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Python 使用 NetworkX_python networkx

作者：很楠不爱3 | 2024-04-25 23:12:20

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python networkx

Python 使用 NetworkX

说明：本篇文章主要讲述 python 使用 networkx 绘制有向图；

1. 介绍&安装

NetworkX 是一个用于创建、操作和研究复杂网络的 Python 库。它提供了丰富的功能，可以帮助你创建、分析和可视化各种类型的网络，例如社交网络、Web图、生物网络等。NetworkX 可以用来创建各种类型的网络，包括有向图和无向图。它提供了各种方法来添加、删除和修改网络中的节点和边。你可以使用节点和边的属性来进一步描述网络的特性。

NetworkX 还提供了许多图的算法和分析工具。你可以使用这些工具来计算各种网络指标，比如节点的度、网络的直径、最短路径等。你还可以使用它来发现社区结构、进行图的聚类分析等。

除了功能强大的操作和分析工具，NetworkX还提供了多种方式来可视化网络。你可以使用它来绘制网络的节点和边，设置节点的颜色、尺寸和标签等。

总的来说，NetworkX是一个功能丰富、灵活易用的Python库，用于创建、操作和研究各种类型的复杂网络。无论你是在进行学术研究、数据分析还是网络可视化，NetworkX都是一个不错的选择。

安装

pip install networkx

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2. 简单的有向图绘制

简单的类展示

import networkx as nx  # 导入 NetworkX 工具包
# 创建 图
G1 = nx.Graph()  # 创建：空的 无向图
G2 = nx.DiGraph()  #创建：空的 有向图
G3 = nx.MultiGraph()  #创建：空的 多图
G4 = nx.MultiDiGraph()  #创建：空的 有向多图

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三节点有向图的绘制

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 创建有向图对象, 创建空的有向图的对象
G = nx.DiGraph()

# 2. 添加节点
G.add_node('A')
G.add_node('B')
G.add_node('C')

# 3. 添加有向边
G.add_edge('A', 'B')
G.add_edge('B', 'C')

# 4. 进行图的绘制
pos = nx.spring_layout(G)  # 选择布局算法;
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
plt.show()

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绘制分支节点的有向图

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 创建有向图对象, 创建空的有向图的对象
G = nx.DiGraph()

# 2. 添加节点
G.add_node('A')
G.add_node('B')
G.add_node('C')
G.add_node('D')
G.add_node('E')

# 3. 添加有向边
G.add_edge('A', 'B')
G.add_edge('B', 'C')
G.add_edge('B', 'D')
G.add_edge('C', 'E')


# 4. 进行图的绘制
pos = nx.spring_layout(G)  # 选择布局算法;
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
plt.show()

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3.有向图的遍历

三节点有向图的遍历

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 创建有向图对象, 创建空的有向图的对象
G = nx.DiGraph()

# 2. 添加节点
G.add_node('A')
G.add_node('B')
G.add_node('C')
# G.add_node('D')
# G.add_node('E')

# 3. 添加有向边
G.add_edge('A', 'B')
G.add_edge('B', 'C')
# G.add_edge('B', 'D')
# G.add_edge('C', 'E')

# 4. 进行图的绘制
pos = nx.spring_layout(G)  # 选择布局算法;
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
plt.show()

# 5. 有向图的遍历
print(G.nodes)  # 节点列表, 输出节点 列表
for node in G.nodes():
    print("节点>>>", node)

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绘制分支节点图形的输出

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 创建有向图对象, 创建空的有向图的对象
G = nx.DiGraph()

# 2. 添加节点
G.add_node('A')
G.add_node('B')
G.add_node('C')
G.add_node('D')
G.add_node('E')

# 3. 添加有向边
G.add_edge('A', 'B')
G.add_edge('B', 'C')
G.add_edge('B', 'D')
G.add_edge('C', 'E')

# 4. 进行图的绘制
pos = nx.spring_layout(G)  # 选择布局算法;
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
plt.show()

# 5. 有向图的遍历
print(G.nodes)  # 节点列表
# print(G.edges)  # 边列表, [('A', 'B'), ('B', 'C'), ('B', 'D'), ('C', 'E')]
for node in G.nodes():
    print("节点>>>", node)
    in_degree = G.in_degree(node)
    print("入度:", in_degree)
    # 获取节点的出度
    out_degree = G.out_degree(node)
    print("出度:", out_degree)
    # 获取节点的邻居节点
    neighbors = G.neighbors(node)
    print("邻居节点:", list(neighbors))

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4.带权重的边

本章节的内容主要展示带权重的边的绘制，并且求取出最大值和最小值；

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 创建有向图
G = nx.DiGraph()
# 直接创建边, 自动添加两个节点, 并且设置边的权重
G.add_edge('A', 'B', weight=3)
G.add_edge('B', 'C', weight=5)
G.add_edge('C', 'D', weight=2)
G.add_edge('C', 'E', weight=5)

pos = nx.spring_layout(G)
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
# 获取边的权重
labels = nx.get_edge_attributes(G, 'weight')
# 绘制带有权重的边
nx.draw_networkx_edge_labels(G, pos, edge_labels=labels)

plt.show()
# 获取边的权重值列表
weights = nx.get_edge_attributes(G, 'weight').values()
print("边的权重值列表>>>", weights)
max_weight = max(weights)
min_weight = min(weights)

print("最大权重的边:", max_weight)
print("最小权重的边:", min_weight)

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求取图形中得最短路径

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt


def get_shortest_path(graph, source, target):
    try:
        shortest_path = nx.shortest_path(graph, source, target)
        return shortest_path
    except nx.exception.NetworkXNoPath:
        return "不存在最短路径"


def get_longest_path(graph, source, target):
    all_paths = nx.all_simple_paths(graph, source, target)
    longest_path = max(all_paths, key=len)
    return longest_path


# 创建有向图
G = nx.DiGraph()
G.add_edge('A', 'B')
G.add_edge('A', 'C')
G.add_edge('B', 'C')
G.add_edge('B', 'D')
G.add_edge('C', 'D')
pos = nx.spring_layout(G)  # 选择布局算法;
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
plt.show()
# 求取最短路径
shortest_path = get_shortest_path(G, 'A', 'D')
print("最短路径:", shortest_path)

# 求取最长路径
longest_path = get_longest_path(G, 'A', 'D')
print("最长路径:", longest_path)

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按照权重求最短路径&最长路径

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# 创建有向带权重图
G = nx.DiGraph()
G.add_edge('A', 'B', weight=3)
G.add_edge('A', 'C', weight=5)
G.add_edge('B', 'C', weight=2)
G.add_edge('B', 'D', weight=4)
G.add_edge('C', 'D', weight=1)
pos = nx.spring_layout(G)
nx.draw(G, pos, with_labels=True)
# 获取边的权重
labels = nx.get_edge_attributes(G, 'weight')
# 绘制带有权重的边
nx.draw_networkx_edge_labels(G, pos, edge_labels=labels)

plt.show()

# 按照权重求取最短路径
shortest_path = nx.dijkstra_path(G, 'A', 'D', weight='weight')
shortest_distance = nx.dijkstra_path_length(G, 'A', 'D', weight='weight')

print("最短路径:", shortest_path)
print("最短距离:", shortest_distance)

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import networkx as nx

# 创建有向带权重图
G = nx.DiGraph()
G.add_edge('A', 'B', weight=3)
G.add_edge('A', 'C', weight=5)
G.add_edge('B', 'C', weight=2)
G.add_edge('B', 'D', weight=4)
G.add_edge('C', 'D', weight=1)

# 将边的权重取相反数
G_neg = nx.DiGraph()
for u, v, data in G.edges(data=True):
    G_neg.add_edge(u, v, weight=-data['weight'])

# 按照权重取相反数的图中求取最短路径
longest_path = nx.dijkstra_path(G_neg, 'A', 'D', weight='weight')
longest_distance = -nx.dijkstra_path_length(G_neg, 'A', 'D', weight='weight')

print("最长路径:", longest_path)
print("最长距离:", longest_distance)

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5.json 数据的转换

**说明：**前后端交互的时候通常传回的时候的 json 格式化后的数据，通常需要构建一下，因此最好创建一个统一的类进行封装。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""图的封装;
"""
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt


class GraphDict(object):
    """有向图的构造;
    """

    def __init__(self):
        """初始化的封装;
        """
        self.graph = None  # 有向图的构建
        self.graph_weight = None  # 有向图带权重

    def dict_to_graph(self, data: list):
        """
        图的字典模式;
        :param data:
        :return:

        example:
            data=[{
              source: 'Node 1',
              target: 'Node 3'
            },
            {
              source: 'Node 2',
              target: 'Node 3'
            },
            {
              source: 'Node 2',
              target: 'Node 4'
            },
            {
              source: 'Node 1',
              target: 'Node 4'
            }]
        """
        graph = nx.DiGraph()  # 创建有向图
        # 循环添加边, 直接添加上节点
        for item in data:
            graph.add_edge(item.get('source'), item.get("target"))
        # 赋值并返回
        self.graph = graph
        return graph

    def dict_to_graph_weight(self, data: list):
        """
        图的字典模式, 带权重;
        :param data:
        :return:

        example:
            data = [
                {
                  source: 'Node 1',
                  target: 'Node 3',
                  weight: 5
                },
                {
                  source: 'Node 2',
                  target: 'Node 3',
                  weight: 3,
                },
                {
                  source: 'Node 2',
                  target: 'Node 4',
                  weight: 5,
                },
                {
                  source: 'Node 1',
                  target: 'Node 4',
                  weight: 5
                }
            ]
        """
        graph = nx.DiGraph()  # 创建有向图
        # 循环添加边, 直接添加上节点, 并且为边赋值上权重;
        for item in data:
            graph.add_edge(item.get('source'), item.get("target"), weight=item.get("weight"))
        # 赋值并返回
        self.graph_weight = graph
        return graph

    def graph_to_dict(self):
        """
        图的数据转换成为字典的数据;
        :return:
        """
        assert self.graph is not None or self.graph_weight is not None, "必须首先通过该类创建一个有向图"
        if self.graph is None:
            edges = self.graph_weight.edges(data=True)
            return [{"source": s, "target": t, "weight": w['weight']} for s, t, w in edges]
        else:
            edges = self.graph.edges()
            return [{"source": s, "target": t} for s, t in edges]

    def show(self):
        """
        有向图的显示;
        :return:
        """
        assert self.graph is not None or self.graph_weight is not None, "必须首先通过该类创建一个有向图"
        if self.graph is None:
            pos = nx.spring_layout(self.graph_weight)
            nx.draw(self.graph_weight, pos, with_labels=True)
            labels = nx.get_edge_attributes(self.graph_weight, 'weight')
            nx.draw_networkx_edge_labels(self.graph_weight, pos, edge_labels=labels)
            plt.show()
        else:
            pos = nx.spring_layout(self.graph)
            nx.draw(self.graph, pos, with_labels=True)
            plt.show()

    def to_png(self, name: str):
        """
        导出有向图的 png 图片;
        :param name; str, 想要导出 png 图片的名称;
        :return:
        """
        assert self.graph is not None or self.graph_weight is not None, "必须首先通过该类创建一个有向图"
        if self.graph is None:
            pos = nx.spring_layout(self.graph_weight)
            nx.draw(self.graph_weight, pos, with_labels=True)
            labels = nx.get_edge_attributes(self.graph_weight, 'weight')
            nx.draw_networkx_edge_labels(self.graph_weight, pos, edge_labels=labels)
            plt.savefig(name)
        else:
            pos = nx.spring_layout(self.graph)
            nx.draw(self.graph, pos, with_labels=True)
            plt.savefig(name)


if __name__ == '__main__':
    graph = GraphDict()
    data = [
        {
            "source": 'Node 1',
            "target": 'Node 3'
        },
        {
            "source": 'Node 2',
            "target": 'Node 3'
        },
        {
            "source": 'Node 2',
            "target": 'Node 4'
        },
        {
            "source": 'Node 1',
            "target": 'Node 4'
        }]
    data_weight = [
        {
            "source": 'Node 1',
            "target": 'Node 3',
            "weight": 3
        },
        {
            "source": 'Node 2',
            "target": 'Node 3',
            "weight": 3
        },
        {
            "source": 'Node 2',
            "target": 'Node 4',
            "weight": 3
        },
        {
            "source": 'Node 1',
            "target": 'Node 4',
            "weight": 3
        }]
    # graph.dict_to_graph(data)
    # graph.to_png("有向图的导出")
    graph.dict_to_graph_weight(data_weight)
    graph.to_png("权重")
    v = graph.graph_to_dict()
    print(v)

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