单源最短路径算法——Dijkstra

一、相关概念

单源最短路径

图中某一顶点到其他各顶点的最短路径，可通过经典的Dijkstra算法求解，此算法是基于贪心算法的策略。
注：如果边上带负权值，Dijkstra并不适用。适用于权值非负的有向图或无向图

图中每一对顶点间的最短路径

可通过Floyd-Warshall算法来求解，此算法是基于动态规划的思想

二、题目

题目

1.png

2.png

思路

这个算法是基于贪心策略的（手动求解思路，参考下图）

代码

import java.util.Scanner;
import java.util.Stack;

/**
 * 
 * 

 * Description:
 * 
 * 
 * @author 杨丽金
 * @date 2018-8-24
 * @version 1.0
 */
public class 最短路径算法 {

    public static void main(String[] args) {
        new 最短路径算法().exe();
    }

    /*class Node {
        // 节点编号
        int num;
    }*/

    // 用邻接矩阵存储图
    class MGraph {
        // 节点数
        int n;
        // 边数
        int e;
        // 节点(节点编号从0开始)
//      Node[] nodes;
        // 边
        int[][] edges;

        public MGraph(int n, int e) {
            this.n = n;
            this.e = e;
//          nodes = new Node[n];
            edges = new int[n][n];
            // 各个边初始化为一个特别大的值
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                for (int j = 0; j < n; j++) {
                    if (i == j) {
                        edges[i][j] = 0;
                    } else {
                        edges[i][j] = Integer.MAX_VALUE;
                    }
                }
            }
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "MGraph [n=" + n + ", e=" + e + ", nodes=";
        }

    }

    private void exe() {
        Scanner scan = new Scanner(System.in);

        // 节点数
        int N = scan.nextInt();
        // 边数
        int M = scan.nextInt();
        MGraph g = new MGraph(N, M);
        // 读入各个边
        for (int i = 0; i < M; i++) {
            int A = scan.nextInt();
            int B = scan.nextInt();
            int X = scan.nextInt();
            g.edges[A][B] = X;
            g.edges[B][A] = X;
        }
        int S = scan.nextInt();
        int T = scan.nextInt();
        // 输出
        System.out.println(g);
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            for (int j = 0; j < g.n; j++) {
                System.out.print(g.edges[i][j] + "\t");
            }
            System.out.println();
        }
        // 得到最短路径长度{有最短路径：返回长度；无：-1}
        int r = getMinimumRoad(g, S, T);
        System.out.println();
        System.out.println(r);
        // 
        System.out.println("最短路径上的节点");
        printPath(S,T,path);
    }
    
    /**
     * 打印从节点S到节点T的最短路径上经过的节点
     * @param t
     * @param set2
     */
    private void printPath(int S,int T, int[] myPath) {
        Stack stack=new Stack<>();
        int i=T;
        while(myPath[i]!=-1){
            stack.push(i);
            i=myPath[i];
        }
        stack.push(S);
        while(!stack.isEmpty()){
            // 出栈
            int temp=stack.pop();
            System.out.print(temp+"\t");
        }
        System.out.println();
    }

    /*
     * Dijkstra需要3个辅助数组 1,set[] 2,dist[] 3,path[]
     */
    // 标志节点是否已找到最短路径
    int[] set;
    // 标志从起始节点S到节点i的最短路径长度
    int[] dist;
    // 起始节点S到节点i的最短路径上i的前一节点
    int[] path;

    /**
     * dijkstra算法：基于贪心策略 每次都从dist数组中找出最小的值并入到集合中，然后再更改path、dist集合
     * 
     * @param g
     * @param S
     * @param T
     * @return
     */
    private int getMinimumRoad(MGraph g, int S, int T) {
        set = new int[g.n];
        // 标志从起始节点S到节点i的最短路径长度
        dist = new int[g.n];
        // 起始节点S到节点i的最短路径上i的前一节点
        path = new int[g.n];
        /*
         * 初始化这些数组 set[] ：初始化时 S节点标志位1，其余的标志位0 dist[]
         * :用图的edges[][]数组中的edges[S][i]代替
         * path[]:S到i有路径则path[i]=S;若无路径，则path[i]=-1
         */
        // set[] ：初始化时 S节点标志位1，其余的标志位0
        set[S] = 1;
        // dist[] :用图的edges[][]数组中的edges[S][i]代替
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            dist[i] = g.edges[S][i];
        }
        // path[]:S到i有路径则path[i]=S;若无路径，则path[i]=-1
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            if (g.edges[S][i] == Integer.MAX_VALUE) {
                // 无路径
                path[i] = -1;
            } else {
                path[i] = S;
            }
        }
        path[S] = -1;

        System.out.print("set[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(set[i] + "\t");
        }
        System.out.println();
        System.out.print("dist[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(dist[i] + "\t");
        }
        System.out.println();
        System.out.print("path[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(path[i] + "\t");
        }
        System.out.println();

        // 更新set[]、dist[]、path[]
        dijkstra(g, set, path, dist);
        
        System.out.print("set[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(set[i] + "\t");
        }
        System.out.println();
        System.out.print("dist[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(dist[i] + "\t");
        }
        System.out.println();
        System.out.print("path[]:");
        for (int i = 0; i < g.n; i++) {
            System.out.print(path[i] + "\t");
        }
        return dist[T]==Integer.MAX_VALUE? -1:dist[T];
    }

    private void dijkstra(MGraph g, int[] set, int[] path, int[] dist) {
        // 求最短路径
        for (int i = 0; i < g.n - 2; i++) {
            // 进行n-2轮循环
            // 找出dist[] 中最小的k（太贪心）
            int k = -1;
            int min = Integer.MAX_VALUE;
            for (int j = 0; j < g.n; j++) {
                if (set[j] == 0) {
                    // 还未并入集合
                    if (dist[j] < min) {
                        min = dist[j];
                        k = j;
                    }
                }
            }
            // 将上述k节点并入集合set中，更新path[]、dist[]
            set[k] = 1;
            for (int m = 0; m < g.n; m++) {
                if (set[m] == 0) {
                    // 还未合并入集合
                    // 更新dist// 更新path
                    if(g.edges[k][m]==Integer.MAX_VALUE){
                        // k到m无路径，则不用再往下判断了
                        continue;
                    }
                    int temp = dist[k] + g.edges[k][m];
                    if (temp < dist[m]) {
                        dist[m] = temp;
                        path[m] = k;
                    }
                }
            }
        }

    }

}

参考文献

最基础的Dijkstra的应用
王道论坛数据结构最短路径