定义及问题描述(定义 问题描述)

迪杰斯特拉算法

迪杰斯特拉算法的原理

迪杰斯特拉算法C#程序

迪杰斯特拉算法pascal程序

Dijkstra算法的堆优化(PASCAL实现)

Dijkstra算法讲解与C/C++实现

定义及问题描述

定义

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法是典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法是很有代表性的最短路径算法，在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍，如数据结构，图论，运筹学等等。Dijkstra一般的表述通常有两种方式，一种用永久和临时标号方式，一种是用OPEN, CLOSE表的方式，这里均采用永久和临时标号的方式。注意该算法要求图中不存在负权边。

问题描述

在无向图 G=(V,E) 中，假设每条边 E[i] 的长度为 w[i]，找到由顶点 V0 到其余各点的最短路径。（单源最短路径）

迪杰斯特拉算法

迪杰斯特拉(Dijkstra)算法思想

按路径长度递增次序产生最短路径算法：

把V分成两组：

（1）S：已求出最短路径的顶点的集合

（2）V-S=T：尚未确定最短路径的顶点集合

将T中顶点按最短路径递增的次序加入到S中，

保证：（1）从源点V0到S中各顶点的最短路径长度都不大于

从V0到T中任何顶点的最短路径长度

（2）每个顶点对应一个距离值

S中顶点：从V0到此顶点的最短路径长度

T中顶点：从V0到此顶点的只包括S中顶点作中间

顶点的最短路径长度

依据：可以证明V0到T中顶点Vk的最短路径，或是从V0到Vk的

直接路径的权值；或是从V0经S中顶点到Vk的路径权值之和

（反证法可证）

求最短路径步骤

算法步骤如下：

1. 初使时令 S={V0},T={其余顶点}，T中顶点对应的距离值

若存在<V0,Vi>，d(V0,Vi)为<V0,Vi>弧上的权值

若不存在<V0,Vi>，d(V0,Vi)为∝

2. 从T中选取一个其距离值为最小的顶点W且不在S中，加入S

3. 对T中顶点的距离值进行修改：若加进W作中间顶点，从V0到Vi的

距离值比不加W的路径要短，则修改此距离值

重复上述步骤2、3，直到S中包含所有顶点，即S=T为止

迪杰斯特拉算法的原理

首先，引进一个辅助向量D，它的每个分量D表示当前所找到的从始点v到每个终点vi的最短路径的长度。如D[3]=2表示从始点v到终点3的路径相对最小长度为2。这里强调相对就是说在算法过程中D的值是在不断逼近最终结果但在过程中不一定就等于最短路径长度。它的初始状态为：若从v到vi有弧，则D为弧上的权值；否则置D为∞。显然，长度为 D[j]=Min{D | vi∈V} 的路径就是从v出发的长度最短的一条最短路径。此路径为(v,vj)。 那么，下一条长度次短的最短路径是哪一条呢？假设该次短路径的终点是vk，则可想而知，这条路径或者是(v,vk)，或者是(v,vj,vk)。它的长度或者是从v到vk的弧上的权值，或者是D[j]和从vj到vk的弧上的权值之和。 一般情况下，假设S为已求得最短路径的终点的集合，则可证明：下一条最短路径（设其终点为X）或者是弧(v,x)，或者是中间只经过S中的顶点而最后到达顶点X的路径。因此，下一条长度次短的最短路径的长度必是D[j]=Min{D | vi∈V-S} 其中，D或者是弧(v,vi)上的权值，或者是D[k](vk∈S)和弧(vk,vi)上的权值之和。 迪杰斯特拉算法描述如下： 1）arcs表示弧上的权值。若不存在，则置arcs为∞（在本程序中为MAXCOST）。S为已找到从v出发的最短路径的终点的集合，初始状态为空集。那么，从v出发到图上其余各顶点vi可能达到的最短路径长度的初值为D=arcs[Locate Vex(G,v),i] vi∈V 2）选择vj，使得D[j]=Min{D | vi∈V-S} 3）修改从v出发到集合V-S上任一顶点vk可达的最短路径长度。

迪杰斯特拉算法C#程序

public class Edge

{

public string StartNodeID ;

public string EndNodeID ;

public double Weight ; //权值，代价

} 节点则抽象成Node类，一个节点上挂着以此节点作为起点的“出边”表。

public class Node

{

private string iD ;

private ArrayList edgeList ;//Edge的集合－－出边表

public Node(string id )

{

this.iD = id ;

this.edgeList = new ArrayList() ;

}

property#region property

public string ID

{

get

{

return this.iD ;

}

}

public ArrayList EdgeList

{

get

{

return this.edgeList ;

}

}

#endregion

}

在计算的过程中，我们需要记录到达每一个节点权值最小的路径，这个抽象可以用PassedPath类来表示：

/// <summary>

/// PassedPath 用于缓存计算过程中的到达某个节点的权值最小的路径

/// </summary>

public class PassedPath

{

private string curNodeID ;

private bool beProcessed ; //是否已被处理

private double weight ; //累积的权值

private ArrayList passedIDList ; //路径

public PassedPath(string ID)

{

this.curNodeID = ID ;

this.weight = double.MaxValue ;

this.passedIDList = new ArrayList() ;

this.beProcessed = false ;

}

#region property

public bool BeProcessed

{

get

{

return this.beProcessed ;

}

set

{

this.beProcessed = value ;

}

}

public string CurNodeID

{

get

{

return this.curNodeID ;

}

}

public double Weight

{

get

{

return this.weight ;

}

set

{

this.weight = value ;

}

}

public ArrayList PassedIDList

{

get

{

return this.passedIDList ;

}

}

#endregion

}

另外，还需要一个表PlanCourse来记录规划的中间结果，即它管理了每一个节点的PassedPath。

/// <summary>

/// PlanCourse 缓存从源节点到其它任一节点的最小权值路径=》路径表

/// </summary>

public class PlanCourse

{

private Hashtable htPassedPath ;

#region ctor

public PlanCourse(ArrayList nodeList ,string originID)

{

this.htPassedPath = new Hashtable() ;

Node originNode = null ;

foreach(Node node in nodeList)

{

if(node.ID == originID)

{

originNode = node ;

}

else

{

PassedPath pPath = new PassedPath(node.ID) ;

this.htPassedPath.Add(node.ID ,pPath) ;

}

}

if(originNode == null)

{

throw new Exception("The origin node is not exist !") ;

}

this.InitializeWeight(originNode) ;

}

private void InitializeWeight(Node originNode)

{

if((originNode.EdgeList == null) ||(originNode.EdgeList.Count == 0))

{

return ;

}

foreach(Edge edge in originNode.EdgeList)

{

PassedPath pPath = this[edge.EndNodeID] ;

if(pPath == null)

{

continue ;

}

pPath.PassedIDList.Add(originNode.ID) ;

pPath.Weight = edge.Weight ;

}

}

#endregion

public PassedPath this[string nodeID]

{

get

{

return (PassedPath)this.htPassedPath[nodeID] ;

}

}

}

在所有的基础构建好后，路径规划算法就很容易实施了，该算法主要步骤如下：

(1)用一张表(PlanCourse)记录源点到任何其它一节点的最小权值，初始化这张表时，如果源点能直通某节点，则权值设为对应的边的权，否则设为double.MaxValue。

(2)选取没有被处理并且当前累积权值最小的节点TargetNode，用其边的可达性来更新到达其它节点的路径和权值（如果其它节点 经此节点后权值变小则更新，否则不更新），然后标记TargetNode为已处理。

(3)重复(2)，直至所有的可达节点都被处理一遍。

(4)从PlanCourse表中获取目的点的PassedPath，即为结果。

下面就来看上述步骤的实现，该实现被封装在RoutePlanner类中：

/// <summary>

/// RoutePlanner 提供图算法中常用的路径规划功能。

/// 2005.09.06

/// </summary>

public class RoutePlanner

{

public RoutePlanner()

{

}

#region Paln

//获取权值最小的路径

public RoutePlanResult Paln(ArrayList nodeList ,string originID ,string destID)

{

PlanCourse planCourse = new PlanCourse(nodeList ,originID) ;

Node curNode = this.GetMinWeightRudeNode(planCourse ,nodeList ,originID) ;

#region 计算过程

while(curNode != null)

{

PassedPath curPath = planCourse[curNode.ID] ;

foreach(Edge edge in curNode.EdgeList)

{

PassedPath targetPath = planCourse[edge.EndNodeID] ;

double tempWeight = curPath.Weight + edge.Weight ;

if(tempWeight < targetPath.Weight)

{

targetPath.Weight = tempWeight ;

targetPath.PassedIDList.Clear() ;

for(int i=0 ;i<curPath.PassedIDList.Count ;i++)

{

targetPath.PassedIDList.Add(curPath.PassedIDList.ToString()) ;

}

targetPath.PassedIDList.Add(curNode.ID) ;

}

}

//标志为已处理

planCourse[curNode.ID].BeProcessed = true ;

//获取下一个未处理节点

curNode = this.GetMinWeightRudeNode(planCourse ,nodeList ,originID) ;

}

#endregion

//表示规划结束

return this.GetResult(planCourse ,destID) ;

}

#endregion

#region private method

#region GetResult

//从PlanCourse表中取出目标节点的PassedPath，这个PassedPath即是规划结果

private RoutePlanResult GetResult(PlanCourse planCourse ,string destID)

{

PassedPath pPath = planCourse[destID] ;

if(pPath.Weight == int.MaxValue)

{

RoutePlanResult result1 = new RoutePlanResult(null ,int.MaxValue) ;

return result1 ;

}

string[] passedNodeIDs = new string[pPath.PassedIDList.Count] ;

for(int i=0 ;i<passedNodeIDs.Length ;i++)

{

passedNodeIDs = pPath.PassedIDList.ToString() ;

}

RoutePlanResult result = new RoutePlanResult(passedNodeIDs ,pPath.Weight) ;

return result ;

}

#endregion

#region GetMinWeightRudeNode

//从PlanCourse取出一个当前累积权值最小，并且没有被处理过的节点

private Node GetMinWeightRudeNode(PlanCourse planCourse ,ArrayList nodeList ,string originID)

{

double weight = double.MaxValue ;

Node destNode = null ;

foreach(Node node in nodeList)

{

if(node.ID == originID)

{

continue ;

}

PassedPath pPath = planCourse[node.ID] ;

if(pPath.BeProcessed)

{

continue ;

}

if(pPath.Weight < weight)

{

weight = pPath.Weight ;

destNode = node ;

}

}

return destNode ;

}

#endregion

#endregion

}

迪杰斯特拉算法pascal程序

type bool=array[1..10]of boolean;

arr=array[0..10]of integer;

var a:array[1..10,1..10]of integer; //存储图的邻接数组，无边为10000

c,d,e:arr; //c为最短路径数值,d为各点前趋,

t:bool; //e：路径，t为辅助数组

i,j,n,m:integer;

inf,outf:text;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

procedure init; //不同题目邻接数组建立方式不一样

begin

assign(inf,'dijkstra.in'); assign(outf,'dijkstra.out');

reset(inf); rewrite(outf);

read(inf,n);

for i:=1 to n do

for j:=1 to n do

begin

read(inf,a[i,j]);

if a[i,j]=0 then a[i,j]:=10000;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

procedure dijkstra(qi:integer; t:bool; var c{,d}:arr); //qi起点，{}中为求路径部

var i,j,k,min:integer; //分,不需求路径时可以不要

begin //t数组一般在调用前初始

t[qi]:=true; //化成false,也可将部分点

{for i:=1 to n do d[i]:=qi; d[qi]:=0; } //初始化成true以回避这些点

for i:=1 to n do c[i]:=a[qi,i];

for i:=1 to n-1 do

begin

min:=10001;

for j:=1 to n do

if (c[j]<min)and(not(t[j])) then begin k:=j; min:=c[j];end;

t[k]:=true;

for j:=1 to n do

if (c[k]+a[k,j]<c[j])and(not(t[j])) then

begin

c[j]:=c[k]+a[k,j]; {d[j]:=k;}

end;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

procedure make(zh:integer; d:arr; var e:arr); //生成路径,e[0]保存路径

var i,j,k:integer; //上的节点个数

begin

i:=0;

while d[zh]<>0 do

begin

inc(i);e[i]:=zh;zh:=d[zh];

end;

inc(i);e[i]:=qi; e[0]:=I;

end;

主程序调用：求最短路径长度：初始化t，然后dijkstra(qi,t,c,d)

求路径：make(m,d,e) ，m是终点

Dijkstra算法的堆优化(PASCAL实现)

一、思考

我们可以发现，在实现步骤时，效率较低(需要O(n)，使总复杂度达到O(n^2)。对此可以考虑用堆这种数据结构进行优化，使此步骤复杂度降为O(log(n))(总复杂度降为O(n log(n))。

二、实现

1. 将与源点相连的点加入堆，并调整堆。

2. 选出堆顶元素u（即代价最小的元素），从堆中删除，并对堆进行调整。

3. 处理与u相邻的，未被访问过的，满足三角不等式的顶点

1):若该点在堆里，更新距离，并调整该元素在堆中的位置。

2):若该点不在堆里，加入堆，更新堆。

4. 若取到的u为终点，结束算法；否则重复步骤2、3。

三、代码

procedure Dijkstra;

var

u,v,e,i:longint;

begin

fillchar(dis,sizeof(dis),$7e); //距离

fillchar(Inh,sizeof(Inh),false); //是否在堆中

fillchar(visit,sizeof(visit),false); //是否访问过

size:=0;

e:=last[s];

while e<>0 do //步骤1

begin

u:=other[e];

if not(Inh[u]) then //不在堆里

begin

inc(size);

heap[size]:=u;

dis[u]:=cost[e];

Loc[u]:=size; //Loc数组记录元素在堆中的位置

Inh[u]:=true;

Shift_up(Loc[u]); //上浮

end

else

if cost[e]<dis[u] then //在堆里

begin

dis[u]:=cost[e];

Shift_up(Loc[u]);

Shift_down(Loc[u]);

end;

e:=pre[e];

end;

visit[s]:=true;

while true do

begin

u:=heap[1]; //步骤2

if u=t then break; //步骤4

visit[u]:=true;

heap[1]:=heap[size];

dec(size);

Shift_down(1);

e:=last[u];

while e<>0 do //步骤3

begin

v:=other[e];

if Not(visit[v]) and (dis[u]+cost[e]<dis[v]) then //与u相邻的，未被访问过的，满足三角不等式的顶点

if Inh[v] then //在堆中

begin

dis[v]:=dis[u]+cost[e];

Shift_up(Loc[v]);

Shift_Down(Loc[v]);

end

else //不再堆中

begin

inc(size);

heap[size]:=v;

dis[v]:=dis[u]+cost[e];

Loc[v]:=size;

Inh[v]:=true;

Shift_up(Loc[v]);

end;

e:=pre[e];

end;

end;

writeln(dis[t]);

end;

Dijkstra算法讲解与C/C++实现

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法是典型的最短路径路由算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法能得出最短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率低。

Dijkstra算法是很有代表性的最短路算法，在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍，如数据结构，图论，运筹学等等。

其基本思想是，设置顶点集合S并不断地作贪心选择来扩充这个集合。一个顶点属于集合S当且仅当从源到该顶点的最短路径长度已知。

初始时，S中仅含有源。设u是G的某一个顶点，把从源到u且中间只经过S中顶点的路称为从源到u的特殊路径，并用数组dist记录当前每个顶点所对应的最短特殊路径长度。Dijkstra算法每次从V-S中取出具有最短特殊路长度的顶点u，将u添加到S中，同时对数组dist作必要的修改。一旦S包含了所有V中顶点，dist就记录了从源到所有其它顶点之间的最短路径长度。

例如，对下图中的有向图，应用Dijkstra算法计算从源顶点1到其它顶点间最短路径的过程列在下表中。

主题好好理解上图！

以下是具体的实现(C/C++):

/***************************************

* About: 有向图的Dijkstra算法实现

* Author: Tanky Woo

***************************************/

#include <iostream>

using namespace std;

const int maxnum = 100;

const int maxint = 999999;

// 各数组都从下标1开始

int dist[maxnum]; // 表示当前点到源点的最短路径长度

int prev[maxnum]; // 记录当前点的前一个结点

int c[maxnum][maxnum]; // 记录图的两点间路径长度

int n, line; // 图的结点数和路径数

// n -- n nodes

// v -- the source node

// dist[ ] -- the distance from the ith node to the source node

// prev[ ] -- the previous node of the ith node

// c[ ][ ] -- every two nodes' distance

void Dijkstra(int n, int v, int *dist, int *prev, int c[maxnum][maxnum])

{

bool s[maxnum]; // 判断是否已存入该点到S集合中

for(int i=1; i<=n; ++i)

{

dist[i] = c[v][i];

s[i] = 0; // 初始都未用过该点

if(dist[i] == maxint)

prev[i] = 0;

else

prev[i] = v;

}

dist[v] = 0;

s[v] = 1;

// 依次将未放入S集合的结点中，取dist[]最小值的结点，放入结合S中

// 一旦S包含了所有V中顶点，dist就记录了从源点到所有其他顶点之间的最短路径长度

// 注意是从第二个节点开始，第一个为源点

for(int i=2; i<=n; ++i)

{

int tmp = maxint;

int u = v;

// 找出当前未使用的点j的dist[j]最小值

for(int j=1; j<=n; ++j)

if((!s[j]) && dist[j]<tmp)

{

u = j; // u保存当前邻接点中距离最小的点的号码

tmp = dist[j];

}

s[u] = 1; // 表示u点已存入S集合中

// 更新dist

for(int j=1; j<=n; ++j)

if((!s[j]) && c[u][j]<maxint)

{

int newdist = dist[u] + c[u][j];

if(newdist < dist[j])

{

dist[j] = newdist;

prev[j] = u;

}

}

}

}

// 查找从源点v到终点u的路径，并输出

void searchPath(int *prev,int v, int u)

{

int que[maxnum];

int tot = 1;

que[tot] = u;

tot++;

int tmp = prev[u];

while(tmp != v)

{

que[tot] = tmp;

tot++;

tmp = prev[tmp];

}

que[tot] = v;

for(int i=tot; i>=1; --i)

if(i != 1)

cout << que[i] << " -> ";

else

cout << que[i] << endl;

}

int main()

{

freopen("input.txt", "r", stdin);

// 各数组都从下标1开始

// 输入结点数

cin >> n;

// 输入路径数

cin >> line;

int p, q, len; // 输入p, q两点及其路径长度

// 初始化c[][]为maxint

for(int i=1; i<=n; ++i)

for(int j=1; j<=n; ++j)

c[i][j] = maxint;

for(int i=1; i<=line; ++i)

{

cin >> p >> q >> len;

if(len < c[p][q]) // 有重边

{

c[p][q] = len; // p指向q

c[q][p] = len; // q指向p，这样表示无向图

}

}

for(int i=1; i<=n; ++i)

dist[i] = maxint;

for(int i=1; i<=n; ++i)

{

for(int j=1; j<=n; ++j)

printf("%8d", c[i][j]);

printf("\");

}

Dijkstra(n, 1, dist, prev, c);

// 最短路径长度

cout << "源点到最后一个顶点的最短路径长度: " << dist[n] << endl;

// 路径

cout << "源点到最后一个顶点的路径为: ";

searchPath(prev, 1, n);

}

输入数据:

5

7

1 2 10

1 4 30

1 5 100

2 3 50

3 5 10

4 3 20

4 5 60

输出数据:

999999 10 999999 30 100

10 999999 50 999999 999999

999999 50 999999 20 10

30 999999 20 999999 60

100 999999 10 60 999999

源点到最后一个顶点的最短路径长度: 60

源点到最后一个顶点的路径为: 1 -> 4 -> 3 -> 5

最后给出两道题目练手，都是直接套用模版就OK的：

1.HDOJ 1874 畅通工程续

2.HDOJ 2544 最短路