迪杰斯特拉算法
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路径算法，用于计算一个结点到其他结点的最短路径。 它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展(广度优先搜索思想)，直到扩展到终点为止。
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法过程
设置出发顶点为v，顶点集合V{v1,v2,vi…}，v到V中各顶点的距离构成距离集合Dis，Dis{d1,d2,di…}，Dis集合记录着v到图中各顶点的距离(到自身可以看作0，v到vi距离对应为di)
- 从Dis中选择值最小的di并移出Dis集合，同时移出V集合中对应的顶点vi，此时的v到vi即为最短路径
- 更新Dis集合，更新规则为：比较v到V集合中顶点的距离值，与v通过vi到V集合中顶点的距离值，保留值较小的一个(同时也应该更新顶点的前驱节点为vi，表明是通过vi到达的)
- 重复执行两步骤，直到最短路径顶点为目标顶点即可结束
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法最佳应用-最短路径
战争时期，胜利乡有7个村庄(A, B, C, D, E, F, G) ，现在有六个邮差，从G点出发，需要分别把邮件分别送到 A, B, C , D, E, F 六个村庄
各个村庄的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 5公里
问：如何计算出G村庄到 其它各个村庄的最短距离? 如果从其它点出发到各个点的最短距离又是多少?
思路图解
代码实现
import java.util.Arrays;
public class DijkstraAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
//邻接矩阵
int[][] matrix = new int[vertex.length][vertex.length];
final int N = 65535;// 表示不可以连接
matrix[0]=new int[]{N,5,7,N,N,N,2};
matrix[1]=new int[]{5,N,N,9,N,N,3};
matrix[2]=new int[]{7,N,N,N,8,N,N};
matrix[3]=new int[]{N,9,N,N,N,4,N};
matrix[4]=new int[]{N,N,8,N,N,5,4};
matrix[5]=new int[]{N,N,N,4,5,N,6};
matrix[6]=new int[]{2,3,N,N,4,6,N};
//创建 Graph对象
Graph graph = new Graph(vertex, matrix);
//测试, 看看图的邻接矩阵是否ok
graph.showGraph();
//测试迪杰斯特拉算法
graph.dsj(2);//C
graph.showDijkstra();
}
}
class Graph {
private char[] vertex; // 顶点数组
private int[][] matrix; // 邻接矩阵
private VisitedVertex vv; //已经访问的顶点的集合
// 构造器
public Graph(char[] vertex, int[][] matrix) {
this.vertex = vertex;
this.matrix = matrix;
}
//显示结果
public void showDijkstra() {
vv.show();
}
// 显示图
public void showGraph() {
for (int[] link : matrix) {
System.out.println(Arrays.toString(link));
}
}
//迪杰斯特拉算法实现
/**
*
* @param index 表示出发顶点对应的下标
*/
public void dsj(int index) {
vv = new VisitedVertex(vertex.length, index);
update(index);//更新index顶点到周围顶点的距离和前驱顶点
for(int j = 1; j <vertex.length; j++) {
index = vv.updateArr();// 选择并返回新的访问顶点
update(index); // 更新index顶点到周围顶点的距离和前驱顶点
}
}
//更新index下标顶点到周围顶点的距离和周围顶点的前驱顶点,
private void update(int index) {
int len = 0;
//根据遍历我们的邻接矩阵的 matrix[index]行
for(int j = 0; j < matrix[index].length; j++) {
// len 含义是 : 出发顶点到index顶点的距离 + 从index顶点到j顶点的距离的和
len = vv.getDis(index) + matrix[index][j];
// 如果j顶点没有被访问过，并且 len 小于出发顶点到j顶点的距离，就需要更新
if(!vv.in(j) && len < vv.getDis(j)) {
vv.updatePre(j, index); //更新j顶点的前驱为index顶点
vv.updateDis(j, len); //更新出发顶点到j顶点的距离
}
}
}
}
// 已访问顶点集合
class VisitedVertex {
// 记录各个顶点是否访问过 1表示访问过,0未访问,会动态更新
public int[] already_arr;
// 每个下标对应的值为前一个顶点下标, 会动态更新
public int[] pre_visited;
// 记录出发顶点到其他所有顶点的距离,比如G为出发顶点，就会记录G到其它顶点的距离，会动态更新，求的最短距离就会存放到dis
public int[] dis;
//构造器
/**
*
* @param length :表示顶点的个数
* @param index: 出发顶点对应的下标, 比如G顶点，下标就是6
*/
public VisitedVertex(int length, int index) {
this.already_arr = new int[length];
this.pre_visited = new int[length];
this.dis = new int[length];
//初始化 dis数组
Arrays.fill(dis, 65535);
this.already_arr[index] = 1; //设置出发顶点被访问过
this.dis[index] = 0;//设置出发顶点的访问距离为0
}
/**
* 功能: 判断index顶点是否被访问过
* @param index
* @return 如果访问过，就返回true, 否则访问false
*/
public boolean in(int index) {
return already_arr[index] == 1;
}
/**
* 功能: 更新出发顶点到index顶点的距离
* @param index
* @param len
*/
public void updateDis(int index, int len) {
dis[index] = len;
}
/**
* 功能: 更新pre这个顶点的前驱顶点为index顶点
* @param pre
* @param index
*/
public void updatePre(int pre, int index) {
pre_visited[pre] = index;
}
/**
* 功能:返回出发顶点到index顶点的距离
* @param index
*/
public int getDis(int index) {
return dis[index];
}
/**
* 继续选择并返回新的访问顶点， 比如这里的G 完后，就是 A点作为新的访问顶点(注意不是出发顶点)
* @return
*/
public int updateArr() {
int min = 65535, index = 0;
for(int i = 0; i < already_arr.length; i++) {
if(already_arr[i] == 0 && dis[i] < min ) {
min = dis[i];
index = i;
}
}
//更新 index 顶点被访问过
already_arr[index] = 1;
return index;
}
//显示最后的结果
//即将三个数组的情况输出
public void show() {
System.out.println("==========================");
//输出already_arr
for(int i : already_arr) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//输出pre_visited
for(int i : pre_visited) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//输出dis
for(int i : dis) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//为了好看最后的最短距离，我们处理
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
int count = 0;
for (int i : dis) {
if (i != 65535) {
System.out.print(vertex[count] + "("+i+") ");
} else {
System.out.println("N ");
}
count++;
}
System.out.println();
}
}
弗洛伊德算法
和Dijkstra算法一样，弗洛伊德(Floyd)算法也是一种用于寻找给定的加权图中顶点间最短路径的算法。该算法名称以创始人之一、1978年图灵奖获得者、斯坦福大学计算机科学系教授罗伯特·弗洛伊德命名
弗洛伊德算法(Floyd)计算图中各个顶点之间的最短路径
迪杰斯特拉算法用于计算图中某一个顶点到其他顶点的最短路径。
弗洛伊德(Floyd)算法最佳应用-最短路径
胜利乡有7个村庄(A, B, C, D, E, F, G) 各个村庄的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 5公里 问：如何计算出各村庄到 其它各村庄的最短距离?
思路图解
第一轮循环中，以A(下标为：0)作为中间顶点，距离表和前驱关系更新为：
分析如下：
- 以A顶点作为中间顶点是，B->A->C的距离由N->9，同理C到B；C->A->G的距离由N->12，同理G到C
- 更换中间顶点，循环执行操作，直到所有顶点都作为中间顶点更新后，计算结束
代码实现
import java.util.Arrays;
public class FloydAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
// 测试看看图是否创建成功
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
//创建邻接矩阵
int[][] matrix = new int[vertex.length][vertex.length];
final int N = 65535;
matrix[0] = new int[] { 0, 5, 7, N, N, N, 2 };
matrix[1] = new int[] { 5, 0, N, 9, N, N, 3 };
matrix[2] = new int[] { 7, N, 0, N, 8, N, N };
matrix[3] = new int[] { N, 9, N, 0, N, 4, N };
matrix[4] = new int[] { N, N, 8, N, 0, 5, 4 };
matrix[5] = new int[] { N, N, N, 4, 5, 0, 6 };
matrix[6] = new int[] { 2, 3, N, N, 4, 6, 0 };
//创建 Graph 对象
Graph graph = new Graph(vertex.length, matrix, vertex);
//调用弗洛伊德算法
graph.floyd();
graph.show();
}
}
// 创建图
class Graph {
private char[] vertex; // 存放顶点的数组
private int[][] dis; // 保存，从各个顶点出发到其它顶点的距离，最后的结果，也是保留在该数组
private int[][] pre;// 保存到达目标顶点的前驱顶点
// 构造器
/**
*
* @param length
* 大小
* @param matrix
* 邻接矩阵
* @param vertex
* 顶点数组
*/
public Graph(int length, int[][] matrix, char[] vertex) {
this.vertex = vertex;
this.dis = matrix;
this.pre = new int[length][length];
// 对pre数组初始化, 注意存放的是前驱顶点的下标
for (int i = 0; i < length; i++) {
Arrays.fill(pre[i], i);
}
}
// 显示pre数组和dis数组
public void show() {
//为了显示便于阅读，我们优化一下输出
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
for (int k = 0; k < dis.length; k++) {
// 先将pre数组输出的一行
for (int i = 0; i < dis.length; i++) {
System.out.print(vertex[pre[k][i]] + " ");
}
System.out.println();
// 输出dis数组的一行数据
for (int i = 0; i < dis.length; i++) {
System.out.print("("+vertex[k]+"到"+vertex[i]+"的最短路径是" + dis[k][i] + ") ");
}
System.out.println();
System.out.println();
}
}
//弗洛伊德算法, 比较容易理解，而且容易实现
public void floyd() {
int len = 0; //变量保存距离
//对中间顶点遍历， k 就是中间顶点的下标 [A, B, C, D, E, F, G]
for(int k = 0; k < dis.length; k++) { //
//从i顶点开始出发 [A, B, C, D, E, F, G]
for(int i = 0; i < dis.length; i++) {
//到达j顶点 // [A, B, C, D, E, F, G]
for(int j = 0; j < dis.length; j++) {
len = dis[i][k] + dis[k][j];// => 求出从i 顶点出发，经过 k中间顶点，到达 j 顶点距离
if(len < dis[i][j]) {//如果len小于 dis[i][j]
dis[i][j] = len;//更新距离
pre[i][j] = pre[k][j];//更新前驱顶点
}
}
}
}
}
}
弗洛伊德算法 VS 迪杰斯特拉算法
迪杰斯特拉算法通过选定的被访问顶点，求出从出发访问顶点到其他顶点的最短路径；弗洛伊德算法中每一个顶点都是出发访问点，所以需要将每一个顶点看做被访问顶点，求出从每一个顶点到其他顶点的最短路径。