[알고리즘, Java] 깊이 우선 탐색(DFS), 너비 우선 탐색(BFS)

✅그래프 순회 알고리즘 : 하나의 정점으로부터 시작하여 차례대로 모든 정점을 한 번씩 방문하는 것

 

 

 

깊이 우선 탐색(Depth Sirst Search, DFS)

깊은 부분을 우선적으로 탐색하는 알고리즘

 

 

실행 과정

1. 첫 정점을 방문한다.
2. 인접한 정점 중 아직 방문하지 않은 정점을 방문한다. 이때 한 길로 쭉 파고 들어간다.
3. 더 이상 들어갈 길이 없으면(인접한 모든 정점에 이미 방문했으면), 방문하지 않은 인접한 정점을 찾을 때까지 들어온 길을 돌아간다.
4. 위 과정을 반복한다.

 

 

구현

1. 순환 호출 이용

재귀함수를 필요로 함. 공부 후 내용 추가

코드 출처 

import java.io.*;
import java.util.*;

/* 인접 리스트를 이용한 방향성 있는 그래프 클래스 */
class Graph {
  private int V;   // 노드의 개수
  private LinkedList<Integer> adj[]; // 인접 리스트

  /** 생성자 */
  Graph(int v) {
      V = v;
      adj = new LinkedList[v];
      for (int i=0; i<v; ++i) // 인접 리스트 초기화
          adj[i] = new LinkedList();
  }

  /** 노드를 연결 v->w */
  void addEdge(int v, int w) { adj[v].add(w); }

  /** DFS에 의해 사용되는 함수 */
  void DFSUtil(int v, boolean visited[]) {
      // 현재 노드를 방문한 것으로 표시하고 값을 출력
      visited[v] = true;
      System.out.print(v + " ");

      // 방문한 노드와 인접한 모든 노드를 가져온다.
      Iterator<Integer> i = adj[v].listIterator();
      while (i.hasNext()) {
          int n = i.next();
          // 방문하지 않은 노드면 해당 노드를 시작 노드로 다시 DFSUtil 호출
          if (!visited[n])
              DFSUtil(n, visited); // 순환 호출
      }
  }

  /** 주어진 노드를 시작 노드로 DFS 탐색 */
  void DFS(int v) {
      // 노드의 방문 여부 판단 (초깃값: false)
      boolean visited[] = new boolean[V];

      // v를 시작 노드로 DFSUtil 순환 호출
      DFSUtil(v, visited);
  }

  /** DFS 탐색 */
  void DFS() {
      // 노드의 방문 여부 판단 (초깃값: false)
      boolean visited[] = new boolean[V];

      // 비연결형 그래프의 경우, 모든 정점을 하나씩 방문
      for (int i=0; i<V; ++i) {
          if (visited[i] == false)
              DFSUtil(i, visited);
      }
  }
}

//n = 노드의 개수
public static void dfs(int target){
    nodeSet[target][0] = true;
    sb.append(target).append(' ');
    for(int i=1; i<=n; i++){
        if(!nodeSet[i][0] && !nodeSet[target][i]){
            dfs(i);
        }
    }
}

 

 

2. 스택 이용

//n = 노드의 개수, m = 간선의 개수, v = 시작 노드
public static void dfs(boolean[][] node){
    Stack<Integer> st = new Stack<>();
    node[v][0] = true;
    st.push(v);
    sb.append(v).append(' ');
    while(!st.isEmpty()){
        int target = st.peek();
        for(int i=1; i<=n; i++){
            node[0][0] = true;
            if(!node[i][0]){
                if(!node[target][i]){
                    node[i][0] = true;
                    st.push(i);
                    sb.append(i).append(' ');
                    break;
                }
                node[0][0] = false;
            } else if(i==n){
                if(node[0][0]) st.clear();
                else st.pop();
            }
        }
    }
}

 

 

시간 복잡도

N = 정점(노드)의 수, E = 간선의 수

• 인접 리스트 : O(N+E)
• 인접 행렬 : O(N^2)

 

 

사용 사례

• 미로 탐색
• 그래프 사이클 찾기
• 전위 순회

 

 

 

 

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너비 우선 탐색(Breadth First Search, BFS)

가까운 곳을 우선적으로 탐색하는 알고리즘

 

 

실행 과정

1. 첫 정점을 방문한다.
2. 아직 방문하지 않은 인접한 정점들을 방문한다.
3. 방문한 정점에 대해 인접하면서 방문하지 않은 정점들을 차례대로 방문한다.
4. 위 과정을 반복한다.

 

 

구현

0. 의사 코드(Pseudo code)

코드 출처

void search(Node root) {
  Queue queue = new Queue();
  root.marked = true; // (방문한 노드 체크)
  queue.enqueue(root); // 1-1. 큐의 끝에 추가

  // 3. 큐가 소진될 때까지 계속한다.
  while (!queue.isEmpty()) {
    Node r = queue.dequeue(); // 큐의 앞에서 노드 추출
    visit(r); // 2-1. 큐에서 추출한 노드 방문
    // 2-2. 큐에서 꺼낸 노드와 인접한 노드들을 모두 차례로 방문한다.
    foreach (Node n in r.adjacent) {
      if (n.marked == false) {
        n.marked = true; // (방문한 노드 체크)
        queue.enqueue(n); // 2-3. 큐의 끝에 추가
      }
    }
  }
}

 

1. 큐 이용

//n = 노드의 개수, v = 시작 노드
public static void bfs(boolean[][] node){
    Queue<Integer> que = new LinkedList<>();
    node[v][0] = true;
    que.add(v);
    sb.append(v).append(' ');
    while(!que.isEmpty()){
        int target = que.poll();
        for(int i=1; i<=n; i++){
            node[0][0] = true;
            if(!node[i][0]){
                if(!node[target][i]){
                    node[i][0] = true;
                    que.add(i);
                    sb.append(i).append(' ');
                }
                node[0][0] = false;
            }
        }
        if(node[0][0]) que.clear();
    }
}

 

 

시간 복잡도

N = 정점(노드)의 수, E = 간선의 수

• 인접 리스트 : O(N+E)
• 인접 행렬 : O(N^2)

 

 

사용 사례

• 최단 경로 탐색
• 그래프 사이클 찾기

 

 

 

 

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깊이 우선 탐색(DFS) VS 너비 우선 탐색(BFS)

 

깊이 우선 탐색의 특징

• 같은 레벨의 경로보다 더 깊은 레벨을 우선으로 탐색한다.
• 경로상의 노드들만 기억하면 되므로 차지하는 저장공간이 적다
• 재귀적으로 동작하며, 후입선출(LIFO) 구조이다.

 

너비 우선 탐색의 특징

• 목표 지점까지 최단 길이를 보장한다. 
• 경로가 길수록 인접한 정점이 많이 생겨나므로(저장되므로) 저장 공간이 많이 필요하다.
• 선입선출(FIFO) 구조이다. 

 

 

 

 

 

 

🔗DFS, BFS 백준 문제(1260)

package Y2023.March.week2;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Stack;

public class q1260 {
    static StringBuilder sb = new StringBuilder();
    static int n, m, v;
    static boolean[][] nodeSet;
    public static void dfs(boolean[][] node){
        Stack<Integer> st = new Stack<>();
        node[v][0] = true;
        st.push(v);
        sb.append(v).append(' ');
        while(!st.isEmpty()){
            int target = st.peek();
            for(int i=1; i<=n; i++){
                node[0][0] = true;
                if(!node[i][0]){
                    if(!node[target][i]){
                        node[i][0] = true;
                        st.push(i);
                        sb.append(i).append(' ');
                        break;
                    }
                    node[0][0] = false;
                } else if(i==n){
                    if(node[0][0]) st.clear();
                    else st.pop();
                }
            }
        }
    }
    public static void bfs(boolean[][] node){
        Queue<Integer> que = new LinkedList<>();
        node[v][0] = true;
        que.add(v);
        sb.append(v).append(' ');
        while(!que.isEmpty()){
            int target = que.poll();
            for(int i=1; i<=n; i++){
                node[0][0] = true;
                if(!node[i][0]){
                    if(!node[target][i]){
                        node[i][0] = true;
                        que.add(i);
                        sb.append(i).append(' ');
                    }
                    node[0][0] = false;
                }
            }
            if(node[0][0]) que.clear();
        }
    }
    public static boolean[][] copyNodeSet(){
        boolean[][] copy = new boolean[n+1][n+1];
        for(int i=0; i<n+1; i++) {
            for(int j=0; j<n+1; j++) {
                copy[i][j] = nodeSet[i][j];
            }
        }
        return copy;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String[] NMV = br.readLine().split(" ");
        n = Integer.parseInt(NMV[0]);
        m = Integer.parseInt(NMV[1]);
        v = Integer.parseInt(NMV[2]);
        nodeSet = new boolean[n+1][n+1];
        for(int i=0; i<n+1; i++){
            Arrays.fill(nodeSet[i], true);
        }
        for(int i=0; i<m; i++){
            String[] edge = br.readLine().split(" ");
            int n1 = Integer.parseInt(edge[0]);
            int n2 = Integer.parseInt(edge[1]);
            nodeSet[n1][0] = false;
            nodeSet[n2][0] = false;
            nodeSet[n1][n2] = false;
            nodeSet[n2][n1] = false;
        }
        dfs(copyNodeSet());
        sb.append('\n');
        bfs(copyNodeSet());
        System.out.println(sb);
    }
}

---

출처

• https://librewiki.net/wiki/%EC%8B%9C%EB%A6%AC%EC%A6%88:%EC%88%98%ED%95%99%EC%9D%B8%EB%93%AF_%EA%B3%BC%ED%95%99%EC%95%84%EB%8B%8C_%EA%B3%B5%ED%95%99%EA%B0%99%EC%9D%80_%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B3%BC%ED%95%99/%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98_%EA%B8%B0%EC%B4%88
• https://velog.io/@falling_star3/2.-%EA%B9%8A%EC%9D%B4%EC%9A%B0%EC%84%A0%ED%83%90%EC%83%89DFS%EA%B3%BC-%EB%84%93%EC%9D%B4%EC%9A%B0%EC%84%A0%ED%83%90%EC%83%89BFShttps://gmlwjd9405.github.io/2018/08/14/algorithm-dfs.html
• https://gmlwjd9405.github.io/2018/08/15/algorithm-bfs.html
• https://kwin0825.tistory.com/112?category=1252233
• https://kwin0825.tistory.com/111