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数据结构应用实例(六)——最短路径

Content:

      • 一、题目描述
      • 二、算法思想
      • 三、代码实现
      • 四、小结

一、题目描述

  实现求最短路径的两种算法:Dijsktra 算法和 Floyd 算法;

二、算法思想

  1. Dijkstra算法
    求一个点到图中其余节点的最短路径;
    首先设置三个辅助数组:
      (1) f l a g , f l a g [ i ] = = 1 flag,flag[i]==1 flagflag[i]==1 表示已求得起点到节点 i i i 的最短路径;
      (2) p r e , p r e [ i ] pre,pre[i] prepre[i] 表示节点 i i i 的前驱;
      (3) d i s , d i s [ i ] dis,dis[i] disdis[i] 表示已经求得最短路径中的点到点 i i i 的最短路径长度;
    然后进行以下步骤:
    (1)、初始化(不妨设起点编号为0): f l a g [ 0 ] = 1 , f l a g [ i ] = 0 , i = 1 , 2 , ⋯   , n − 1 ; flag[0]=1, flag[i]=0, i=1,2,\cdots,n-1; flag[0]=1,flag[i]=0,i=1,2,,n1
    d i s [ 0 ] = 0 , d i s [ i ] = G → A [ 0 ] [ i ] , i = 1 , 2 , ⋯   , n − 1 ; dis[0]=0, dis[i]=G\to A[0][i], i=1,2,\cdots,n-1; dis[0]=0,dis[i]=GA[0][i],i=1,2,,n1
    p r e [ 0 ] = 0 , p r e [ i ] = 0 pre[0]=0, pre[i]=0 pre[0]=0,pre[i]=0 如果 d i s [ i ] < ∞ , p r e [ i ] = − 1 dis[i]<\infty,pre[i]=-1 dis[i]<pre[i]=1 如果 d i s [ i ] = = ∞ , i = 1 , 2 , ⋯   , n − 1 dis[i]==\infty,i=1,2,\cdots,n-1 dis[i]==i=1,2,,n1
    (2)、选择 d i s [ j ] = M i n { d i s [ i ] ∣ f l a g [ i ] = = 0 } dis[j]=Min\lbrace dis[i] | flag[i]==0 \rbrace dis[j]=Min{dis[i]flag[i]==0},如果 d i s [ j ] < ∞ dis[j]<\infty dis[j]<,使 f l a g [ j ] = 1 flag[j]=1 flag[j]=1
    (3)、更新 d i s [ i ] dis[i] dis[i] p r e [ i ] pre[i] pre[i] i i i 号节点为 j j j 号节点的直接后继且 f l a g [ i ] = = 0 flag[i]==0 flag[i]==0,如果 d i s [ i ] > d i s [ j ] + G → A [ j ] [ i ] dis[i]>dis[j]+G\to A[j][i] dis[i]>dis[j]+GA[j][i],令 d i s [ i ] = d i s [ j ] + G → A [ j ] [ i ] , p r e [ i ] = j dis[i]=dis[j]+G\to A[j][i], pre[i]=j dis[i]=dis[j]+GA[j][i],pre[i]=j,程序中使用邻接表进行处理;
    (4)、重复步骤(2)、(3),直到 f l a g [ i ] = 1 , i = 0 , 1 , ⋯   , n − 1 flag[i]=1,i=0,1,\cdots,n-1 flag[i]=1,i=0,1,,n1 或者选择的节点 j j j 满足 d i s [ j ] = = ∞ dis[j]==\infty dis[j]==
    经过上述过程即可求得起点到可到达节点的最短路径;

  2. Floyd 算法
    求图中任意两点间的最短路径;
    以求顶点 v i v_i vi v j v_j vj 的最短路径为例, G → A [ i ] [ j ] G\to A[i][j] GA[i][j] 不一定恰好是最短路径,也许经过其他节点中转后得到的路径长度更短,因此需要进行 n 次试探;
      第 k 次试探,中间节点的编号均不超过 k-1,从第 k 次到第 k+1 次的做法,添加节点 k,如果 v [ 1 , ⋯   , k ] v[1,\cdots,k] v[1,,k] v [ k , ⋯   , j ] v[k,\cdots,j] v[k,,j] (中间节点的编号均不超过 k-1) 拼接成的路径 v [ i , ⋯   , k , ⋯   , j ] v[i,\cdots,k,\cdots,j] v[i,,k,,j] v [ i , ⋯   , j ] v[i,\cdots,j] v[i,,j] (中间节点的编号均不超过 k-1) 长度更短,则更新 v i v_i vi v j v_j vj 的路径;经过 n 次试探之后,得到 v [ i , ⋯   , j ] v[i,\cdots,j] v[i,,j] (中间节点的编号均不超过 n-1),此时的路径即为 v i v_i vi v j v_j vj 的最短路径;
      编程时采用两个辅助数组 p a t h path path D D D p a t h [ i ] [ j ] path[i][j] path[i][j] 记录 v i v_i vi v j v_j vj 的路径上的最后一个中转点,初始值为 i i i D [ i ] [ j ] D[i][j] D[i][j] 记录 v i v_i vi v j v_j vj 的路径长度, D D D 初始值为 G → A G\to A GA;进行 n 次试探,也就是对 p a t h path path D D D 进行了 n 次更新,最终得到想要结果;

三、代码实现

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#define maxx 99999
#pragma warning(disable:4996)

typedef struct arc//弧
{	
	int index;//指向节点编号
	int weight;//边的权值
	struct arc *next;
}AR;

typedef struct MyGraph//图(包含邻接矩阵和邻接表)
{
	int type;//0表示无向图,1表示有向图
	int arcnum,vexnum;//边的个数、顶点个数
	char **vexname;//存放顶点名称的二维数组	
	AR *N;//表头数组
	int **A;//邻接矩阵
}GH;

int findvex(char *s,GH *G);//找到图G中名称为s的节点编号,并将其返回
void createGraph(GH *G);//创建图G
void showGraph(GH *G);//以邻接表的形式显示图G
void Dijkstra(GH *G,char *start);//Dijkstra算法求图G中点start到其余节点的最短路径
void Floyd(GH *G);//Floyd算法求图G中任意两点间的最短路径
void showPath(GH *G,int **path,int i,int j);//递归输出Floyd算法中i号节点到j号节点的最短路径,path存放最后一个中转点

int main(void)
{
	char start[20];
	GH *G=(GH *)malloc(sizeof(GH));
	//创建图
	createGraph(G);
	printf("图的邻接表形式:\n");
	showGraph(G);
	//Dijkstra算法
	printf("\n=========================Dijkstra算法===============================\n");
	printf("请输入起点名称(#表结束):\n");
	scanf("%s",start);
	while (strcmp(start, "#"))
	{
		Dijkstra(G,start);
		printf("\n请输入起点名称(#表结束):\n");
		scanf("%s",start);
	}
	system("pause");
	printf("\n\n===========================Floyd算法===============================\n");
	//Floyd算法
	Floyd(G);
	printf("\n");

	free(G);
	return 0;
}


int findvex(char *s,GH *G)//找到图G中名称为s的节点编号,并将其返回
{
	for(int i=0;i<G->vexnum;i++)
	{
		if(strcmp(s,G->vexname[i])==0)//找到匹配节点
			return i;
	}
	printf("该点不存在\n");
	exit(-1);
}

void createGraph(GH *G)//创建图G
{
	int i,j,n,edge;
	char filename[]="graph1.txt";//存放图的数据文件
	char str[10],str1[10];
	FILE *fp;
	AR *p;

	fp=fopen(filename,"r");
	if(!fp)
	{
		printf("打开文件失败!\n");
		exit(-1);
	}

	fscanf(fp,"%d",&G->type);//读取图的类型
	G->arcnum=0;
	fscanf(fp,"%d",&n);//读取结点数量
	G->vexnum=n;

	//为动态数组分配空间
	G->vexname=(char **)malloc(n*sizeof(char *));
	G->N=(AR *)malloc(n*sizeof(AR));
	G->A=(int **)malloc(n*sizeof(int *));

	//对头结点数组和邻接矩阵初始化
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		G->N[i].next = NULL;
		G->A[i] = (int *)malloc(n*sizeof(int));
		for (j = 0; j < n; j++)
			G->A[i][j]=maxx;
	}

	//读取顶点名称
	for(i=0;i<n;i++)
	{
		fscanf(fp,"%s",str);
		G->vexname[i]=(char *)malloc(strlen(str)*sizeof(char));
		strcpy(G->vexname[i],str);
	}

	//读取边
	while(!feof(fp))
	{
		fscanf(fp,"%s",str);
		fscanf(fp,"%s",str1);
		fscanf(fp,"%d",&edge);

		i=findvex(str,G);
		j=findvex(str1,G);
		//邻接表
		p=(AR *)malloc(sizeof(AR));
		p->index=j;
		p->weight=edge;
		p->next=G->N[i].next;
		G->N[i].next=p;
		//邻接矩阵
		G->A[i][j]=edge;
		G->arcnum++;//边的个数增加
		if(G->type==0)//如果是无向图
		{
			//邻接表
			p=(AR *)malloc(sizeof(AR));
			p->index=i;
			p->weight=edge;
			p->next=G->N[j].next;
			G->N[j].next=p;
			//邻接矩阵
			G->A[j][i]=edge;
		}
	}
	fclose(fp);
}

void showGraph(GH *G)//以邻接表的形式显示图G
{
	int i;
	AR *p;//用于遍历
	for (i = 0; i < G->vexnum; i++)
	{
		printf("%s",G->vexname[i]);
		p=G->N[i].next;
		while (p)
		{
			if (G->type == 1)
				printf("-->");
			else//无向图没有箭头
				printf("--");
			printf("%s(%d)",G->vexname[p->index],p->weight);
			p=p->next;
		}
		printf("\n");
	}
	printf("\n");
}

void Dijkstra(GH *G,char *start)//Dijkstra算法求图G中点start到其余节点的最短路径
{
	int i,n,begin,next;
	int min;
	int *flag,*dis,*pre;
	int *t,top,p;
	AR *q;

	begin=findvex(start,G);//起点编号
	n=G->vexnum;
	flag=(int *)malloc(n*sizeof(int));//指示是否找到最短路径
	dis=(int *)malloc(n*sizeof(int));//已求得最短路径的点到该点的最短路径的长度
	pre=(int *)malloc(n*sizeof(int));//前驱
	t=(int *)malloc(n*sizeof(int));//建立栈,存储路径

	//数组初始化
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		flag[i]=0;
		dis[i]=G->A[begin][i];
		if (dis[i] < maxx)
			pre[i]=begin;
		else
			pre[i]=-1;
	}
	flag[begin]=1;
	dis[begin]=0;
	pre[begin]=-1;

	//在未找到最短路径的点中挑选路径最短的点
	min=maxx;
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		if (flag[i] == 0 && dis[i] < min)
		{
			min=dis[i];
			next=i;
		}
	}
	while(min < maxx)//找到之后,如果min<maxx,说明有新的点的flag将会被设为1
	{
		flag[next]=1;
		q=G->N[next].next;
		while (q)//更新next的未找到最短路径的直接后继的最短路径长度和前驱
		{
			if (flag[q->index] == 0 && dis[q->index] > dis[next] + (q->weight))
			{
				dis[q->index]= dis[next] + (q->weight);
				pre[q->index]=next;
			}
			q=q->next;
		}		
		//继续寻找最近点
		min=maxx;
		for (i = 0; i < n; i++)
		{
			if (flag[i] == 0 && dis[i] < min)
			{
				min=dis[i];
				next=i;
			}
		}
	}

	//寻找结束,结果输出
	printf("\n起点到各个顶点的最短路径:\n\n");
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		if(i==begin)
			continue;
		printf("%s--%s:",G->vexname[begin],G->vexname[i]);
		if (pre[i] == -1)
			printf("从起点出发无法到达该点\n");
		else
		{
			top = -1;
			p = i;  
			while (p != begin)//将前驱依次放入栈中
			{
				top++;
				t[top] = p;
				p = pre[p];
			}
			printf("%s",G->vexname[begin]);
			while (top >= 0)//利用栈实现路径的正向输出
			{
				p=t[top];
				top--;
				printf("-->%s",G->vexname[p]);
			}
			printf("  最短路径长度为:%d\n",dis[i]);
		}
		printf("\n");
	}

	free(flag);
	free(dis);
	free(pre);
	free(t);
}

void Floyd(GH *G)//Floyd算法求图G中任意两点间的最短路径
{
	int i,j,k,n;
	int **path,**D;
	n=G->vexnum;//节点个数
	path=(int **)malloc(n*sizeof(int*));//两点间最短路径上的最后一个中转点
	D=(int **)malloc(n*sizeof(int*));//两点间最短路径长度

	//初始化
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		path[i]=(int *)malloc(n*sizeof(int));
		D[i]=(int *)malloc(n*sizeof(int));
		for (j = 0; j < n; j++)
		{
			path[i][j]=i;
			D[i][j]=G->A[i][j];
		}
	}

	for (k = 0; k < n; k++)//中转点层为最外层
		for (i = 0; i < n; i++)
			for (j = 0; j < n; j++)
				if (D[i][j] > D[i][k] + D[k][j])//更新路径长度和中转点
				{
					D[i][j]= D[i][k] + D[k][j];
					path[i][j]=k;
				}

	//显示路径
	printf("\n两点间的最短路径为:\n");
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		for (j = 0; j < n; j++)
		{
			if(j==i)
				continue;
			printf("\n%s--%s:",G->vexname[i],G->vexname[j]);
			if (D[i][j] == maxx)
				printf("这两点之间没有路径\n");
			else
			{
				printf("%s",G->vexname[i]);
				showPath(G, path, i, j);
				printf("%s",G->vexname[j]);
				printf("  最短路径长度为:%d\n", D[i][j]);
			}
		}
	}

	free(path);
	free(D);
}

void showPath(GH *G,int **path,int i,int j)//递归输出Floyd算法中i号节点到j号节点的最短路径,path存放最后一个中转点
{   //假定两点之间存在路径
	int k=path[i][j];
	//基准情况:没有中转点
	if(k==i)
		printf("-->");
	else//非基准情况
	{
		showPath(G,path,i,k);
		printf("%s",G->vexname[k]);
		showPath(G,path,k,j);
	}
}

四、小结

1、 采用递归的方式输出路径,为得到正确结果,将起点和终点放在递归函数外进行输出;
2、 迪杰斯特拉算法中,选择新加入的节点 j j j 时,如果 d i s [ j ] = = ∞ dis[j]==\infty dis[j]==,算法也会结束;


http://www.kler.cn/a/298953.html

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