ProjektGraph/graph/DirectedGraph.java

package graph;

import OurApplication.OurAlgorithm;
import OurApplication.OurLogElement;
import logging.LogElementList;
import visualizationElements.Edge;
import visualizationElements.EdgeStyle;
import visualizationElements.Vertex;

import java.awt.*;
import java.io.*;
import java.util.HashMap;
import java.util.Objects;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Vector;

public class DirectedGraph<T extends VertexMarking, U extends EdgeMarking> extends Graph<T, U> {

    // ATTRIBUTE

    private visualizationElements.Graph screenGraph;
    private LogElementList<OurLogElement> logList;


    // KONSTRUKTOREN

    public DirectedGraph() {
        super();
        this.screenGraph = new visualizationElements.Graph(new Vector<Vertex>(), new Vector<Edge>(), true, EdgeStyle.Direct);
        this.logList = new LogElementList<OurLogElement>();
    }


    public DirectedGraph(String s) {
        super(s);
        this.screenGraph = new visualizationElements.Graph(new Vector<Vertex>(), new Vector<Edge>(), true, EdgeStyle.Direct);
        this.logList = new LogElementList<OurLogElement>();
    }


    // GET-ER

    public visualizationElements.Graph getScreenGraph() {
        return this.screenGraph;
    }

    public visualizationElements.Graph getScreenGraphCopy() {
        visualizationElements.Graph graphCopy = new visualizationElements.Graph(new Vector<Vertex>(), new Vector<Edge>(), true, EdgeStyle.Direct);
        Vector<visualizationElements.Vertex> copiedVertexes = new Vector<>();
        Vector<visualizationElements.Edge> copiedEdges = new Vector<>();
        for (visualizationElements.Vertex vertexCopy : this.screenGraph.getVertexes()) {
            visualizationElements.Vertex newCopiedVertex = new visualizationElements.Vertex(vertexCopy.getXpos(), vertexCopy.getYpos(), vertexCopy.getMarking(), vertexCopy.getColor());
            copiedVertexes.add(newCopiedVertex);
            graphCopy.setVertexes(copiedVertexes);
        }
        for (visualizationElements.Edge edgeCopy : this.screenGraph.getEdges()) {
            visualizationElements.Edge newCopiedEdge = new visualizationElements.Edge(edgeCopy.getSource(), edgeCopy.getDestination(), edgeCopy.getMarking(), edgeCopy.getColor());
            copiedEdges.add(newCopiedEdge);
            graphCopy.setEdges(copiedEdges);
        }
        return graphCopy;
    }


    public LogElementList<OurLogElement> getLogList() {
        return this.logList;
    }


    // HINZUFÜGEN

    // Kante hinzufügen
    public void addEdge(MarkedEdge<U> e) {
        super.addEdge(e);
        this.screenGraph.getEdges().add(e.getScreenEdge());
    }


    // Knoten hinzufügen
    public void addVertex(MarkedVertex<T> n) {
        super.addVertex(n);
        this.screenGraph.getVertexes().add(n.getScreenVertex());
    }


    // LÖSCHEN

    // Kante löschen
    public void removeEdge(MarkedEdge<U> e) {
        super.removeEdge(e);
        this.screenGraph.getEdges().remove(e.getScreenEdge());
    }


    // Knoten löschen
    public void removeVertex(MarkedVertex<T> n) {
        super.removeVertex(n);
        this.screenGraph.getVertexes().remove(n.getScreenVertex());
    }


    // KNOTEN EIGENSCHAFTEN

    // Prüfung, ob zwei Knoten stark adjazent sind
    public boolean areStrongAdjacent(MarkedVertex<T> n1, MarkedVertex<T> n2) {
        boolean n1ton2 = false;
        boolean n2ton1 = false;
        for (MarkedEdge<U> i: this.getAllEdges()) {
            if (i.getSource() == n1 && i.getDestination() == n2) {
                n1ton2 = true;
            } else if (i.getSource() == n2 && i.getDestination() == n1) {
                n2ton1 = true;
            }
        }
        return (n1ton2 && n2ton1);
    }


    public boolean areStrongAdjacent(String s1, String s2) throws NameDoesNotExistException {
        MarkedVertex<T> n1 = null;
        MarkedVertex<T> n2 = null;
        for (MarkedVertex<T> i: this.getAllVertexes()) {
            if (Objects.equals(i.getName(), s1)) {
                n1 = i;
            } else if (Objects.equals(i.getName(), s2)) {
                n2 = i;
            }
        }
        if (n1 == null || n2 == null) {
            throw new NameDoesNotExistException("One of the Vertexes might not exist");
        } else {
            return areStrongAdjacent(n1, n2);
        }
    }


    // Prüfung des Eingangsgrades eines Knotens
    public int inDegree(MarkedVertex<T> n) {
        int degree = 0;
        for (MarkedEdge<U> i: this.getAllEdges()) {
            if (i.getDestination() == n) {
                degree += 1;
            }
        }
        return degree;
    }


    public int inDegree(String s) throws NameDoesNotExistException{
        for (MarkedVertex<T> i: this.getAllVertexes()) {
            if (Objects.equals(i.getName(), s)) {
                return inDegree(i);
            }
        }
        throw new NameDoesNotExistException("One of the Vertexes might not exist");
    }


    // Prüfung des Ausgangsgrades eines Knotens
    public int outDegree(MarkedVertex<T> n) {
        int degree = 0;
        for (MarkedEdge<U> i: this.getAllEdges()) {
            if (i.getSource() == n) {
                degree += 1;
            }
        }
        return degree;
    }


    public int outDegree(String s) throws NameDoesNotExistException{
        for (MarkedVertex<T> i: this.getAllVertexes()) {
            if (Objects.equals(i.getName(), s)) {
                return outDegree(i);
            }
        }
        throw new NameDoesNotExistException("One of the Vertexes might not exist");
    }


    // Prüfung, welche Knoten Vorgänger sind
    public Vector<MarkedVertex<T>> getPredecessors(MarkedVertex<T> n) {
        Vector<MarkedVertex<T>> predecessors = new Vector<>();
        for (MarkedEdge<U> i: this.getAllEdges()) {
            if (i.getDestination() == n) {
                predecessors.add((MarkedVertex<T>) i.getSource());
            }
        }
        return predecessors;
    }


    // Prüfung, welche Knoten Nachfolger sind
    public Vector<MarkedVertex<T>> getSuccessors(MarkedVertex<T> n) {
        Vector<MarkedVertex<T>> successors = new Vector<>();
        for (MarkedEdge<U> i: this.getAllEdges()) {
            if (i.getSource() == n) {
                successors.add((MarkedVertex<T>) i.getDestination());
            }
        }
        return successors;
    }


    // AUFGABE 2

    // Dijkstra-Algorithmus
    public int getShortestPathDijkstra(MarkedVertex<T> n1, MarkedVertex<T> n2) {

        // Erstellt Hashmap um Distanz von Startnoten zu jedem Knoten auf dem Graph zu tracken
        // Erstellt Hashmap um zu tracken welche Knoten schon besucht wurden
        // Initialisierung aller Distanzen auf UNENDLICH (= -1)
        // Initialisierung, dass kein Knoten besucht wurde
        HashMap<MarkedVertex<T>, Integer> distance = new HashMap<>();
        HashMap<MarkedVertex<T>, Boolean> visited = new HashMap<>();
        for (MarkedVertex<T> i: this.getAllVertexes()) {
            distance.put(i, -1);
            visited.put(i, false);
        }

        // Erstelle Schlange wo die nächsten Verbindungen drin sind
        PriorityQueue<WrapperElement<T>> queue = new PriorityQueue<>(new WrapperComparator<T>());

        // Distanz zu Startknoten auf 0
        // Weg zu Startknoten in die Schlange aufnehmen
        distance.put(n1, 0);
        queue.add(new WrapperElement<>(n1, 0));

        // Variable, die Distanz zwischen aktuellem Knoten und Nachfolger speichert
        int dist = 0;
        // Zähler für LogList
        int step = 0;

        // Färben der Start und Ziel Knoten für Visualisierung + hinzufügen zur LogList
        n1.getScreenVertex().setColor(Color.RED);
        n2.getScreenVertex().setColor(Color.RED);
        this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));

        while (!queue.isEmpty()) {
            // Den nächsten Knoten, der am wenigsten kostet, besuchen
            WrapperElement<T> nextVertex = queue.poll();

            // Knoten als besucht makieren
            visited.put(nextVertex.getElement(), true);


            // Logging
            System.out.println("Visit " + nextVertex.getElement().getName());
            nextVertex.getElement().getScreenVertex().setColor(Color.BLUE);
            this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));


            // Gehe von diesem Knoten aus alle erreichbaren Knoten durch
            for (MarkedVertex<T> i: this.getSuccessors(nextVertex.getElement())) {

                // Kante finde, die den jetzigen und nächsten Knoten verbindet
                for (MarkedEdge<U> j: this.getAllEdges()) {
                    if (j.getSource() == nextVertex.getElement() && j.getDestination() == i) {

                        // Berechne Distanz zu nächstem Knoten
                        dist = distance.get(nextVertex.getElement()) + j.getWeighting();
                        break;
                    }
                }

                // Wenn es schon einen kürzeren Weg zum Knoten gibt, überspringen
                if ((distance.get(i) <= dist && distance.get(i) != -1) || visited.get(i)) {
                    continue;
                }

                // Aktualisiere Distanz von Start zu nächstem Knoten
                distance.put(i, dist);

                // Logging
                System.out.println("Add " + i.getName() + " with " + dist + " weight to queue.");
                nextVertex.getElement().getScreenVertex().setColor(Color.YELLOW);
                this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));

                // Nehme nächsten Knoten in die Queue auf
                queue.add(new WrapperElement<>(i, dist));
            }
        }

        System.out.println("Done");
        // Gibt Distanz zu gefragtem Knoten zurück
        return distance.get(n2);
    }



    public int getShortestPathAStar(MarkedVertex<T> n1, MarkedVertex<T> n2) {

        // Erstellt Hashmap um Distanz von Startnoten zu jedem Knoten auf dem Graph zu tracken
        // Erstellt Hashmap um zu tracken welche Knoten schon besucht wurden
        // Initialisierung aller Distanzen auf UNENDLICH (= -1)
        // Initialisierung, dass kein Knoten besucht wurde
        HashMap<MarkedVertex<T>, Integer> distance = new HashMap<>();
        HashMap<MarkedVertex<T>, Boolean> visited = new HashMap<>();
        for (MarkedVertex<T> i: this.getAllVertexes()) {
            distance.put(i, -1);
            visited.put(i, false);
        }

        // Erstelle Schlange wo die nächsten Verbindungen drin sind
        PriorityQueue<WrapperElement<T>> queue = new PriorityQueue<>(new WrapperComparator<T>());

        // Distanz zu Startknoten auf 0
        // Weg zu Startknoten in die Schlange aufnehmen
        distance.put(n1, 0);
        queue.add(new WrapperElement<>(n1, 0));

        // Variable, die Distanz zwischen aktuellem Knoten und Nachfolger speichert
        int dist = 0;
        // Variable, die Distanz zwischen dem potenziell nächsten Knoten und dem Zielknoten speichert
        int airDist = 0;
        // Zähler für LogList
        int step = 0;

        // Färben der Start und Ziel Knoten für Visualisierung + hinzufügen zur LogList
        n1.getScreenVertex().setColor(Color.RED);
        n2.getScreenVertex().setColor(Color.RED);
        this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));

        while (!queue.isEmpty()) {
            // Den nächsten Knoten, der am wenigsten kostet, besuchen
            WrapperElement<T> nextVertex = queue.poll();

            // Knoten als besucht makieren
            visited.put(nextVertex.getElement(), true);


            // Logging
            System.out.println("Visit " + nextVertex.getElement().getName());
            nextVertex.getElement().getScreenVertex().setColor(Color.BLUE);
            this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));


            // Gehe von diesem Knoten aus alle erreichbaren Knoten durch
            for (MarkedVertex<T> i: this.getSuccessors(nextVertex.getElement())) {

                // Kante finde, die den jetzigen und nächsten Knoten verbindet
                for (MarkedEdge<U> j: this.getAllEdges()) {
                    if (j.getSource() == nextVertex.getElement() && j.getDestination() == i) {

                        //Berechnung der Heuristik über die Luftdistanz des nächsten Knoten zum Zielknoten
                        airDist = (int) Math.sqrt(Math.pow((i.getCords()[0] - n2.getCords()[0]), 2)
                                        + Math.pow((i.getCords()[1] - n2.getCords()[1]), 2));

                        // Berechne Distanz zu nächstem Knoten
                        dist = distance.get(nextVertex.getElement()) + j.getWeighting() + airDist;
                        break;
                    }
                }

                // Wenn es schon einen kürzeren Weg zum Knoten gibt, überspringen
                if ((distance.get(i) <= dist && distance.get(i) != -1) || visited.get(i)) {
                    continue;
                }

                // Aktualisiere Distanz von Start zu nächstem Knoten
                distance.put(i, dist);

                // Logging
                System.out.println("Add " + i.getName() + " with " + dist + " weight to queue.");
                nextVertex.getElement().getScreenVertex().setColor(Color.YELLOW);
                this.logList.add(new OurLogElement(step, "Step: " + step, 0, this.getScreenGraphCopy()));

                // Nehme nächsten Knoten in die Queue auf
                queue.add(new WrapperElement<>(i, dist));
            }
        }

        System.out.println("Done");
        // Gibt Distanz zu gefragtem Knoten zurück
        return distance.get(n2);
    }
}