类型

typedef struct {
    VRType adj;                             //对于无权图，用 1 或 0 表示是否相邻；对于带权图，直接为权值。
    InfoType * info;                        //弧或边额外含有的信息指针
}ArcCell,AdjMatrix[MAX_VERtEX_NUM][MAX_VERtEX_NUM];

typedef struct {
    VertexType vexs[MAX_VERtEX_NUM];        //存储图中顶点数据
    AdjMatrix arcs;                         //二维数组，记录顶点之间的关系
    int vexnum,arcnum;                      //记录图的顶点数和弧（边）数
    GraphKind kind;                         //记录图的种类
}MGraph;

以无向图为例：

在此二维数组中，每一行代表一个顶点，依次从 V₁ 到 V₇ ，每一列也是如此。比如 arcs[0][1] = 1 ，表示 V₁ 和 V₂ 之间有边存在；而 arcs[0][4] = 0，说明 V₁ 和 V₅ 之间没有边（不能直接到达）。

无向图邻接矩阵的特点：

• 邻接矩阵是一个对称矩阵，而且主对角线一定为零。在存储时可以采用压缩存储的方式存储下三角或者上三角；
• 顶点 V_i 的度等于第(i-1)行非零元素个数，或第(i-1)列非零元素个数。例如，第一行有三个 1，说明 V1 有三个边，所以度为 3：
• 用邻接矩阵表示图，很容易确定图中任意两个顶点是否有边相连；
• 求顶点 V_i 的所有邻接点就是将矩阵中第(i-1)行元素扫描一遍，arc[i-1][j]为1就是邻接点。

有向图邻接矩阵的特点：

• 有向图是有讲究的，要考虑入度和出度，顶点 V_i 的入度为第(i-1)列的非零元素个数，顶点 V_i 的出度为第(i-1)行的非零元素个数。

具体实现代码

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#include <stdio.h>
#define MAX_VERtEX_NUM 20                   //顶点的最大个数
#define VRType int                          //表示顶点之间的关系的变量类型
#define InfoType char                       //存储弧或者边额外信息的指针变量类型
#define VertexType int                      //图中顶点的数据类型
typedef enum{DG,DN,UDG,UDN}GraphKind;       //枚举图的 4 种类型

typedef struct {
    VRType adj;                             //对于无权图，用 1 或 0 表示是否相邻；对于带权图，直接为权值。
    InfoType * info;                        //弧或边额外含有的信息指针
}ArcCell,AdjMatrix[MAX_VERtEX_NUM][MAX_VERtEX_NUM];

typedef struct {
    VertexType vexs[MAX_VERtEX_NUM];        //存储图中顶点数据
    AdjMatrix arcs;                         //二维数组，记录顶点之间的关系
    int vexnum,arcnum;                      //记录图的顶点数和弧（边）数
    GraphKind kind;                         //记录图的种类
}MGraph;

//根据顶点本身数据，判断出顶点在二维数组中的位置
int LocateVex(MGraph * G,VertexType v){
    int i=0;
    //遍历一维数组，找到变量v
    for (; i<G->vexnum; i++) {
        if (G->vexs[i]==v) {
            break;
        }
    }
    //如果找不到，输出提示语句，返回-1
    if (i>G->vexnum) {
        printf("no such vertex.\n");
        return -1;
    }
    return i;
}

//构造有向图
void CreateDG(MGraph *G){
    //输入图含有的顶点数和弧的个数
    scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
    //依次输入顶点本身的数据
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        scanf("%d",&(G->vexs[i]));
    }
    //初始化二维矩阵，全部归0，指针指向NULL
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
            G->arcs[i][j].adj=0;
            G->arcs[i][j].info=NULL;
        }
    }
    //在二维数组中添加弧的数据
    for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
        int v1,v2;
        //输入弧头和弧尾
        scanf("%d,%d",&v1,&v2);
        //确定顶点位置
        int n=LocateVex(G, v1);
        int m=LocateVex(G, v2);
        //排除错误数据
        if (m==-1 ||n==-1) {
            printf("no this vertex\n");
            return;
        }
        //将正确的弧的数据加入二维数组
        G->arcs[n][m].adj=1;
    }
}

//构造无向图
void CreateDN(MGraph *G){
    scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        scanf("%d",&(G->vexs[i]));
    }
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
            G->arcs[i][j].adj=0;
            G->arcs[i][j].info=NULL;
        }
    }
    for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
        int v1,v2;
        scanf("%d,%d",&v1,&v2);
        int n=LocateVex(G, v1);
        int m=LocateVex(G, v2);
        if (m==-1 ||n==-1) {
            printf("no this vertex\n");
            return;
        }
        G->arcs[n][m].adj=1;
        G->arcs[m][n].adj=1;//无向图的二阶矩阵沿主对角线对称
    }
}

//构造有向网，和有向图不同的是二阶矩阵中存储的是权值。
void CreateUDG(MGraph *G){
    scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        scanf("%d",&(G->vexs[i]));
    }
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
            G->arcs[i][j].adj=0;
            G->arcs[i][j].info=NULL;
        }
    }
    for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
        int v1,v2,w;
        scanf("%d,%d,%d",&v1,&v2,&w);
        int n=LocateVex(G, v1);
        int m=LocateVex(G, v2);
        if (m==-1 ||n==-1) {
            printf("no this vertex\n");
            return;
        }
        G->arcs[n][m].adj=w;
    }
}

//构造无向网。和无向图唯一的区别就是二阶矩阵中存储的是权值
void CreateUDN(MGraph* G){
    scanf("%d,%d",&(G->vexnum),&(G->arcnum));
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        scanf("%d",&(G->vexs[i]));
    }
    for (int i=0; i<G->vexnum; i++) {
        for (int j=0; j<G->vexnum; j++) {
            G->arcs[i][j].adj=0;
            G->arcs[i][j].info=NULL;
        }
    }
    for (int i=0; i<G->arcnum; i++) {
        int v1,v2,w;
        scanf("%d,%d,%d",&v1,&v2,&w);
        int m=LocateVex(G, v1);
        int n=LocateVex(G, v2);
        if (m==-1 ||n==-1) {
            printf("no this vertex\n");
            return;
        }
        G->arcs[n][m].adj=w;
        G->arcs[m][n].adj=w;//矩阵对称
    }
}

void CreateGraph(MGraph *G){
    //选择图的类型
    scanf("%d",&(G->kind));
    //根据所选类型，调用不同的函数实现构造图的功能
    switch (G->kind) {
        case DG:
            return CreateDG(G);
            break;
        case DN:
            return CreateDN(G);
            break;
        case UDG:
            return CreateUDG(G);
            break;
        case UDN:
            return CreateUDN(G);
            break;
        default:
            break;
    }
}

//输出函数
void PrintGrapth(MGraph G)
{
    for (int i = 0; i < G.vexnum; i++)
    {
        for (int j = 0; j < G.vexnum; j++)
        {
            printf("%d ", G.arcs[i][j].adj);
        }
        printf("\n");
    }
}

int main() {
    MGraph G;//建立一个图的变量
    CreateGraph(&G);//调用创建函数，传入地址参数
    PrintGrapth(G);//输出图的二阶矩阵
    return 0;
}

注意：在此程序中，构建无向网和有向网时，对于之间没有边或弧的顶点，相应的二阶矩阵中存放的是 0。目的只是为了方便查看运行结果，而实际上如果顶点之间没有关联，它们之间的距离应该是无穷大（∞）。

例如，使用上述程序存储下图 中（a）的有向网时，存储的两个数组如下图 （b）所示：

相应地运行结果为：

2
6,10
1
2
3
4
5
6
1,2,5
2,3,4
3,1,8
1,4,7
4,3,5
3,6,9
6,1,3
4,6,6
6,5,1
5,4,5
0 5 0 7 0 0
0 0 4 0 0 0
8 0 0 0 0 9
0 0 5 0 0 6
0 0 0 5 0 0
3 0 0 0 1 0