漫画:Dijkstra 算法的优化

简介: 如何求得最短路径的详细节点,而不仅仅是距离?


漫画中我们遗留了一个问题:

如何求得最短路径的详细节点,而不仅仅是距离?

在本篇中,我们将会给与解答。


640.jpg640.jpg640.jpg640.jpg




我们仍然以下面这个带权图为例,找出从顶点A到顶点G的最短距离。


640.png




详细过程如下:



第1步,创建距离表和前置顶点表。

距离表的Key是顶点名称,Value是从起点A到对应顶点的已知最短距离,默认为无穷大;前置顶点表的Key是顶点名称,Value是从起点A到对应顶点的已知最短路径的前置定点。



640.jpg

第2步,遍历起点A,找到起点A的邻接顶点B和C。从A到B的距离是5,从A到C的距离是2。把这一信息刷新到距离表当中。

同时,顶点B、C的前置顶点都是A,顶点A在邻接表中下标是0,所以把前置顶点表的B、C值更新为0:



640.jpg


第3步,从距离表中找到从A出发距离最短的点,也就是顶点C。

第4步,遍历顶点C,找到顶点C的邻接顶点D和F(A已经遍历过,不需要考虑)。从C到D的距离是6,所以A到D的距离是2+6=8;从C到F的距离是8,所以从A到F的距离是2+8=10。把这一信息刷新到表中。

同时,顶点D、F的前置顶点都是C,顶点C在邻接表中下标是2,所以把前置顶点表的D、F值更新为2:


image.gif640.jpg



接下来重复第3步、第4步所做的操作:

第5步,也就是第3步的重复,从距离表中找到从A出发距离最短的点(C已经遍历过,不需要考虑),也就是顶点B。

第6步,也就是第4步的重复,遍历顶点B,找到顶点B的邻接顶点D和E(A已经遍历过,不需要考虑)。从B到D的距离是1,所以A到D的距离是5+1=6,小于距离表中的8;从B到E的距离是6,所以从A到E的距离是5+6=11。把这一信息刷新到表中。

同时,顶点D、E的前置顶点都是B,顶点B在邻接表中下标是1,所以把前置顶点表的D、E值更新为1:

640.jpg

image.gif



第7步,从距离表中找到从A出发距离最短的点(B和C不用考虑),也就是顶点D。

第8步,遍历顶点D,找到顶点D的邻接顶点E和F。从D到E的距离是1,所以A到E的距离是6+1=7,小于距离表中的11;从D到F的距离是2,所以从A到F的距离是6+2=8小于距离表中的10。把这一信息刷新到表中。

同时,顶点E、F的前置顶点都是D,顶点D在邻接表中下标是3,所以把前置顶点表的E、F值更新为3:


image.gif

640.jpg


第9步,从距离表中找到从A出发距离最短的点,也就是顶点E。

第10步,遍历顶点E,找到顶点E的邻接顶点G。从E到G的距离是7,所以A到G的距离是7+7=14。把这一信息刷新到表中。

同时,顶点G的前置顶点是E,顶点E在邻接表中下标是4,所以把前置顶点表的G值更新为4:


image.gif

640.jpg


第11步,从距离表中找到从A出发距离最短的点,也就是顶点F。

第12步,遍历顶点F,找到顶点F的邻接顶点G。从F到G的距离是3,所以A到G的距离是8+3=11,小于距离表中的14。把这一信息刷新到表中:

640.jpg

image.gif



就这样,除终点以外的全部顶点都已经遍历完毕,距离表中存储的是从起点A到所有顶点的最短距离,而前置定点存储的是从起点A到所有顶点最短路径的前置顶点。

640.jpg640.jpg

image.gif


image.gif


如何把前置顶点表“翻译”成图的最短路径呢?我们可以使用回溯法,自后向前回溯:



第1步,找到图的终点G,它是最短路径的终点:


image.gif

640.jpg


第2步,通过前置定点表找到顶点G对应的前置下标5,在顶点数组中找到下标5对应的顶点F,它是顶点G的前置顶点:


image.gif640.jpg


第3步,通过前置定点表找到顶点F对应的前置下标3,在顶点数组中找到下标3对应的顶点D,它是顶点F的前置顶点:


image.gif640.jpg

第4步,通过前置定点表找到顶点D对应的前置下标1,在顶点数组中找到下标1对应的顶点B,它是顶点D的前置顶点:

image.gif

640.jpg

第5步,通过前置定点表找到顶点B对应的前置下标0,在顶点数组中找到下标0对应的顶点A,它是顶点B的前置顶点:

image.gif

640.jpg

如此一来,我们把前置顶点表(0,0,1,3,3,5)转化成了最短路径(A-B-D-F-G)。


image.gif640.jpg640.jpg

image.gif


/**
 * Dijkstra最短路径算法
 */
public
static
int
[] dijkstra(
Graph
 graph, 
int
 startIndex) {
//图的顶点数量
int
 size = graph.vertexes.length;
//创建距离表,存储从起点到每一个顶点的临时距离
int
[] distances = 
new
int
[size];
//创建前置定点表,存储从起点到每一个顶点的已知最短路径的前置节点
int
[] prevs = 
new
int
[size];
//记录顶点遍历状态
boolean
[] access = 
new
boolean
[size];
//初始化最短路径表,到达每个顶点的路径代价默认为无穷大
for
(
int
 i=
0
; i<size; i++){
        distances[i] = 
Integer
.MAX_VALUE;
    }
//遍历起点,刷新距离表
    access[
0
] = 
true
;
List
<
Edge
> edgesFromStart = graph.adj[startIndex];
for
(
Edge
 edge : edgesFromStart)
    {
        distances[edge.index] = edge.weight;
        prevs[edge.index] = 
0
;
    }
//主循环,重复 遍历最短距离顶点和刷新距离表 的操作
for
(
int
 i=
1
; i<size; i++)
    {
//寻找最短距离顶点
int
 minDistanceFromStart = 
Integer
.MAX_VALUE;
int
 minDistanceIndex = -
1
;
for
(
int
 j=
1
; j<size; j++)
        {
if
(!access[j] && distances[j] < minDistanceFromStart)
            {
                minDistanceFromStart = distances[j];
                minDistanceIndex = j;
            }
        }
if
(minDistanceIndex == -
1
){
break
;
        }
//遍历顶点,刷新距离表
        access[minDistanceIndex] = 
true
;
for
(
Edge
 edge : graph.adj[minDistanceIndex])
        {
if
(access[edge.index]){
continue
;
            }
int
 weight = edge.weight;
int
 preDistance = distances[edge.index];
if
(weight != 
Integer
.MAX_VALUE  && (minDistanceFromStart+ weight < preDistance))
            {
                distances[edge.index] = minDistanceFromStart + weight;
                prevs[edge.index] = minDistanceIndex;
            }
        }
    }
return
 prevs;
}
public
static
void
 main(
String
[] args) {
Graph
 graph = 
new
Graph
(
7
);
    initGraph(graph);
int
[] prevs = dijkstra(graph, 
0
);
    printPrevs(graph.vertexes, prevs, graph.vertexes.length-
1
);
}
private
static
void
 printPrevs(
Vertex
[] vertexes, 
int
[] prev, 
int
 i){
if
(i>
0
){
        printPrevs(vertexes, prev, prev[i]);
    }
System
.
out
.println(vertexes[i].data);
}
/**
 * 图的顶点
 */
private
static
class
Vertex
 {
String
 data;
Vertex
(
String
 data) {
this
.data = data;
    }
}
/**
 * 图的边
 */
private
static
class
Edge
 {
int
 index;
int
 weight;
Edge
(
int
 index, 
int
 weight) {
this
.index = index;
this
.weight = weight;
    }
}
/**
 * 图
 */
private
static
class
Graph
 {
private
Vertex
[] vertexes;
private
LinkedList
<
Edge
> adj[];
Graph
(
int
 size){
//初始化顶点和邻接矩阵
        vertexes = 
new
Vertex
[size];
        adj = 
new
LinkedList
[size];
for
(
int
 i=
0
; i<adj.length; i++){
            adj[i] = 
new
LinkedList
<
Edge
>();
        }
    }
}
private
static
void
 initGraph(
Graph
 graph){
    graph.vertexes[
0
] = 
new
Vertex
(
"A"
);
    graph.vertexes[
1
] = 
new
Vertex
(
"B"
);
    graph.vertexes[
2
] = 
new
Vertex
(
"C"
);
    graph.vertexes[
3
] = 
new
Vertex
(
"D"
);
    graph.vertexes[
4
] = 
new
Vertex
(
"E"
);
    graph.vertexes[
5
] = 
new
Vertex
(
"F"
);
    graph.vertexes[
6
] = 
new
Vertex
(
"G"
);
    graph.adj[
0
].add(
new
Edge
(
1
, 
5
));
    graph.adj[
0
].add(
new
Edge
(
2
, 
2
));
    graph.adj[
1
].add(
new
Edge
(
0
, 
5
));
    graph.adj[
1
].add(
new
Edge
(
3
, 
1
));
    graph.adj[
1
].add(
new
Edge
(
4
, 
6
));
    graph.adj[
2
].add(
new
Edge
(
0
, 
2
));
    graph.adj[
2
].add(
new
Edge
(
3
, 
6
));
    graph.adj[
2
].add(
new
Edge
(
5
, 
8
));
    graph.adj[
3
].add(
new
Edge
(
1
, 
1
));
    graph.adj[
3
].add(
new
Edge
(
2
, 
6
));
    graph.adj[
3
].add(
new
Edge
(
4
, 
1
));
    graph.adj[
3
].add(
new
Edge
(
5
, 
2
));
    graph.adj[
4
].add(
new
Edge
(
1
, 
6
));
    graph.adj[
4
].add(
new
Edge
(
3
, 
1
));
    graph.adj[
4
].add(
new
Edge
(
6
, 
7
));
    graph.adj[
5
].add(
new
Edge
(
2
, 
8
));
    graph.adj[
5
].add(
new
Edge
(
3
, 
2
));
    graph.adj[
5
].add(
new
Edge
(
6
, 
3
));
    graph.adj[
6
].add(
new
Edge
(
4
, 
7
));
    graph.adj[
6
].add(
new
Edge
(
5
, 
3
));
}


代码中,距离表和前置顶点表都是采用数组存储,这样比较方便。

输出最短路径的时候,代码中采用了递归的方式进行回溯。640.jpg



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