Bellman-Ford算法 与 SPFA

Bellman-Ford算法，是单源最短路算法的一种。

与之前的 Dijkstra算法 最大的不同是：Dijkstra算法无法判断含负权边的图的最短路，而Bellman-Ford算法可以处理 存在负权边 的最短路径。

由于Bellman-Ford算法简单地对所有边进行松弛操作，共|V|-1次。所以这个算法的时间效率较低，也正是它的不足之处。

Bellman-Ford的时间复杂度： O(V*E) (V,E分别是点数 与 边数)

图解样例（来源《算法导论》）：

伪代码：

INIT(G,s);
for i=1 to |G.V|-1
      for each edge(u,v)∈G.E
            RELAX(u,v,w)
for each edge(u,v)∈G.E
      if v.d>u.d+w(u,v)
            return FLASE
      return TRUE

代码如下（邻接矩阵）：

#include 
#define INF 0x3f3f3f3f  
#define MAXN 1010  
int n,m,ori; 
//点，边，起点  
struct Edge{ int from,to,cost; }edge[MAXN];  
//邻接矩阵
int dis[MAXN];    
bool Bellman_Ford()
{  
    for(int i=1;i<=n;++i) dis[i]=(i==ori ? 0 : INF);  //初始化
    for(int i=1;i<=n-1;++i)      //n-1
        for(int j=1;j<=m;++j)
        {
        	int u=edge[j].from,v=edge[j].to;
        	if(dis[v]>dis[u]+edge[j].cost)
                dis[v]=dis[u]+edge[j].cost;
        }
    bool flag=1; //判断是否含有负环
    //原理：负权环可以无限制的降低总权值，所以如果发现第 n次操作仍可降低总权值，就一定存在负权环。
    for(int i=1;i<=m;++i)
    {
    	int u=edge[i].from,v=edge[i].to;
    	if(dis[v]>dis[u] + edge[i].cost)
        {flag = 0;break;}  
    }
    return flag;
}  
int main()  
{
    std::scanf("%d%d%d",&n,&m,&ori); 
    for(int i=1;i<=m;++i)
        std::scanf("%d%d%d",&edge[i].from,&edge[i].to,&edge[i].cost);  
    if(Bellman_Ford()) //先判断是否有负环  //这里也可以再加一句判断是否连通，依题而定
        std::printf("%d", dis[n]);
    else  
        std::printf("have negative circle\n");  
    return 0;  
}

SPFA（Shortest Path Faster Algorithm）:

Dijkstra有队列优化，Bellman-Ford也有。SPFA是Bellman-Ford的队列优化，减少了不必要的冗余计算。

算法流程：用一个队列来进行维护。初始时将源加入队列。每次从队列中取出一个元素，并对所有与他相邻的点进行松弛，若某个相邻的点松弛成功，则将其入队。直到队列为空时算法结束。

代码如下（邻接表）：

#include 
#define INF 0x3f3f3f3f  
#define MAXN 1010  
int n,m,ori;
 //点，边，起点  
struct EDGE{int to,val,nxt;}e[MAXN];
//邻接表 
int adj[MAXN],dis[MAXN],cnt=0,num[MAXN];//计数器 
bool vis[MAXN]={0};
//判断是否在队列 
std::queue < int > q;
void addedge(int u,int v,int w)	//链式前向星 
{
    e[++cnt].val=w; e[cnt].to=v; e[cnt].nxt=adj[u]; adj[u]=cnt;
}
bool SPFA(int ori)
{
	for(int i=1;i<=n;++i) dis[i]=(i==ori ? 0 : INF);
	q.push(ori); vis[ori]=1; ++num[ori];//起点入队列时记得+1 
	while(!q.empty())
	{
		int u=q.front(); q.pop(); vis[u]=0;
		for(int i=adj[u];i;i=e[i].nxt) 
		{
			int v=e[i].to;
			if(dis[v]>dis[u]+e[i].val) 
			{
				dis[v]=dis[u]+e[i].val;
				if(!vis[v])
				{
					vis[v]=1;q.push(v);
					++num[v];//记录加入次数 
					if(num[v]>n)	return 0;
					//如果这个点加入超过n次，说明存在负环，直接返回 
				}

			}
		}
	}
	return 1;
}
int main()
{
    std::scanf("%d%d%d",&n,&m,&ori); 
    for(int i=1;i<=m;++i)
    {
    	int u,v,w;	std::scanf("%d%d%d",&u,&v,&w);
	addedge(u,v,w);	
    }
    if(SPFA(ori));	std::printf("%d", dis[n]); 
    return 0;  
}

代码风格其实和Dijkstra算法很像（代码思想类似BFS）。唯一的区别就是SPFA中需要有计算器来判断是否存在负环。

对于随机数据而言，时间复杂度：O(kE)（k为一个较小系数）

但SPFA可以人为的造数据，卡负环，导致其性能变得非常低。（时间复杂度达到指数级）

所以，如果题目中不存在负权边，用Dijkstra算法最为保险。

做题感悟：

• 可以运用在最长路中。（将一开始所有边的权值都改为负数，这样就所求出来的就是最长路）
• SPFA,Bellman-Ford都可以用来判断图中是否存在负环，属于判断负环的模板。