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迪傑斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路徑算法,用於計算一個節點到其他節點的最短路徑。
它的主要特點是以起始點爲中心向外層層擴展(廣度優先搜索思想),直到擴展到終點爲止
基本思想
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通過Dijkstra計算圖G中的最短路徑時,需要指定起點s(即從頂點s開始計算)。
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此外,引進兩個集合S和U。S的作用是記錄已求出最短路徑的頂點(以及相應的最短路徑長度),而U則是記錄還未求出最短路徑的頂點(以及該頂點到起點s的距離)。
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初始時,S中只有起點s;U中是除s之外的頂點,並且U中頂點的路徑是”起點s到該頂點的路徑”。然後,從U中找出路徑最短的頂點,並將其加入到S中;接着,更新U中的頂點和頂點對應的路徑。 然後,再從U中找出路徑最短的頂點,並將其加入到S中;接着,更新U中的頂點和頂點對應的路徑。 … 重複該操作,直到遍歷完所有頂點。
操作步驟
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初始時,S只包含起點s;U包含除s外的其他頂點,且U中頂點的距離爲”起點s到該頂點的距離”[例如,U中頂點v的距離爲(s,v)的長度,然後s和v不相鄰,則v的距離爲∞]。
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從U中選出”距離最短的頂點k”,並將頂點k加入到S中;同時,從U中移除頂點k。
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更新U中各個頂點到起點s的距離。之所以更新U中頂點的距離,是由於上一步中確定了k是求出最短路徑的頂點,從而可以利用k來更新其它頂點的距離;例如,(s,v)的距離可能大於(s,k)+(k,v)的距離。
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重複步驟(2)和(3),直到遍歷完所有頂點。
單純的看上面的理論可能比較難以理解,下面通過實例來對該算法進行說明。
圖解
以上圖G4爲例,來對迪傑斯特拉進行算法演示(以第4個頂點D爲起點)。注:以下圖中所有B(23)應改爲B(13)。
初始狀態:S是已計算出最短路徑的頂點集合,U是未計算除最短路徑的頂點的集合!
第1步:將頂點D加入到S中。
此時,S={D(0)}, U={A(∞),B(∞),C(3),E(4),F(∞),G(∞)}。 注:C(3)表示C到起點D的距離是3。
第2步:將頂點C加入到S中。
上一步操作之後,U中頂點C到起點D的距離最短;因此,將C加入到S中,同時更新U中頂點的距離。以頂點F爲例,之前F到D的距離爲∞;但是將C加入到S之後,F到D的距離爲9=(F,C)+(C,D)。
此時,S={D(0),C(3)}, U={A(∞),B(13),E(4),F(9),G(∞)}。
第3步:將頂點E加入到S中。
上一步操作之後,U中頂點E到起點D的距離最短;因此,將E加入到S中,同時更新U中頂點的距離。還是以頂點F爲例,之前F到D的距離爲9;但是將E加入到S之後,F到D的距離爲6=(F,E)+(E,D)。
此時,S={D(0),C(3),E(4)}, U={A(∞),B(13),F(6),G(12)}。
第4步:將頂點F加入到S中。
此時,S={D(0),C(3),E(4),F(6)}, U={A(22),B(13),G(12)}。
第5步:將頂點G加入到S中。
此時,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12)}, U={A(22),B(13)}。
第6步:將頂點B加入到S中。
此時,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13)}, U={A(22)}。
第7步:將頂點A加入到S中。
此時,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}。
此時,起點D到各個頂點的最短距離就計算出來了:A(22) B(13) C(3) D(0) E(4) F(6) G(12)。
代碼
// 鄰接矩陣
typedef struct _graph
{
char vexs[MAX]; // 頂點集合
int vexnum; // 頂點數
int edgnum; // 邊數
int matrix[MAX][MAX]; // 鄰接矩陣
}Graph, *PGraph;
// 邊的結構體
typedef struct _EdgeData
{
char start; // 邊的起點
char end; // 邊的終點
int weight; // 邊的權重
}EData;
迪傑斯特拉算法
/*
* Dijkstra最短路徑。
* 即,統計圖(G)中"頂點vs"到其它各個頂點的最短路徑。
*
* 參數說明:
* G -- 圖
* vs -- 起始頂點(start vertex)。即計算"頂點vs"到其它頂點的最短路徑。
* prev -- 前驅頂點數組。即,prev[i]的值是"頂點vs"到"頂點i"的最短路徑所經歷的全部頂點中,位於"頂點i"之前的那個頂點。
* dist -- 長度數組。即,dist[i]是"頂點vs"到"頂點i"的最短路徑的長度。
*/
void dijkstra(Graph G, int vs, int prev[], int dist[])
{
int i,j,k;
int min;
int tmp;
int flag[MAX]; // flag[i]=1表示"頂點vs"到"頂點i"的最短路徑已成功獲取。
// 初始化
for (i = 0; i < G.vexnum; i++)
{
flag[i] = 0; // 頂點i的最短路徑還沒獲取到。
prev[i] = 0; // 頂點i的前驅頂點爲0。
dist[i] = G.matrix[vs][i];// 頂點i的最短路徑爲"頂點vs"到"頂點i"的權。
}
// 對"頂點vs"自身進行初始化
flag[vs] = 1;
dist[vs] = 0;
// 遍歷G.vexnum-1次;每次找出一個頂點的最短路徑。
for (i = 1; i < G.vexnum; i++)
{
// 尋找當前最小的路徑;
// 即,在未獲取最短路徑的頂點中,找到離vs最近的頂點(k)。
min = INF;
for (j = 0; j < G.vexnum; j++)
{
if (flag[j]==0 && dist[j]<min)
{
min = dist[j];
k = j;
}
}
// 標記"頂點k"爲已經獲取到最短路徑
flag[k] = 1;
// 修正當前最短路徑和前驅頂點
// 即,當已經"頂點k的最短路徑"之後,更新"未獲取最短路徑的頂點的最短路徑和前驅頂點"。
for (j = 0; j < G.vexnum; j++)
{
tmp = (G.matrix[k][j]==INF ? INF : (min + G.matrix[k][j])); // 防止溢出
if (flag[j] == 0 && (tmp < dist[j]) )
{
dist[j] = tmp;
prev[j] = k;
}
}
}
// 打印dijkstra最短路徑的結果
printf("dijkstra(%c): \n", G.vexs[vs]);
for (i = 0; i < G.vexnum; i++)
printf(" shortest(%c, %c)=%d\n", G.vexs[vs], G.vexs[i], dist[i]);
}