Breadth-First Search (BFS)

Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Miriam Antona

Software engineer

Breadth-First Search – Binärbäume

  • Startet an der Wurzel
  • Besucht alle Knoten jeder Ebene

Grafische Darstellung von Breadth-First Search auf einem binären Suchbaum.

Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):

if self.root:
visited_nodes = []
bfs_queue = queue.SimpleQueue()

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes:
  • bfs_queue:
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)

while not bfs_queue.empty():

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes:
  • bfs_queue: 65
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()






Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes:
  • bfs_queue:
  • current_node: 65
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):

if self.root: visited_nodes = [] bfs_queue = queue.SimpleQueue() bfs_queue.put(self.root) while not bfs_queue.empty(): current_node = bfs_queue.get() visited_nodes.append(current_node.data)
if current_node.left:

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65
  • bfs_queue:
  • current_node: 65
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):

if self.root: visited_nodes = [] bfs_queue = queue.SimpleQueue() bfs_queue.put(self.root) while not bfs_queue.empty(): current_node = bfs_queue.get() visited_nodes.append(current_node.data) if current_node.left: bfs_queue.put(current_node.left)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65
  • bfs_queue: 20
  • current_node: 65
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65
  • bfs_queue: 20, 70
  • current_node: 65
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65
  • bfs_queue: 70
  • current_node: 20
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20
  • bfs_queue: 70
  • current_node: 20
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20
  • bfs_queue: 70, 10
  • current_node: 20
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20
  • bfs_queue: 70, 10, 22
  • current_node: 20
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20
  • bfs_queue: 10, 22
  • current_node: 70
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70
  • bfs_queue: 10, 22
  • current_node: 70
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70
  • bfs_queue: 10, 22, 68
  • current_node: 70
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70
  • bfs_queue: 10, 22, 68, 75
  • current_node: 70
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10
  • bfs_queue: 22, 68, 75
  • current_node: 10
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10
  • bfs_queue: 68, 75
  • current_node: 22
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10, 22
  • bfs_queue: 68, 75
  • current_node: 22
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10, 22, 68
  • bfs_queue: 75
  • current_node: 68
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10, 22, 68
  • bfs_queue:
  • current_node: 75
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10, 22, 68, 75
  • bfs_queue:
  • current_node: 75
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Binärbäume

  def bfs(self):
    if self.root:
      visited_nodes = []
      bfs_queue = queue.SimpleQueue()
      bfs_queue.put(self.root)
      while not bfs_queue.empty():
        current_node = bfs_queue.get()
        visited_nodes.append(current_node.data)
        if current_node.left:
          bfs_queue.put(current_node.left)
        if current_node.right:
          bfs_queue.put(current_node.right)
    return visited_nodes
  • Komplexität: $O(n)$

Grafische Darstellung eines binären Suchbaums.

  • visited_nodes: 65, 20, 70, 10, 22, 68, 75
  • bfs_queue:
  • current_node: 75
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Graphen

  • Graphen können Zyklen haben
    • Prüfen, ob Knoten schon besucht wurden
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Graphen

def bfs(graph, initial_vertex):

visited_vertices = []
bfs_queue = queue.SimpleQueue()
bfs_queue.put(initial_vertex)
visited_vertices.append(initial_vertex)
while not bfs_queue.empty():
current_vertex = bfs_queue.get()
for adjacent_vertex in graph[current_vertex]:
if adjacent_vertex not in visited_vertices:
visited_vertices.append(adjacent_vertex)
bfs_queue.put(adjacent_vertex)
return visited_vertices
  • Komplexität: $O(V+E)$
    • $V$ -> Anzahl der Knoten
    • $E$ -> Anzahl der Kanten
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

Breadth-First Search – Graphen

Grafische Darstellung von Breadth-First Search auf einem Graphen.

Datenstrukturen und Algorithmen in Python

BFS vs. DFS

BFS

  • Ziel liegt nah am Startknoten
  • Anwendungen:
    • Webcrawling
    • Kürzester Weg in ungewichteten Graphen
    • Verbundene Orte per GPS finden
    • Baustein komplexerer Algorithmen

DFS

  • Ziel liegt weit vom Startknoten entfernt
  • Anwendungen:
    • Rätsel mit nur einer Lösung (z. B. Labyrinthe)
    • Zyklen in Graphen erkennen
    • Kürzester Weg in gewichteten Graphen
    • Baustein komplexerer Algorithmen
Datenstrukturen und Algorithmen in Python

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