一尘不染

为什么深度优先搜索声称可以节省空间?

algorithm

在我正在学习的算法课程中,据说 深度优先搜索 (DFS)比 广度优先搜索 (BFS)的空间效率要高得多。

这是为什么?

尽管他们基本上在做相同的事情,但是在DFS中我们堆叠了当前节点的后继者,而在BFS中我们正在排队后继者。


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2020-07-28

共1个答案

一尘不染

您之所以困惑,是因为您显然假设可以通过使用LIFO堆栈替换FIFO队列来从BFS算法获得DFS算法。

这是一个普遍的误解-事实并非如此。无法通过将BFS队列替换为堆栈来获得经典的DFS算法。这些算法之间的差异要大得多。

如果您采用BFS算法,而只是用LIFO堆栈替换FIFO队列,则将获得可以称为 伪DFS
算法的内容。该伪DFS算法确实可以正确地重现DFS顶点的正向遍历序列,但是它不具有DFS空间效率,并且不支持DFS反向遍历(回溯)。

同时,通过这种幼稚的队列到堆栈替换无法从BFS获得真正的经典DFS。经典的DFS是完全不同的算法,其核心结构明显不同。True DFS是一种真正的 递归
算法,使用堆栈进行 回溯 ,而不是用于存储顶点发现“
front”(就像BFS一样)。最直接的后果是,在DFS算法中,最大堆栈深度等于DFS遍历中距原点的最大距离。在BFS算法中(如上述伪DFS),最大队列大小等于最大顶点发现前沿的宽度。

最显眼和极端的例子说明了DFS和BFS(以及伪DFS)之间的峰值内存消耗差异,这是一个星图:一个中心顶点被大量(例如1000)外围顶点包围,并且每个外围顶点通过一条边连接到中心顶点。如果您使用中心顶点作为原点在此图上运行BFS,则队列大小将立即跳至1000。如果使用伪DFS(即,简单地将队列替换为堆栈),则显然会发生相同的事情。但是经典的DFS算法只需要1(!)的堆栈深度即可遍历整个图形。看到不同?10001。这就是DFS更好的空间效率的意思。

基本上,请阅读有关算法的任何书籍,找到对经典DFS的描述,并查看其工作原理。您会注意到,BFS和DFS之间的区别远比单纯的队列vs.堆栈大得多。

PS还应该说,可以构建一个图表示例,该图表在BFS下的峰值内存消耗较小。因此,关于DFS更好的空间效率的陈述应被视为可以“平均”应用于某些隐含的“漂亮”图类。

2020-07-28