Kosaraju 算法检测有向图的强连通性

给定一个有向图 G = (V, E) ,对于任意一对顶点 u 和 v,有 u --> v 和 v --> u,亦即,顶点 u 和 v 是互相可达的,则说明该图 G 是强连通的(Strongly Connected)。如下图中,任意两个顶点都是互相可达的。

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对于无向图,判断图是否是强连通的,可以直接使用深度优先搜索(DFS)广度优先搜索(BFS),从任意一个顶点出发,如果遍历的结果包含所有的顶点,则说明图是强连通的。

而对于有向图,则不能使用 DFS 或 BFS 进行直接遍历来判断。如下图中,如果从顶点 0 开始遍历则可判断是强连通的,而如果从其它顶点开始遍历则无法抵达所有节点。

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那么,该如何判断有向图的强连通性呢?

实际上,解决该问题的较好的方式就是使用强连通分支算法(SCC:Strongly Connected Components),可以在 O(V+E) 时间内找到所有的 SCC。如果 SCC 的数量是 1,则说明整个图是强连通的。

有向图 G = (V, E) 的一个强连通分支是一个最大的顶点集合 C,C 是 V 的子集,对于 C 中的每一对顶点 u 和 v,有 u --> v 和 v --> u,亦即,顶点 u 和 v 是互相可达的。

实现 SCC 的一种算法就是 Kosaraju 算法。Kosaraju 算法基于深度优先搜索(DFS),并对图进行两次 DFS 遍历,算法步骤如下:

  1. 初始化设置所有的顶点为未访问的;
  2. 从任意顶点 v 开始进行 DFS 遍历,如果遍历结果没有访问到所有顶点,则说明图不是强连通的;
  3. 置换整个图(Reverse Graph);
  4. 设置置换后的图中的所有顶点为未访问过的;
  5. 从与步骤 2 中相同的顶点 v 开始做 DFS 遍历,如果遍历没有访问到所有顶点,则说明图不是强连通的,否则说明图是强连通的。

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