【Floyed +Dijkstra + Bellman-Ford + SPFA】四种最短路算法

一个图中，求点u到达点v的最短路径长度，常用的有四种算法：

一、 Floyed算法

可以求出多源最短路，可以处理负权边的情况，但是不能出现负环。

Floyed算法使用的是动态规划的方法。

设d[i][j][k]表示i到j只经过1,2…k这些结点时，i到j的最短路距离。会出现以下两种情况：

（1） 经过k点：

   d[i][j][k]=d[i][k][k-1]+d[k][j][k-1]。

（2） 不经过k点：

d[i][j][k]=d[i][j][k-1]。

       所以状态转移方程为：

              d[i][j][k]=min{d[i][k][k-1]+d[k][j][k-1],d[i][j][k-1]}

       边界条件：

              d[i][j][0]=w[i][j]（连接i到j的边的权值），不存在的边权设为+∞。

       因为k是递增的，d[i][j]保存的状态是d[i][j][k-1]，所以可以减少一维，使用二维数组。

       状态转移方程：    

              d[i][j]=min{d[i][k]+d[k][j],d[i][j]}。

       边界条件：

              d[i][j]=w[i][j]。

       枚举k，使用中间点k来更新i到j的最短路距离。

       【代码实现】

for(k=1;k<=n;k++) //枚举中间
    for(i=1;i<=n;i++) //枚举起点        
        for(j=1;j<=n;j++)          //枚举终点
            d[i][j]=min(d[i][k]+d[k][j],d[i][j]);

    时间复杂度：O(n3)

 

二、Dijkstra算法

求单源最短路径，不能处理负权。

Dijkstra算法使用的是贪心方法，d[i]表示起点s0到i的最短距离。

从起点s0开始，选择未访问过的离s0最近的一个点i，也就是最小的d[i]，因为所以边权为正，不会存在更短的路径到达i，保证了贪心的正确性。然后将i作为中间点，更新经过i可到达的点的最短路距离，继续贪心寻找未访问过的最近的一个点，经过n次贪心，算法结束。

【算法步骤】

（1） 初始化d[s0]=0，其他d[i]=+∞。

（2） 经过n次贪心，找到起点s0到其他点的最短路距离

a)  找出一个未访问过的最小的d[k]

b)  标记k被访问过

c)   将k作为中间点，更新起点s0到经过k到达其他点v的d[v]

【图解算法】

【代码实现】

 for(i=1;k<=n;k++)
{
    maxn=0x7fffffff;
    for(j=1;j<=n;j++)                 //找出未访问最小的d[j]
    {
        if( !vis[j] && d[j]

 时间复杂度：O(n2)

【Dijkstra算法的优化】

由于每次要寻找未访问过的最小的d[i]，都要花费O(n)的时间，可以使用堆进行优化。

 

三、 Bellman-Ford算法

可以求单源最短路径，可以处理负权边的情况，还可以判断是否出现负权回路。

d[i]表示起点s0到i的最短距离。

图的任意一条最短路既不会包含负权回路，也不会包含正权回路，最多包含n-1条边。那么，从源点s可以到达的结点如果存在最短路，则最短路构成了一棵以s为根的最短路树。因此，可以按照距离根s的层次，逐层生成到达每个点的最短路，这就是Bellman-Ford算法的迭代松弛操作。

对每条边进行第一遍松弛操作的时候，生成了从s出发，层数为1的最短路。也就是找到了从s出发，经过1条边到达其他点的最短路（注意此时的最短路是当前层数的最短路，不一定是最终的答案，是一个估计值，可能从第2层某点到达第1层更短，如下图得s-a-b）。对每条边进行第二次松弛操作时，生成了从s出发，层数为2的的最短路，也就是从s出发，经过2条边到达其他点的最短路，以此类推。因为最短路最多含有n-1条边，所以最多进行n-1次松弛操作。

如果经过n-1次松弛后，d[i]还是+∞，说明s不可到达i。

如果经过n-1次松弛后，还能继续松弛，说明有负权回路存在，如果n-1次松弛后，如果有边（u，v）满足d[v]>d[u]+w[u][v]，说明还能继续松弛，存在负权回路。

【算法步骤】

（1） 初始化：d[s]=0,d[i]= +∞。

（2） 进行n-1次松弛操作

【图解算法】

【代码实现】

for(i=1;i<=n-1;i++)              //n-1次松弛操作
      for(j=1;j<=m;j++)         //m条边
             if( d[edge[j].u]+edge[j].w

实际复杂度：O(n*m)

 

四、SPFA算法

Bellman-Ford算法中，每次的松弛操作并不需要对所以边进行松弛操作，只需要与当前找到的最短路的点相连的边进行松弛，例如图中，第一次松弛时，只需要松弛(s,a)，(s,b)，其他边不需要松弛，实际上也无法松弛。因此可以对Bellman-Ford算法进行优化，每次对可以松弛的边进行松弛，不能进行松弛的边不作处理。而SPFA算法就是对Bellman-Ford算法使用队列优化。

设立一个先进先出的优先队列，优先取出队首的点u，用u当前计算出的最短路估计值对边（u，v）进行松弛操作，如果v的最短路估计值有所减小，且v不在队列中，就将队列v入队，放入队尾。这样不断取出结点来进行松弛操作，直到队列为空。

SPFA仍然可以判断是否存在负权回路，如果一个结点弹出/进入队列次数超过了n-1次，说明存在负权回路，可以添加一个数组用来记录每个点的入队次数。

【算法步骤】

（1） 初始化：dis[s]=0,dis[i]= +∞，新建一个队列，将源点s入队，标记s已经入队。

（2） 从队首取出一个点u，标记u已经出队，将与u有边相连的点v进行松弛,，如果松弛成功，判断v是否在队列中，如果没有入队，标记v入队。继续此步骤，直到队列为空。

【代码实现】

       q.push(s);
       vis[s]=1;  //源点s入队，标记入队
       while(q.size())
       {
              u=q.front();q.pop();vis[u]=0;        //取出队头，标记未入队
              for(i=head[u];i;i=next[i])
              {
                     v=ver[i];
                     w=edge[i];
                     if(dis[u]+w

时间复杂度：对于稀疏图，为O(km)，k为较小的常数，而对于稠密图或者构造的网格图，会提高到O(n*m)。