拓扑排序的介绍和如何使用拓扑排序解决一个问题

拓扑排序是算法课经典内容之一，但是学的时候如果只是被动接收，那就很容易沦为“算法背诵”，很快就记忆模糊了。这一次同样的，我们从主动发明的出发点去搞清楚这个问题的机理，就很难遗忘了。

跟上回一样，从发明的角度，我们只要问两点：

(1) 我们想解决一个什么问题？

(2) 这个问题如何最好地解决？

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动机：前提关系

本文中我们想解决的各种问题，都有一个明确的共同范式：任务，和任务之间的先后顺序，或者说前提关系。有很多任务需要完成，其中有的任务开始之前，会要求某些前提任务首先被完成。

这样的具体例子很常见，生活中比如

先修课程：一系列课程，基础课可以随便修，想上稍微高级一点的课程可能会要求先修完若干门基础一点的课程。在这样“先修课程”的关系之下，怎么把一系列课全修完，就需要在顺序上有一些计划

计算机内部这样的情形更常见，比如：

软件包批量安装：安装很多软件包的时候，有的包会用到别的包，被用到就要先装，安装器就需要根据这些前提关系规划安装顺序

计算任务：设置复杂的计算任务的时候，有的计算需要用到别的计算的结果，计算框架的scheduler就需要理清这里面隐含的先后关系，才能所有结果全算出来

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问题

所以，对这个问题合理的抽象就是，有任务，也有任务之间的依赖关系，它们之间自然会形成一个dependency graph:

而我们想找出一种合理的任务顺序，按这个顺序依次完成任务，可以保证做到每件任务的时候，它的前提任务都已经被完成。上图中，比如 A-B-E-G-D-C-F。

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徒手体会

先徒手操作一下，对这个问题产生一些最直观认识。其实对于人来说，这个问题没什么难度，大可以边做边想。比如当你面对一堆课程的时候（例子来源于本人将在程序员末日2038年胡乱编纂的“从入门到放弃”系列精品课程）

首先总该有一些课是直接可以上的，比如图中“语言入门”和“数学基础”。你完全可以选一门上就好了，比如你选“数学基础”，上完之后这门就可以抛到脑后

顺便这也有可能为新的课打开了大门，比如现在就新可以上“数据结构和算法”了。所以直觉来看拓扑排序并没有什么难度，只要有耐心，谁都可以一步步顺着当前可以上的课上，成功地从入门到放弃（误）。

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初步解法

那么其实我们就已经可以有一个最原始的解法了，非常简单粗暴，但是至少可以给出正确的答案：每次重新审视这个图，一个一个检查还没完成的任务，如果哪一个任务的所有前提都已完成，下一个就做它，也就是，加入输出序列，并把这个新任务标记为完成。举例说明，比如说当你做到某一步时，来到了下图所示的这个情境中（灰色为已完成任务， 丑蓝为待完成任务）

你可以一个个检查有待完成的蓝色任务们。C，它还有前提任务D没有完成；D在等G；F也不行；G，诶，它的前提任务都已完成，好，那就它了。下一个输出G，并且把它标为已完成。

如此往复，最终总能把所有任务都有条不紊地完成。

作为最原始的解法，它的效率不高。但是这并没有关系，找到其中的浪费，一个个解决，自然就可以迭代出一个好的解法。

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优化：去掉浪费

浪费1

首先，“检查前提任务有没有都完成”这个步骤，可以简洁一点。每个结点可以一直记着自己还有几个前提任务没有完成（结点的入度）。比如下图，蓝色数字标注还剩几个前提任务

接下来，如果我们完成了A，可以去通知它的后继结点们 B 和 D，告诉它们入度可以减1了。这样，你只要看一个任务的未完成前提数有没有降到0，就知道这个任务是不是可做。

浪费2

我们的流程还有一个巨大的浪费：我们在重复寻找已ready（入度为0）的结点。接着 ↑上图↑ 的情形，我们发现A和G已经入度为0，处于ready状态；假设我们接下来选择做A，于是 B 和 D 入度减1：

然后下一轮的时候，我们还需要遍历所有蓝色结点，去寻找那些ready的吗？不需要：

我们上一轮就知道G的入度为0的，现在肯定没变过

只有 A 的后继 B 和 D 的入度发生了下降，其他的 C 和 F 这些结点完全没受影响，那它们的入度既然之前不是0，现在没变，肯定依然不是0

所以说，我们记着之前发现过的所有ready的结点，然后每次只需要在那些入度被更新的结点中寻找新的ready结点就够了。如此一来，我们去掉了大量的浪费，也得出了一个算法了——

维护一个所有ready结点组成的集合，每次从里面选一个结点完成，把它的后继的入度都减一，并在被更新的结点中找出新的ready结点，加入我们的集合。

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标准解法 BFS

这样子迭代优化出来的做法，其实就是拓扑排序所谓的BFS解法。我们用具体的例子直观地描述一遍。

初始化的时候，计算每个结点的入度，所有初始入度就为0的结点，都是处于ready状态的任务，加入我们的集合（图中标为丑绿）

接下来每一次，从绿色ready集里面随便拿一个结点出来，比如 A，这个任务已经处于ready状态，所以完成它（输出）；A任务完成以后，它的后继结点 B 和 D 的入度都可以去掉 1，如果有哪个后继结点在这个过程中入度降成了0 （比如B），那它也进入了ready状态，我们就顺手把它加入我们的ready集合。

如此这般，循环下去，每次找到下一个可以做的任务，可以一路把拓扑排序输出出来。

图看完了，再用迷幻的伪代码描述一下：

初始化1：每个结点把自己的入度数好 [乖巧]初始化2：建立一个ready集合，记录下哪些结点已经ready. 把一开始入度就为0的源点都加入集合接下来只要集合里还有结点：    1. 从集合里随便拿一个结点v出来    2. 把v输出，并且通知它的所有后继：你们的前提任务又少了一个，快把入度 -1    3. 在顺序通知的同时，如果哪个后继发现自己的前提任务因此全部达成（入度降到0），就把自己加入ready大家庭如此往复，就获得了这个图的一个拓扑排序。

这样一来，这个循环中，每条边都正好被用到一次（为什么？），浪费已经降到最小，我们知道已经达到效率最优解了。

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标准解法 DFS：目标导向

我很久以前首次接触这个问题的时候，发明的就是上面BFS的解法，因为它符合事物自然推进的顺序，“捡当前能做的东西做”。一直到大学的时候我才知道，原来有简便得多的方法，虽然理论复杂度相同，但想起来、写起来都要简洁很多，这就是拓扑排序的所谓DFS解法。非常有意思的是，这个解法来自于“从目标出发，一步步倒推”的结果导向型思路。

怎么说呢，就是面对一个dependency graph，我不是循序渐进捡ready的任务做，而是随手指一个结点，比如下图中的 “一个亿”

然后先将其确立一个小目标，别的什么都不想，只求完成我指定的这个任务。确立“一个亿”小目标之后，就要开始倒推了，为了能完成任务“一个亿”，我得先完成它的所有前提，就是“悔创阿里”和“不知妻美”，于是乎对于每一个前提任务，你也可以同样倒推（比如为了达成成就“不知妻美”，首先要做任务“普通人家”），依次去满足他们的前提条件，一直到倒推到没有前提的任务，或者之前已经完成的任务为止。

这个自我重复的流程非常适合递归。直接上迷幻的伪代码，大家感受一下它简洁的魅力

（所有结点上都应该有个标记，标该结点是否已完成/输出过）function 完成小目标(v)：    先看看v之前有没有被完成过    1. 已完成 → 打扰了，return    2. 未完成 → 好的，干它       a) 对于v的所有前提任务ui: 递归调用 完成小目标(ui)       b) 都完成之后，现在所有前提应该都已满足，就输出v，并标记为已完成

当然，为了获得全图的拓扑排序，我们还需要一个粗暴的循环——

对于图中所有结点v:    调用 完成小目标(v)

建议初次接触的朋友自己试几个结点感受一下，递归函数所倚靠的系统栈，如何就帮你把这个顺序问题全部解决了。

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思考：环

以上我们就介绍完了两种常见的拓扑排序算法。

但是接触过这个问题的人都知道，对于一个有向图，首先拓扑排序是否存在都得打个问号。之前的讨论中我刻意忽略了这个问题，因为对于初学者来说，同时操心太多头绪可能会干扰思考。现在，是时候把这个问题重新加入考虑，正好也作为对之前内容的进一步思维练习。

问题：拓扑排序什么时候根本就不存在呢？

当然，举出一个没有拓扑排序的例子不难——当两个任务直接或间接互为前提条件的时候，就没法完成了，比如：

这些时候，图中都有一个“环”的存在，循环调用，互为前提。

有环就没法拓扑排序，这个比较好理解。反过来的方向，有向图如果没有环就一定有拓扑排序，需要稍微数学一点的证明，为了保持本文的flow，就跳过留给有兴趣的人自己想了。

于是乎，我们有结论，拓扑排序一定建立在“有向无环图”之上。那么怎么在算法中检查环的存在呢？也就是说，我们面对的问题变得更一般了一些，现在任务不是给定有向无环图，找出一个拓扑排序，而是：

给定一个有向图，输出拓扑排序，或者判定图中有环。

BFS解法中加入判断

回顾一下刚才的BFS解法，我们是用一个集合/容器记着所有目前已经ready的结点，每次取出一个，输出，然后在它的后继中寻找新的ready结点加入集合。那么想象在一个有环的图中会出现什么呢？

没想明白的盆友可以先自己演绎一下。

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如果在我们之前的图中，将DE之间的边反向，则会出现图中红色标注的环。

按照之前的方法运行我们的BFS算法，可以成功完成A，然后B，之后会卡在图中所示的尴尬境地：没有入度为0的结点了，所有未完成任务都要求别的任务先完成，谁也不让谁，于是我们卡在这里再也进行不下去。

所以这就是BFS中我们判断环的标准：如果算法进行到某一步，还有未完成任务，但ready集合为空，即没有任务是ready的，则一定是有环把我们卡住了。

DFS解法中加入判断

如果DFS解法遇到了有环的情况，会发生什么？如果还是用上图的红色环为例，为了完成D，你会调用如下序列

完成小目标(D)

→ 完成小目标(A),

完成小目标(G)

→ 完成小目标(E)

→ 完成小目标(D)

→ ...

你会发现这个递归进入一个死循环。所以判断图中有没有环的方法，就是想办法去发现自己的递归流程有没有重复访问同一个结点。但这其中有一些细节需要思考，比如其实访问一个已访问过的结点很多时候也是正常的——结点被访问过可能是因为被之前某个任务完成了。所以可能需要我们想办法区分这两种情形。这是一个很有意思的问题，自己想明白会很有趣，所以我们照例在最后留一点想象空间，由有兴趣朋友自己思考品玩 :)