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java实现最短路径算法之Dijkstra算法的教程
时间:2022-06-29 01:17:45 编辑:袖梨 来源:一聚教程网
Dijkstra算法是最短路径算法中为人熟知的一种,是单起点全路径算法。该算法被称为是“贪心算法”的成功典范。本文接下来将尝试以最通俗的语言来介绍这个伟大的算法,并赋予java实现代码。
一、知识准备:
1、表示图的数据结构
用于存储图的数据结构有多种,本算法中笔者使用的是邻接矩阵。
图的邻接矩阵存储方式是用两个数组来表示图。一个一维数组存储图中顶点信息,一个二维数组(邻接矩阵)存储图中的边或弧的信息。
设图G有n个顶点,则邻接矩阵是一个n*n的方阵,定义为:
从上面可以看出,无向图的边数组是一个对称矩阵。所谓对称矩阵就是n阶矩阵的元满足aij = aji。即从矩阵的左上角到右下角的主对角线为轴,右上角的元和左下角相对应的元全都是相等的。
从这个矩阵中,很容易知道图中的信息。
(1)要判断任意两顶点是否有边无边就很容易了;
(2)要知道某个顶点的度,其实就是这个顶点vi在邻接矩阵中第i行或(第i列)的元素之和;
(3)求顶点vi的所有邻接点就是将矩阵中第i行元素扫描一遍,arc[i][j]为1就是邻接点;
而有向图讲究入度和出度,顶点vi的入度为1,正好是第i列各数之和。顶点vi的出度为2,即第i行的各数之和。
有向图的定义也类似,故不做赘述。
2、单起点全路径
所谓单起点全路径,就是指在一个图中,从一个起点出发,到所有节点的最短路径。
3、图论的基本知识(读者需自行寻找相关资料)
4、互补松弛条件
设标量d1,d2,....,dN满足
dj<=di + aij, (i,j)属于A,
且P是以i1为起点ik为终点的路,如果
dj = di + aij, 对P的所有边(i, j)
成立,那么P是从i1到ik的最短路。其中,满足上面两式的被称为最短路问题的互补松弛条件。
二、算法思想
1、令G = (V,E)为一个带权无向图。G中若有两个相邻的节点,i和j。aij(在这及其后面都表示为下标,请注意)为节点i到节点j的权值,在本算法可以理解为距离。每个节点都有一个值di(节点标记)表示其从起点到它的某条路的距离。
2、算法初始有一个数组V用于储存未访问节点的列表,我们暂称为候选列表。选定节点1为起始节点。开始时,节点1的d1=0, 其他节点di=无穷大,V为所有节点。
初始化条件后,然后开始迭代算法,直到V为空集时停止。具体迭代步骤如下:
将d值最小的节点di从候选列表中移除。(本例中V的数据结构采用的是优先队列实现最小值出列,最好使用斐波那契对,在以前文章有过介绍,性能有大幅提示)。对于以该节点为起点的每一条边,不包括移除V的节点, (i, j)属于A, 若dj > di + aij(违反松弛条件),则令
dj = di + aij , (如果j已经从V中移除过,说明其最小距离已经计算出,不参与此次计算)
可以看到在算法的运算工程中,节点的d值是单调不增的
具体算法图解如下
三、java代码实现
public class Vertex implements Comparable{ /** * 节点名称(A,B,C,D) */ private String name; /** * 最短路径长度 */ private int path; /** * 节点是否已经出列(是否已经处理完毕) */ private boolean isMarked; public Vertex(String name){ this.name = name; this.path = Integer.MAX_VALUE; //初始设置为无穷大 this.setMarked(false); } public Vertex(String name, int path){ this.name = name; this.path = path; this.setMarked(false); } @Override public int compareTo(Vertex o) { return o.path > path?-1:1; } }
public class Graph { /* * 顶点 */ private Listvertexs; /* * 边 */ private int[][] edges; /* * 没有访问的顶点 */ private Queue unVisited; public Graph(List vertexs, int[][] edges) { this.vertexs = vertexs; this.edges = edges; initUnVisited(); } /* * 搜索各顶点最短路径 */ public void search(){ while(!unVisited.isEmpty()){ Vertex vertex = unVisited.element(); //顶点已经计算出最短路径,设置为"已访问" vertex.setMarked(true); //获取所有"未访问"的邻居 List neighbors = getNeighbors(vertex); //更新邻居的最短路径 updatesDistance(vertex, neighbors); pop(); } System.out.println("search over"); } /* * 更新所有邻居的最短路径 */ private void updatesDistance(Vertex vertex, List neighbors){ for(Vertex neighbor: neighbors){ updateDistance(vertex, neighbor); } } /* * 更新邻居的最短路径 */ private void updateDistance(Vertex vertex, Vertex neighbor){ int distance = getDistance(vertex, neighbor) + vertex.getPath(); if(distance < neighbor.getPath()){ neighbor.setPath(distance); } } /* * 初始化未访问顶点集合 */ private void initUnVisited() { unVisited = new PriorityQueue (); for (Vertex v : vertexs) { unVisited.add(v); } } /* * 从未访问顶点集合中删除已找到最短路径的节点 */ private void pop() { unVisited.poll(); } /* * 获取顶点到目标顶点的距离 */ private int getDistance(Vertex source, Vertex destination) { int sourceIndex = vertexs.indexOf(source); int destIndex = vertexs.indexOf(destination); return edges[sourceIndex][destIndex]; } /* * 获取顶点所有(未访问的)邻居 */ private List getNeighbors(Vertex v) { List neighbors = new ArrayList (); int position = vertexs.indexOf(v); Vertex neighbor = null; int distance; for (int i = 0; i < vertexs.size(); i++) { if (i == position) { //顶点本身,跳过 continue; } distance = edges[position][i]; //到所有顶点的距离 if (distance < Integer.MAX_VALUE) { //是邻居(有路径可达) neighbor = getVertex(i); if (!neighbor.isMarked()) { //如果邻居没有访问过,则加入list; neighbors.add(neighbor); } } } return neighbors; } /* * 根据顶点位置获取顶点 */ private Vertex getVertex(int index) { return vertexs.get(index); } /* * 打印图 */ public void printGraph() { int verNums = vertexs.size(); for (int row = 0; row < verNums; row++) { for (int col = 0; col < verNums; col++) { if(Integer.MAX_VALUE == edges[row][col]){ System.out.print("X"); System.out.print(" "); continue; } System.out.print(edges[row][col]); System.out.print(" "); } System.out.println(); } } }
public class Test { public static void main(String[] args){ Listvertexs = new ArrayList (); Vertex a = new Vertex("A", 0); Vertex b = new Vertex("B"); Vertex c = new Vertex("C"); Vertex d = new Vertex("D"); Vertex e = new Vertex("E"); Vertex f = new Vertex("F"); vertexs.add(a); vertexs.add(b); vertexs.add(c); vertexs.add(d); vertexs.add(e); vertexs.add(f); int[][] edges = { {Integer.MAX_VALUE,6,3,Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE}, {6,Integer.MAX_VALUE,2,5,Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE}, {3,2,Integer.MAX_VALUE,3,4,Integer.MAX_VALUE}, {Integer.MAX_VALUE,5,3,Integer.MAX_VALUE,5,3}, {Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE,4,5,Integer.MAX_VALUE,5}, {Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE,Integer.MAX_VALUE,3,5,Integer.MAX_VALUE} }; Graph graph = new Graph(vertexs, edges); graph.printGraph(); graph.search(); } }
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