最短路的三种算法（Floyd、Dijkstra、SPFA）
前言
乍一看搜索跟这个一样都可以找出一个点到另一个点的最短距离，但是有些问题两者都可以解决，而另一些搜索就不能解决了，搜索有确定的方向一步一步走，而最短路是告诉你某两个点直接可以直接走，没有确定的方向。最短路问题，通俗的说就是就是给你n个点，m条边，然后找出某两个点之间的最短距离。解决最短路常用的有三种算法Floyd、Dijkstra、SPFA。三种方法各有优劣
- Floyd算法是多源最短路算法，复杂度最高（n^3），通常用在点比较少的起点不固定的问题中。能解决负边（负权）但不能解决负环。
- Dijkstra算法是单源最短路算法，最常用时间复杂度（n^2）优化后可以达到（nlogn），不能解决负边问题，稀疏图（点的范围很大但是边不多，边的条数|E|远小于|V|²）需要耗费比较多的空间。
- SPFA算法适合稀疏图，可以解决带有负权边，负环的问题，但是在稠密图中效率比Dijkstra要低。
三种方法各有优劣适合的情况不同，所以可以判断情况选择一个适合的算法也是ACMer的基本素质。
引用一段比较正规的定义：
在一个无权的图中，若从一个顶点到另一个顶点存在着一条路径，则称该路径长度为该路径上所经过的边的数目，它等于该路径上的顶点数减1。由于从一个顶点到另一个顶点可能存在着多条路径，每条路径上所经过的边数可能不同，即路径长度不同，把路径长度最短（即经过的边数最少）的那条路径叫作最短路径或者最短距离。
对于带权的图，考虑路径上各边的权值，则通常把一条路径上所经边的权值之和定义为该路径的路径长度或带权路径长度。从源点到终点可能不止一条路径，把带权路径长度最短的那条路径称为最短路径，其路径长度（权值之和）称为最短路径长度或最短距离。
Floyd算法
Floyd算法比较简单，就是暴力枚举了所有的可能，将所有可能找遍就知道了两点之间的最短路
参数解释
Chara数组 ：储存两点间的距离，Chara[i][j]的值就是点i到点j的距离。
n：总共有n个点。
p[i][j]:代表对应顶点的最小路径的前驱矩阵
MAX：定义最大值，路不通的情况距离就是MAX
算法思想
很容易理解，我们从一个点i到另一个点j,无非就两种走法
- 直接从i到j
- 通过中间点k中转，i->k->j
所以我们就遍历所有情况，如果通过某个中转点距离小于直接到达的距离，就更新这两点间的距离。
if(Chara[i][j] > Chara[i][k] + Chara[k][j])
Chara[i][j] = Chara[i][k] + Chara[k][j];
代码
#define MAX 65535
int Chara[N][N],p[N][N];
int n,m;
void Floyd()
{
for(int i=0;i<n;i++)
{
for(int j=0;j
{
p[i][j]=j;//初始化
}
}
for(int k=0;k
{
for(int i=0;i
{
for(int j=0;j
{
if(Chara[i][k] == MAX || Chara[k][j] == MAX) continue;
if(Chara[i][j] > Chara[i][k] + Chara[k][j])
{
//如果经过下标k顶点路径比原两点间路径更短
//将当前两点权值设为更小的那一个
Chara[i][j] = Chara[i][k] + Chara[k][j];
p[i][j]=p[i][k];//路径设置经过下标k的顶点
}
}
}
} 
Dijkstra算法
Dijkstra算法算是贪心思想实现的，首先把起点到所有点的距离存下来找个最短的，然后松弛一次再找出最短的，所谓的松弛操作就是，遍历一遍看通过刚刚找到的距离最短的点作为中转站会不会更近，如果更近了就更新距离，这样把所有的点找遍之后就存下了起点到其他所有点的最短距离，下面仔细讲。
参数解释
Chara数组 ：储存两点间的距离，Chara[i][j]的值就是点i到点j的距离。
dis数组：储存起点到各个点的距离，dis[i]就是起点到i点的距离。
vis数组：标记点是否访问过
INF：宏定义的最大值路不通
算法思想
- 有两个数组，dis和vis含义参见上面，初始时vis中只有起点，更新dis中的起点到所有点的距离.
- 遍历所有节点，找到距离起点最近的一个点K，将这个点加入vis中标记
- 进行松弛操作，遍历没有在vis数组中的其他所有点，比较起点——>该点和起点——>K点——>该点的距离，
- 重复2-3操作，直到所有的点遍历完
整个过程看下图：
代码
#define INF 65535
int n,m,s,t;
int Chara[N][N],dis[N],vis[N],p[i];
void Dijkstra(int src) //src传入的起点
{
for(int i=0; i//初始化起点到所有点的距离
{
dis[i] = Chara[src][i];
vis[i] = 0;
p[i]=0;
}
dis[src] = 0; //到自身距离为0
vis[src] = 1; //标记 注src=0
for(int i=0; iint ans = INF,k;
for(int j=0; j// 寻找未被访问过距离起点v0最近的
{
if(!vis[j] && dis[j] < ans)
{
k = j;
ans = dis[j];
}
}
vis[k] = 1; //标记已访问
if(ans == INF) break; //表示剩下所有点都不通
for(int j =0; j//松弛操作，更新起点到所有未访问点的距离
{
if(!vis[j] && dis[k] + Chara[k][j]//存放前驱节点
}
}
}
} SPFA算法
SPFA是一种用队列优化的B-F算法，看上去和BFS很像，B-F效率较低就不介绍了，还有一种用DFS优化B-F的SPFA但是往往这种方法比平时更加劣化没有队列优化的好用，平时用SPFA就够用了。可以解决负边问题，可以判断负环是否存在。在稀疏图中，采用类似邻接链表储存比较节省空间。
参数解释
node结构体：用来储存边，数组下标代表边起点，结构体中的v，代表边的终点，weight/w代表权值
dis数组：储存起点到各个点的距离，dis[i]就是起点到i点的距离。
vis数组：标记点是否访问过
INF：宏定义的最大值路不通
算法思想
- 初始时，只有把起点放入队列中。
- 遍历与起点相连的边，如果可以松弛就更新距离dis[],然后判断如果这个点没有在队列中就入队标记。
- 出队队首，取消标记，循环2-3步，直至队为空。
- 所有能更新的点都更新完毕，dis[]数组中的距离就是，起点到其他点的最短距离。
为什么SPFA可以处理负边：因为在SPFA中每一个点松弛过后说明这个点距离更近了，所以有可能通过这个点会再次优化其他点，所以将这个点入队再判断一次，而Dijkstra中是贪心的策略，每个点选择之后就不再更新，如果碰到了负边的存在就会破坏这个贪心的策略就无法处理了。
如何判断成环：
在储存边时，记录下每个点的入度，每个点入队的时候记录一次，如果入队的次数大于这个点的入度，说明从某一条路进入了两次，即该点处成环。
代码
const int INF=0x3f3f3f3f;
const int N=210;
int n,m,s,t;
int dis[N],vis[N],sum[N];
struct node{
int v; ///点
int weight; ///权值
};
vectorif(dis[q] + mp[q][i].weight < dis[mp[q][i].v])
{
dis[mp[q][i].v] = dis[q] + mp[q][i].weight;
if(!vis[mp[q][i].v])
{
Q.push(mp[q][i].v);
vis[mp[q][i].v] = 1;
}
}
}
}
return ;
} HDU1847-畅通工程续
代码
Floyd写法
#includefor(j=0;jfor(k=0;kif(Chara[j][i]+Chara[i][k]int main()
{
while(~scanf("%d %d",&n,&m))
{
int a,b,x;
memset(Chara,0x3f,sizeof(Chara));
for(int i=0;i<=n;i++)
Chara[i][i] = 0;
for(int i=0;iscanf("%d %d %d",&a,&b,&x);
if(x< Chara[a][b])
Chara[a][b]=Chara[b][a]=x;
}
scanf("%d %d",&s,&t);
Floyd();
if(Chara[s][t]==INF)
cout<<-1<else
cout<return 0;
} Dijkstra写法
#include0;
}
dis[src] = 0;
vis[src] = 1;
for(int i=0; iint ans = INF,k;
for(int j=0; jif(!vis[j] && dis[j] < ans)
{
k = j;
ans = dis[j];
}
}
vis[k] = 1;
if(ans == INF) break;
for(int j =0; jif(!vis[j] && dis[j] > dis[k] + Chara[k][j])
{
dis[j] = dis[k] + Chara[k][j];
}
}
}
}
int main()
{
while(~scanf("%d %d",&m,&n))
{
int u,v,w;
memset(Chara,0x3f,sizeof(Chara));
for(int i=0; iscanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
if(w < Chara[u][v])
Chara[u][v] = Chara[v][u] = w;
}
scanf("%d %d",&s,&t);
Dijkstra(s);
printf("%d\n",dis[t]==INF?-1:dis[t]);
}
return 0;
} SPFA写法
#includeif(dis[q] + mp[q][i].weight < dis[mp[q][i].v])
{
dis[mp[q][i].v] = dis[q] + mp[q][i].weight;
if(!vis[mp[q][i].v])
{
Q.push(mp[q][i].v);
vis[mp[q][i].v] = 1;
}
}
}
}
return ;
}
int main()
{
while(~scanf("%d %d",&n,&m))
{
memset(dis,INF,sizeof(dis));
memset(vis,0,sizeof(vis));
int u,v,w;
node ans;
for(int i=0;iscanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
ans.v = v;
ans.weight = w;
mp[u].push_back(ans);
ans.v = u;
mp[v].push_back(ans);
}
scanf("%d %d",&s,&t);
SPFA(s);
printf("%d\n",dis[t]==INF?-1:dis[t]);
for(int i=0;ireturn 0;
}