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Dijkstra算法(三)之 Java詳解

前面分别通過C和C++實作了迪傑斯特拉算法,本文介紹迪傑斯特拉算法的Java實作。 目錄  1. 迪傑斯特拉算法介紹  2. 迪傑斯特拉算法圖解  3. 迪傑斯特拉算法的代碼說明  4. 迪傑斯特拉算法的源碼 作者:skywang12345

迪傑斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路徑算法,用于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為中心向外層層擴充(廣度優先搜尋思想),直到擴充到終點為止。

基本思想

     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)。

     初始時,S中隻有起點s;U中是除s之外的頂點,并且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,并将其加入到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,并将其加入到S中;接着,更新U中的頂點和頂點對應的路徑。 ... 重複該操作,直到周遊完所有頂點。

操作步驟

(1) 初始時,S隻包含起點s;U包含除s外的其他頂點,且U中頂點的距離為"起點s到該頂點的距離"[例如,U中頂點v的距離為(s,v)的長度,然後s和v不相鄰,則v的距離為∞]。

(2) 從U中選出"距離最短的頂點k",并将頂點k加入到S中;同時,從U中移除頂點k。

(3) 更新U中各個頂點到起點s的距離。之是以更新U中頂點的距離,是由于上一步中确定了k是求出最短路徑的頂點,進而可以利用k來更新其它頂點的距離;例如,(s,v)的距離可能大于(s,k)+(k,v)的距離。

(4) 重複步驟(2)和(3),直到周遊完所有頂點。

單純的看上面的理論可能比較難以了解,下面通過執行個體來對該算法進行說明。

Dijkstra算法(三)之 Java詳解

以上圖G4為例,來對迪傑斯特拉進行算法示範(以第4個頂點D為起點)。

Dijkstra算法(三)之 Java詳解

初始狀态: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:将頂點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:将頂點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;是以,将C加入到S中,同時更新U中頂點的距離。以頂點F為例,之前F到D的距離為∞;但是将C加入到S之後,F到D的距離為9=(F,C)+(C,D)。 

    此時,S={D(0),C(3)}, U={A(∞),B(23),E(4),F(9),G(∞)}。

第3步:将頂點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;是以,将E加入到S中,同時更新U中頂點的距離。還是以頂點F為例,之前F到D的距離為9;但是将E加入到S之後,F到D的距離為6=(F,E)+(E,D)。 

    此時,S={D(0),C(3),E(4)}, U={A(∞),B(23),F(6),G(12)}。

第4步:将頂點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:将頂點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:将頂點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:将頂點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)。

以"鄰接矩陣"為例對迪傑斯特拉算法進行說明,對于"鄰接表"實作的圖在後面會給出相應的源碼。

1. 基本定義

MatrixUDG是鄰接矩陣對應的結構體。mVexs用于儲存頂點,mEdgNum用于儲存邊數,mMatrix則是用于儲存矩陣資訊的二維數組。例如,mMatrix[i][j]=1,則表示"頂點i(即mVexs[i])"和"頂點j(即mVexs[j])"是鄰接點;mMatrix[i][j]=0,則表示它們不是鄰接點。

2. 迪傑斯特拉算法