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在 **Dinic算法** 的 Python 实现中，我们使用了多个函数来实现最大流的计算。以下是每个函数的详细解析：
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### **1. `__init__(self, vertices)`**
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- **功能：** 初始化图，设置节点数量，初始化图的存储结构。
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- **参数：**
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- `vertices`: 图中顶点的数量 \(V\)。
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- **实现：**
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`self.graph` 是一个包含邻接列表的数组，每个节点的邻接列表保存了与该节点相连的边的信息。`self.level` 用于存储每个节点的层次信息，`self.ptr` 用于在 DFS 中标记每个节点的邻接边的遍历位置。
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### **2. `add_edge(self, u, v, capacity)`**
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- **功能：** 向图中添加一条边，并记录反向边的容量为 0。
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- **参数：**
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- `u`: 边的起点。
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- `v`: 边的终点。
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- `capacity`: 边的容量。
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- **实现：**
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1. 该函数将一条从 `u` 到 `v` 的边加入邻接表，并将边的容量设置为 `capacity`。
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2. 同时，加入一条反向边，即从 `v` 到 `u` 的边，容量初始化为 0。
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3. 每个边除了目标节点外，还记录反向边的索引，以便在增广流量时更新反向边的容量。
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### **3. `bfs(self, source, sink)`**
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- **功能：** 使用广度优先搜索（BFS）来构建层次图，并检查从源点 `source` 到汇点 `sink` 是否存在增广路径。
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- **参数：**
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- `source`: 源点。
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- `sink`: 汇点。
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- **返回：**
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- 如果从源点到汇点有增广路径，返回 `True`；否则返回 `False`。
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- **实现：**
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- BFS 在图中按层次进行搜索，层次较浅的节点先被访问。每次找到一个节点的邻接边可行且未被访问，则将该节点加入队列，并标记它的层次。
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- BFS 在搜索过程中会更新每个节点的层次信息，层次值是从源点到该节点的最短路径中包含的边的数量。
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- 一旦找到汇点，说明从源点到汇点存在增广路径，返回 `True`，否则返回 `False`。
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### **4. `dfs(self, u, sink, flow)`**
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- **功能：** 使用深度优先搜索（DFS）沿着分层图寻找增广路径，并沿路径更新流量。
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- **参数：**
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- `u`: 当前节点。
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- `sink`: 汇点。
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- `flow`: 当前可以通过路径传输的最大流量。
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- **返回：**
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- 如果找到增广路径，返回增广路径的流量。
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- 如果没有找到增广路径，返回 0。
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- **实现：**
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- DFS 在分层图中搜索增广路径，保证增广路径的流量是沿着层次递增的方向传递的。
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- 每次递归时，通过遍历节点 `u` 的邻接边，检查每条边的容量。如果该边的容量大于 0 且目标节点的层次比当前节点大 1，则继续递归进行流量传递。
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- 如果找到增广路径，更新路径上的边的流量，并返回该路径的流量。
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- 如果 DFS 没有找到增广路径，返回 0。
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### **5. `dinic(self, source, sink)`**
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- **功能：** 执行 Dinic 算法，通过多轮分层图和增广路径更新流量，计算从源点 `source` 到汇点 `sink` 的最大流量。
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- **参数：**
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- `source`: 源点。
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- `sink`: 汇点。
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- **返回：**
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- 返回最大流量。
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- **实现：**
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1. 初始化 `max_flow` 为 0，表示当前已找到的最大流量。
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2. 进入一个循环，直到找不到增广路径为止：
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- 使用 BFS 构建层次图。
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- 如果 BFS 返回 `True`（存在增广路径），则使用 DFS 进行增广，更新流量。
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- 每次找到增广路径后，更新 `max_flow`。
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3. 当 BFS 无法找到增广路径时，算法终止，返回 `max_flow` 作为最大流。
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### **总结**
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- `__init__`: 初始化图的结构。
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- `add_edge`: 添加边并记录反向边。
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- `bfs`: 构建层次图，寻找增广路径。
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- `dfs`: 在分层图中执行深度优先搜索，更新流量。
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- `dinic`: 执行 Dinic 算法的主函数，通过多轮增广计算最大流。
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### **算法工作流程**
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1. **构建层次图（BFS）**：用 BFS 来构建源点到汇点的分层图，将节点分层，保证增广路径的流量传递顺序。
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2. **查找增广路径（DFS）**：使用 DFS 在分层图中找增广路径，并沿路径传递流量。
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3. **多轮增广**：每次更新流量，直到无法找到增广路径为止。
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Dinic算法通过分层图的优化和分段增广策略，减少了冗余的路径搜索，提高了算法效率。 |