Floyd算法(原理|代码实现)
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正如我们所知道的,Floyd算法用于求最短路径。Floyd算法可以说是Warshall算法的扩展,三个for循环就可以解决问题,所以它的时间复杂度为O(n^3)。
Floyd算法的基本思想如下:从任意节点A到任意节点B的最短路径不外乎2种可能,1是直接从A到B,2是从A经过若干个节点X到B。所以,我们假设Dis(AB)为节点A到节点B的最短路径的距离,对于每一个节点X,我们检查Dis(AX) + Dis(XB) < Dis(AB)是否成立,如果成立,证明从A到X再到B的路径比A直接到B的路径短,我们便设置Dis(AB) = Dis(AX)
+ Dis(XB),这样一来,当我们遍历完所有节点X,Dis(AB)中记录的便是A到B的最短路径的距离。
很简单吧,代码看起来可能像下面这样:
for ( int i { for ( int j { for ( int k { if ( { // Dis[i][j] } } } } |
但是这里我们要注意循环的嵌套顺序,如果把检查所有节点X放在最内层,那么结果将是不正确的,为什么呢?因为这样便过早的把i到j的最短路径确定下来了,而当后面存在更短的路径时,已经不再会更新了。
让我们来看一个例子,看下图:
图中红色的数字代表边的权重。如果我们在最内层检查所有节点X,那么对于A->B,我们只能发现一条路径,就是A->B,路径距离为9。而这显然是不正确的,真实的最短路径是A->D->C->B,路径距离为6。造成错误的原因就是我们把检查所有节点X放在最内层,造成过早的把A到B的最短路径确定下来了,当确定A->B的最短路径时Dis(AC)尚未被计算。所以,我们需要改写循环顺序,如下:
for ( int k { for ( int i { for ( int j { if ( { // Dis[i][j] } } } } |
这样一来,对于每一个节点X,我们都会把所有的i到j处理完毕后才继续检查下一个节点。
那么接下来的问题就是,我们如何找出最短路径呢?这里需要借助一个辅助数组Path,它是这样使用的:Path(AB)的值如果为P,则表示A节点到B节点的最短路径是A->...->P->B。这样一来,假设我们要找A->B的最短路径,那么就依次查找,假设Path(AB)的值为P,那么接着查找Path(AP),假设Path(AP)的值为L,那么接着查找Path(AL),假设Path(AL)的值为A,则查找结束,最短路径为A->L->P->B。
那么,如何填充Path的值呢?很简单,当我们发现Dis(AX) + Dis(XB) < Dis(AB)成立时,就要把最短路径改为A->...->X->...->B,而此时,Path(XB)的值是已知的,所以,Path(AB) = Path(XB)。
好了,基本的介绍完成了,接下来就是实现的时候了,这里我们使用图以及邻接矩阵:
#define #define //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
struct Graph { int arrArcs[MAX_VERTEX_COUNT][MAX_VERTEX_COUNT]; // int nVertexCount; // int nArcCount; // }; ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// |
首先,我们写一个方法,用于读入图的数据:
void readGraphData( { std::cout "请输入顶点数量和边的数量: ; std::cin std::cin std::cout "请输入邻接矩阵数据:" << for ( int row { for ( int col { std::cin } } } |
接着,就是核心的Floyd算法:
void floyd( int _arrDis[][MAX_VERTEX_COUNT], int _arrPath[][MAX_VERTEX_COUNT], int _nVertexCount { // for ( int i { for ( int j { _arrPath[i][j] } } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// for ( int k { for ( int i { for ( int j { if ( { // _arrDis[i][j] _arrPath[i][j] } } } } } |
OK,最后是输出结果数据代码:
void printResult( int _arrDis[][MAX_VERTEX_COUNT], int _arrPath[][MAX_VERTEX_COUNT], int _nVertexCount { std::cout "Origin << for ( int i { for ( int j { if ( // { std::cout " << "\t\t" ; if ( // { std::cout "INFINITE" << "\t\t" ; } else { std::cout "\t\t" ; // // std::stack< int > int k do { k stackVertices.push( } while ( ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// std::cout stackVertices.pop(); unsigned int nLength for ( int nIndex { std::cout " << stackVertices.pop(); } std::cout " << } } } } } |
好了,是时候测试了,我们用的图如下:
测试代码如下:
int main( void ) { Graph readGraphData( ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// int arrDis[MAX_VERTEX_COUNT][MAX_VERTEX_COUNT]; int arrPath[MAX_VERTEX_COUNT][MAX_VERTEX_COUNT]; // for ( int i { for ( int j { arrDis[i][j] } } floyd( ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// printResult( ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// system ( "pause" ); return 0; } |
如图:
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