06 - 布局引擎

第 06 章 · 布局引擎

6.1 引擎概览

Graphviz 提供 7+ 种布局引擎，每种引擎针对不同的图形拓扑结构优化：

6.2 dot 引擎

dot 是最常用的引擎，适合有向图、层次结构图。使用 Sugiyama 分层算法。

工作原理

1. 拓扑排序：确定节点的层级
2. 交叉减少：最小化边的交叉
3. 节点放置：在层级内安排节点位置
4. 边路由：计算边的路径

布局方向

digraph DotTB {
    // TB — 从上到下（默认）
    rankdir=TB
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=rounded]
    A -> B -> C -> D
    B -> E
}

digraph DotLR {
    // LR — 从左到右
    rankdir=LR
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=rounded]
    A -> B -> C -> D
    B -> E
}

digraph DotBT {
    // BT — 从下到上
    rankdir=BT
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=rounded]
    A -> B -> C -> D
}

digraph DotRL {
    // RL — 从右到左
    rankdir=RL
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=rounded]
    A -> B -> C -> D
}

dot 专属属性

适用场景

digraph DotUseCase {
    rankdir=LR
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style="filled,rounded" fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    edge [fontname="Microsoft YaHei" fontsize=9 color="#666666"]

    "dot 引擎" -> "流程图" [label="✓"]
    "dot 引擎" -> "DAG 依赖图" [label="✓"]
    "dot 引擎" -> "类层次图" [label="✓"]
    "dot 引擎" -> "状态机" [label="✓"]
    "dot 引擎" -> "网络拓扑" [label="✗" color="#F44336"]
    "dot 引擎" -> "社交网络" [label="✗" color="#F44336"]
}

6.3 neato 引擎

neato 使用 弹簧-质点模型（Spring Model），适合小型无向图。

工作原理

• 每条边是一根弹簧，试图拉近相连的节点
• 每对节点之间有排斥力，防止重叠
• 通过迭代计算达到力平衡

graph NeatoExample {
    layout=neato
    overlap=false
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=circle style=filled fillcolor="#E8F5E9" color="#388E3C"]
    edge [color="#9E9E9E"]

    A -- B -- C -- D -- A
    A -- C
    B -- D
    E -- A
    E -- B
    E -- C
    E -- D
}

neato 专属属性

6.4 fdp 引擎

fdp（Force-Directed Placement）是 neato 的改进版，使用 Fruchterman-Reingold 算法，性能更好。

graph FdpExample {
    layout=fdp
    overlap=false
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=rounded]
    edge [color="#9E9E9E"]

    subgraph cluster_group1 {
        label="组 1"
        A -- B -- C
    }
    subgraph cluster_group2 {
        label="组 2"
        D -- E -- F
    }
    A -- D
    C -- F
    B -- E
}

neato vs fdp 对比

6.5 sfdp 引擎

sfdp（Scalable Force-Directed Placement）是多尺度力导向布局，适合大型图。

graph SfdpExample {
    layout=sfdp
    overlap=false
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=point width=0.15]

    // 大型随机图（自动生成）
    A -- B -- C -- D -- E -- F -- G -- H
    A -- E -- I -- J -- K -- L
    B -- F -- J -- M -- N
    C -- G -- K -- N -- O
    D -- H -- L -- O -- P
}

适用场景

• 社交网络图
• 知识图谱
• 依赖关系网络（节点数 > 1000）

6.6 twopi 引擎

twopi 使用 放射状布局，根节点居中，其余节点沿同心圆排列。

graph TwopiExample {
    layout=twopi
    ranksep=1.5
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style="filled,rounded" fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    edge [color="#9E9E9E"]

    // 根节点（默认第一个或 root 属性指定）
    Root [fillcolor="#FFCDD2" color="#C62828" label="根节点"]

    Root -> {A B C D}
    A -> {A1 A2 A3}
    B -> {B1 B2}
    C -> {C1 C2 C3 C4}
    D -> {D1}
}

twopi 专属属性

适用场景

• 组织架构图
• 文件目录结构
• 辐射状知识图谱

6.7 circo 引擎

circo 使用 圆形布局，适合循环结构。

digraph CircoExample {
    layout=circo
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=circle style=filled fillcolor="#E8F5E9" color="#388E3C"]
    edge [fontname="Microsoft YaHei" fontsize=9 color="#9E9E9E"]

    A -> B -> C -> D -> E -> A

    // 额外的非循环连接
    A -> C [style=dashed color="#F44336"]
    B -> D [style=dashed color="#F44336"]
}

适用场景

• 循环流水线
• 环形网络拓扑
• 周期性流程
• 有限状态机的环形展示

6.8 osage 引擎

osage 使用 矩形布局，按子图分组进行矩形嵌套。

graph OsageExample {
    layout=osage
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=filled]

    subgraph cluster_前端 {
        label="前端"
        style=filled
        fillcolor="#E3F2FD"
        color="#1976D2"
        React [fillcolor="#BBDEFB"]
        Vue [fillcolor="#BBDEFB"]
    }

    subgraph cluster_后端 {
        label="后端"
        style=filled
        fillcolor="#E8F5E9"
        color="#388E3C"
        Go [fillcolor="#C8E6C9"]
        Java [fillcolor="#C8E6C9"]
        Python [fillcolor="#C8E6C9"]
    }

    subgraph cluster_数据 {
        label="数据"
        style=filled
        fillcolor="#F3E5F5"
        color="#7B1FA2"
        MySQL [fillcolor="#E1BEE7"]
        Redis [fillcolor="#E1BEE7"]
        Mongo [fillcolor="#E1BEE7"]
    }
}

6.9 patchwork 引擎

patchwork 生成 矩形树图（Treemap），面积表示层次权重。

graph PatchworkExample {
    layout=patchwork
    node [fontname="Microsoft YaHei" shape=box style=filled]

    subgraph cluster_root {
        label="市场份额"
        style=filled fillcolor="#FAFAFA"

        subgraph cluster_A {
            label="公司 A"
            style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"
            A1 [width=3 height=2 fillcolor="#BBDEFB" label="产品 1"]
            A2 [width=1 height=1 fillcolor="#BBDEFB" label="产品 2"]
        }

        subgraph cluster_B {
            label="公司 B"
            style=filled fillcolor="#E8F5E9" color="#388E3C"
            B1 [width=2 height=2 fillcolor="#C8E6C9" label="产品 3"]
            B2 [width=1.5 height=1 fillcolor="#C8E6C9" label="产品 4"]
        }

        subgraph cluster_C {
            label="公司 C"
            style=filled fillcolor="#FFF3E0" color="#FF9800"
            C1 [width=1 height=1 fillcolor="#FFE0B2" label="产品 5"]
        }
    }
}

6.10 引擎选择指南

决策树

digraph EngineDecision {
    rankdir=TB
    node [fontname="Microsoft YaHei" fontsize=10]
    edge [fontname="Microsoft YaHei" fontsize=8]

    // 决策节点
    Q1 [shape=diamond label="有向边？\n(有层次关系)" style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    Q2 [shape=diamond label="环形结构？" style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    Q3 [shape=diamond label="节点数 > 1000?" style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    Q4 [shape=diamond label="树形/辐射？" style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]
    Q5 [shape=diamond label="需要分组？" style=filled fillcolor="#E3F2FD" color="#1976D2"]

    // 结果节点
    dot [shape=box label="dot ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    circo [shape=box label="circo ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    twopi [shape=box label="twopi ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    sfdp [shape=box label="sfdp ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    fdp [shape=box label="fdp ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    neato [shape=box label="neato ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]
    osage [shape=box label="osage ✓" style="filled,rounded" fillcolor="#C8E6C9" color="#388E3C"]

    Q1 -> dot [label="是"]
    Q1 -> Q2 [label="否"]
    Q2 -> circo [label="是"]
    Q2 -> Q4 [label="否"]
    Q4 -> twopi [label="是"]
    Q4 -> Q3 [label="否"]
    Q3 -> sfdp [label="是"]
    Q3 -> Q5 [label="否"]
    Q5 -> osage [label="是"]
    Q5 -> fdp [label="否\n(< 1000 节点)"]
    Q3 -> fdp [label="否\n(< 1000 节点)" style=dashed]
}

场景对照表

注意事项

⚠️ 引擎不可混用：一个 DOT 文件只能用一种引擎。切换引擎需用命令行参数 -K 或 -T。

⚠️ neato 的 overlap：默认不处理重叠，必须设置 overlap=false。

⚠️ dot 的 rank：rank=same 只在 dot 引擎中有效。

⚠️ 大图性能：sfdp 是处理大图（>1000 节点）的最佳选择。

⚠️ circo 的循环：需要明确的环形结构才能获得好效果。

扩展阅读

• Graphviz 引擎文档
• Sugiyama 算法详解
• 力导向布局算法

下一章：07 - 子图与集群 — 使用子图和集群组织复杂图形。