$\newcommand{\O}{\mathrm{O}}$
有向グラフ内に含まれるすべての単純サイクルを列挙するアルゴリズム.
単純サイクルの数は頂点 $n$ に関して指数的に増えうるため多項式時間アルゴリズムは望めないが,
以下のアルゴリズムは有向グラフ内に存在する単純サイクルの個数に依存した効率の良い output-sensitive なアルゴリズムとなっている.
また無向グラフに含まれる単純サイクルについても列挙されたサイクルから長さ 2 のサイクルおよび時計回り, 反時計回りの重複を除くことで正しく列挙することができる.
元論文は "Finding All the Elementary Circuits of a Directed Graph" [Johnson 1975]
(注) 実装は多重辺が存在しないことを仮定している.
(関数)
solve(bool enumerate=true): 単純サイクルの個数を返す. enumerate=true なら全ての単純サイクルを ans に格納する.
時間計算量 $\O ((n + m)(C + 1))$ ($C$ はグラフ内に含まれる単純サイクルの数とする.)
// 多重辺が存在しないことを仮定 class FindingAllCycles { private: struct node { int prev, next, to; node(const int _prev, const int _next, const int _to) : prev(_prev), next(_next), to(_to){} }; const int V; vector<vector<node> > G; vector<stack<int> > block_stack; stack<int> st; bool *fix, *blocked, *used; bool enumerate; void erase_edge(const int u, const int id){ G[u][G[u][id].next].prev = G[u][id].prev; G[u][G[u][id].prev].next = G[u][id].next; } void scc_dfs(const int u, int& tm, int& cnt, vector<int>& ord, vector<int>& low, vector<int>& cmp, stack<int>& st){ ord[u] = low[u] = tm++, st.push(u); for(int id = G[u][0].next; id != 0; id = G[u][id].next){ const int v = G[u][id].to; if(ord[v] < 0){ scc_dfs(v, tm, cnt, ord, low, cmp, st); low[u] = min(low[u], low[v]); }else if(cmp[v] < 0){ low[u] = min(low[u], ord[v]); } if(cmp[v] >= 0) erase_edge(u, id); } if(ord[u] == low[u]){ while(true){ const int v = st.top(); st.pop(), cmp[v] = cnt; if(v == u) break; } ++cnt; } } void scc(){ vector<int> ord(V, -1), low(V), cmp(V, -1); stack<int> st; int tm = 0, cnt = 0; for(int i = 0; i < V; ++i){ if(ord[i] < 0) scc_dfs(i, tm, cnt, ord, low, cmp, st); } } void unblock(const int u){ blocked[u] = false; while(!block_stack[u].empty()){ const int v = block_stack[u].top(); block_stack[u].pop(); if(blocked[v]) unblock(v); } } bool dfs(const int u, const int s, vector<int>& path, vector<int>& ver_list){ bool flag = false; path.push_back(u); blocked[u] = true; if(!used[u]) used[u] = true, ver_list.push_back(u); for(int id = G[u][0].next; id != 0; id = G[u][id].next){ const int v = G[u][id].to; if(fix[v]){ erase_edge(u, id); continue; } if(v == s){ if(enumerate) ans.push_back(path); ++count, flag = true; }else if(!blocked[v]){ if(dfs(v, s, path, ver_list)) flag = true; } } if(flag) unblock(u); else{ for(int id = G[u][0].next; id != 0; id = G[u][id].next){ block_stack[G[u][id].to].push(u); } } path.pop_back(); return flag; } public: vector<vector<int> > ans; int count; FindingAllCycles(const int node_size) : V(node_size), G(V, vector<node>{{0, 0, -1}}), block_stack(V), fix(new bool[V]()), blocked(new bool[V]()), used(new bool[V]()), count(0){} ~FindingAllCycles(){ delete[] fix, delete[] blocked, delete[] used; } void add_edge(const int u, const int v){ if(u == v){ ans.push_back({u}); return; } G[u][0].prev = G[u].back().next = (int)G[u].size(); G[u].push_back((node){(int)G[u].size() - 1, 0, v}); } int solve(bool _enumerate=true){ scc(); enumerate = _enumerate; for(int i = 0; i < V; ++i){ vector<int> path, ver_list; dfs(i, i, path, ver_list); fix[i] = true; for(int j : ver_list){ used[j] = blocked[j] = false, block_stack[j] = stack<int>(); } } return count; } };
Codeforces : Counting Cycles 提出コード(非想定解)