最短路算法 ：Bellman-ford算法 & Dijkstra算法 & floyd算法 & SPFA算法 详解


本文链接 ：http://www.cnblogs.com/Yan-C/p/3916281.html 。

在本文中因为邻接表在比赛中不如前向星好写，而且前向星效率并不低所以，本文的代码 存图只有两种：前向星 or 邻接矩阵

本文包含如下内容：

1、Bellman-Ford算法

　　　2、Dijkstra算法(代码 以邻接矩阵为例) && Dijkstra + 优先队列的优化(也就是堆优化)

　　　3、floyd-Warshall算法(代码 以邻接矩阵为例)

　　　4、SPFA(代码 以前向星为例)

　　　5、BFS 求解最短路

　　　6、路径还原

序章 ：

在开始最短路的算法之前，需要先说明一下 松弛 （relax）

　　　　松弛是什么？ 这个问题在我刚刚开始接触最短路的时候也是一脸茫然啊。但是在读了《算法导论》后我知道了。有资源的同学可以看一下。

　　　　不想看厚厚的书的同学看这儿 ： 松弛其实很简单，就是 用现在的最小路径去更新其他的路径。用C/C++写其实就是这个样子。　　　

1 if(dis[i]>dis[k]+G[k][i]){
2     dis[i] = dis[k]+G[k][i];
3 }
4 //其中dis[i]  是其他的路径
5 //dis[k]  是现在的最小路径
6 //G[k][i]  是现在的最小路径的点到其他路径点的权值。

　　　　在《算法导论》中松弛这一步 若条件成立 不仅更新了路径距离 && 更新了前驱。此处未写出。

插播一下 ：

　　　　 在讲完松弛操作之后，最短路算法开始之前，说一下什么是 最短路径的估计值

　　　　我们的源点用s表示。

　　　　在这里我们用数组 dis
来存储最短路径，dis
数组为源点到其他点的最小距离。

　　　　那么最最开始的最短路径的估计值 也就是对 dis
的初始化喽。

　　　　一般我们的初始化都是初始化为 dis
= +∞ ， But 在一些时候是初始化为dis
= 0的(“一些时候”后面再讲)。

　　　　But 源点是要初始化为0的， dis[s] = 0,因为s—>s的距离为0;

1 #define MAX 9999999
2
3 int dis[203];
4
5 fill(dis,dis+n,MAX);//不知此函数的可以百度
6 dis[s] = 0;

　　　　我们也可以这样原始的初始化。

1 #define MAX 9999999
2
3 int dis[203];
4 int i;
5
6 for(i=0;i<n;i++)
7     dis[i] = MAX;
8 dis[s] = 0;

1、Bellman-Ford算法 ：

　　　　bellman-ford 算法解决的是一般情况下的单源最短路径问题，其边可以为负值。bellman-ford算法可以判断图是否存在负环，若存在负环会返回一个布尔值。当然在没有负环存在的　　　　情况下会返回所求的最短路径的值。

　　　　bellman-ford() ：算法如下

　　　　1　　 图的初始化等操作

　　　　2　　for i = 1 to |G.V| - 1 // |G.V| 为图 G的点的总数

　　　　3　　　　for each edge(u,v)∈G.E //G.E 为图 G 的边

　　　　4 　　　　relax(u,v,w) 也就是if v.d>u.d+w(u,v) ， v.d = u.d+w(u,v);

　　　　5　　for each edge(u,v)∈G.E

　　　　6 　　　　if v.d>u.d+w(u,v) //v.d为出发源点到结点v的最短路径的估计值 u.d亦如此 w(u,v) 为u结点到v结点的权重值(通俗点就是u—>v的花费)。

　　　　7　　　　　　return false;

　　　　8　　return true

　　　　此算法分为3步：

　　　　1）
第1行对图进行初始化，初始化dis
= +∞,dis[s] = 0;

　　　　2） 第2~4行为求最短路的过程，是对图的每一条边进行|V|-1次松弛操作，求取最短路径。

　　　　 3） 第5~8行为对每条边进行|V|-1次松弛后，检查是否存在负环并返回相应的布尔值，因为进行|V|-1次松弛后若没有负环则v.d的值确定不变，若有负环则会继续进行松弛操作，因为一个数+负数是一定比它本身要小的。

　　　　此算法的 时间复杂度为O(VE)。

　　　　

eg ：

　　　　我们做一个简单的题练习一下：

　　　　多组输入。第一行给你两个数n(代表点),m(代表边)

　　　　第2—m+1行 ，每行三个数u，v, w。0<=u,v<n, w>=0;

　　　　第m+2行两个数 s, t 。 s为源点，t为要到达的目的点。

　　　　求s到t 的最短路，若存在最短路输出最短路的值，否则输出-1。

这也就是hdu 的题目 传送门


题解在此

说明 ： 因为此图w>=0,所以是一定没有负环的，因此没有 3）第5~8行的操作

对于bellman-ford算法 推荐使用结构体数组存储，因为比较方便和简洁，当然也可以用其他的数据结构。

用到的数据结构

1 struct node
2 {
3     int u, v, w;//u 为起点，v为终点，w为u—>v的权值
4 };
5 node edge[2003];

主函数对边的读取和存储

1 int main()
2 {
3     int i;
4
5     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){//输入点的总数n，边的总数m
6         for(i=0;i<m;i++)
7         {
8             scanf("%d %d %d",&edge[i].u,&edge[i].v,&edge[i].w);//每条边的u,v,w的输入
9             edge[i+m].u = edge[i].v;//因为为无向图所以u—>v和v—>u 是一样的
10             edge[i+m].v = edge[i].u;//So...
11             edge[i+m].w = edge[i].w;//So...
12         }
13         scanf("%d %d",&s,&t);//起点和终点
14         bellman_ford();//调用算法部分
15     }
16     return 0;
17 }

bellman-ford算法求最短路 C/C++版

1 void bellman_ford()
2 {
3     int i, j;
4     bool flag;//用于优化的
5     int dis[203];//保存最短路径
6     //初始化
7     fill(dis,dis+n,MAX);//其他点为+∞
8     dis[s] = 0;//源点初始化为0
9      m = m<<1;//此处和m = 2*m是一样的，因为建立的无向图
10     for(i=1;i<n;i++)//进行|V|-1次
11     {
12         flag = false;//刚刚开始标记为假
13         for(j=0;j<m;j++)//对每个边
14         {
15             //if  (v.d>u.d+w(u,v))
16             if(dis[edge[j].u]>dis[edge[j].v]+edge[j].w){//进行松弛操作
17                 dis[edge[j].u] = dis[edge[j].v]+edge[j].w;//松弛成功
18                 flag = true;//若松弛成功则标记为真
19             }
20         }
21         if(!flag)//若所有的边i的循环中没有松弛成功的
22             break;//退出循环
23         //此优化可以大大提高效率。
24     }
25     printf("%d\n",dis[t]==MAX?-1:dis[t]);//输出结果
26 }

对于优化 的解释：若图中存在负环的情况下外循环需要|V|-1次循环，若不存在负环，平均情况下的循环次数是要小于|V|-1次，当所有边没有松弛操作的时候我们就得到了

最后的答案，没有必要继续循环下去，So有了这个简单的优化。

　　　　对于bellman-ford算法求最短路 没有负环的情况下已经说明了，下面说一下求负环的强大功能

　　　　eg. 题目传送门 点我 题解


报告！！！

　　　　题目大意： 第一行 输入一个数 是表示几组测试数据

　　　　第二行 三个数 N(点的个数),M(正边的个数),W(负边的个数) 注意 ：正边为双向的，负边为单向的。

　　　　然后 M行u,v,w;

　　　　再然后W行u,v,w;

　　　　求这个图是不是存在负环。 有 YES 没NO。

　　　　所用数据结构 ：

1 struct node
2 {
3     int u, v, w;//u 为起点，v为终点，w为u—>v的权值
4 };
5 node edge[5203];

　　　　主函数对数据的获取。

1 int main()
2 {
3     int t, k, i;
4
5     scanf("%d",&t);//输入测试数据的组数
6     while(t-- && scanf("%d %d %d",&n,&m,&k)){//输入点数，正边数，负边数
7         for(i=0;i<m;i++)
8         {
9             scanf("%d %d %d",&edge[i].u,&edge[i].v,&edge[i].w);//输入u,v,w;
10             edge[i+m].u = edge[i].v;//双向
11             edge[i+m].v = edge[i].u;//双向
12             edge[i+m].w = edge[i].w;//双向
13         }
14         m <<= 1;//正边为双向 所以m = m*2;
15         for(i=m;i<m+k;i++)
16         {
17             scanf("%d %d %d",&edge[i].u,&edge[i].v,&edge[i].w);//存负边数(单向)
18             edge[i].w = -edge[i].w;//负边就要是负的
19         }
20         m += k;//单向，So不需要*2
21         printf("%s\n",bellman_ford()?"YES":"NO");//输出结果
22     }
23     return 0;
24 }

　　　　bellman-ford 算法求解

1 bool bellman_ford()
2 {
3     int i, j;
4     bool flag;
5     int dis[503];//保存最短路径
6
7     fill(dis,dis+n,MAX);//初始化
8     dis[1] = 0;//因为判断是否有负环，对整个图而言，So  s = 1;
9     //一下部分为 2) 第2~4行的操作
10     for(i=1;i<n;i++)//共需进行|V|-1次
11     {
12         flag = false;//优化   初始化为假
13         for(j=0;j<m;j++)//对每一条边
14         {
15             // if  u.d>v.d+w(u,v) , u.d = v.d+w(u,v);
16             if(dis[edge[j].u]>dis[edge[j].v]+edge[j].w){//进行松弛
17                 dis[edge[j].u] = dis[edge[j].v]+edge[j].w;//松弛操作成功
18                 flag = true;//松弛成功变为真
19             }
20         }
21         if(!flag)//若每条边没有松弛
22             break;//跳出循环
23     }
24     // 一下部分为 3) 第5~8行的操作
25     for(i=0;i<m;i++)
26         if(dis[edge[i].u]>dis[edge[i].v]+edge[i].w)//进行|V|-1次操作后  有边还能进行松弛  说明
27             return true;//存在负环
28     return false;//不存在负环
29 }

　　　　上面只是第一种对负环存在的判断，继续下一种：

　　　　我们前面已经说过 若没有负环外循环最多进行|V|-1次即可，就可得到最短路径，那么若存在负环，则第|V|次操作就说明存在负环。

1 bool bellman_ford()
2 {
3     int i, j;
4     bool flag;
5     int dis[503];//保存最短路径
6
7     fill(dis,dis+n,MAX);//初始化
8     dis[1] = 0;//因为判断是否有负环，对整个图而言，So  s = 1;
9     //一下部分为 2) 第2~4行的操作
10     for(i=0;i<n;i++)//共需进行|V|-1次
11     {
12         flag = false;//优化   初始化为假
13         for(j=0;j<m;j++)//对每一条边
14         {
15             // if  u.d>v.d+w(u,v) , u.d = v.d+w(u,v);
16             if(dis[edge[j].u]>dis[edge[j].v]+edge[j].w){//进行松弛
17                 dis[edge[j].u] = dis[edge[j].v]+edge[j].w;//松弛操作成功
18                 flag = true;//松弛成功变为真
19             }
20         }
21         if(!flag)//若每条边没有松弛
22             break;//跳出循环
23         //下面这一部分代替了  3) 第5~8行的操作
24         //因为对于V个点 你最多需要进行|V|-1次外循环，如果有负环它会一直进行下去，但是只要进行到第V次的时候就说明存在负环了
25         if(i == n-1)//若有
26             return true;//返回有负环
27     }
28     return false;//不存在负环
29 }

　　　　bellman-ford 算法也说的差不多了，对于此算法的SPFA优化 ，我们在本文的后面部分单独讲解。

　　　　不知大家还记不记的上面的那个许多个But 中的那个But dis
= 0呢？

　　　　给大家留下一个问题吧。

　　　　这个问题是《算法导论》上的一个思考题，问题是这样的 ：

　　　　你如果知道一个带权重的有向图中 存在一个负环，那么请你设计一个有效&&正确的算法列出所有属于该环路上的结点。

　　　　如果你有什么想法 请跟我一起分享下吧

　　　　本人QQ ：2319411771 邮箱 ： cyb19950118@163.com

　　

2、dijkstra算法 ：　　　(贪心策略)

　　　　Dijkstra算法解决的是带权重的有向图上单源最短路径问题，该算法要求所有边的权重都为正值。

　　　　在此有的同学可能就要问了，为什么不能处理负值呢？

　　　　Why？？？？

　　　　Dijkstra算法不是绝对的不能处理权重为负值，而是因为这个负值的大小和所在位置需要特别要求才可应用&&求得正确结果。

　　　　但我们的平时所遇到的是一般情况下的，是需要算法有通用性的，所以就要求所有边的权重都为正值。

　　　　在本文我此算法的后面部分我会给出两个例子，分别为 不可以有负边 和 可以有负边的例子。为什么在此不先给出呢？　　

　　　　Why？？？？？

　　　　如果还不知道Dijkstra算法又怎么会 看懂这两个例子呢？ So 看完这个算法 再看例子吧。

　　　　Dijkstra算法在运行过程中维持的关键信息是一组结点集合S。从源结点s 到该集合中每个结点之间的最短路径都已经被找到。算法重复从结点集V-S中选择最短路径估计最小的结点u,讲u加入到　　　　集合S，然后对所有从u发出的边进行松弛。

　　　　Dijkstra 算法如下：//这个描述使用的最小优先队列Q来保存结点集合，每个结点的关键值为其d值。

　　　　1 对图的建立和处理，dis
数组的初始化等等操作

　　　　2 S = ∅

　　　　3 Q = G.V

　　　　4　 while Q ≠ ∅

　　　　5　　　　u = EXTRACT-MIN(Q)

　　　　6　　　　S = S ∪ {u}

　　　　7 　　　for each vertex v∈ G.Adj[u]

　　　　8 　　　relax(u,v,w)

　　　　此算法在此分为二步 ： 第二大步中又分为3小步

　　　　1) 第1~3行 对dis
数组等的初始化，集合S 为∅，Q集合为G.V操作

　　　　2) 第4~8行 ① 第4行 进行G.V次操作

　　　　　　　　　　 ② 第5~行 从Q中找到一个点，这个点是Q中所有的点 s—>某点 最小的最短路径的点，并将此点加入S集合

　　　　　　　　　　 ③ 第7~8行 进行松弛操作，用此点来更新其他路径的距离。

　　　　对于邻接矩阵存储的图 来说此算法的时间复杂度为 O(|V|²),用其他的数据结构可以优化为O(|E|log|V|)的时间复杂度。

　　　　对于本文所说的其他数据结构 使用的为前向星，对于前向星是不能出现负边的。

　　　　我们先看邻接矩阵存储的图的情况。

　　　　还是hdu的那道题 题目传送门 题解 ：


点我查看

　　　　应用的数据结构

1 int G[203][203];//二维数组 图的存储

　　　　主函数对数据的获取

1 int main()
2 {
3     int m, i, j, u, v, w;
4
5     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){//获取点的个数 边的个数
6         for(i=0;i<n;i++)
7             for(j=0;j<n;j++)
8                 G[i][j] = i==j?0:MAX;//初始化，本身到本身的距离为0，其他的为无穷大
9         while(m--){
10             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);//获取u，v，w(u,v);
11             if(G[u][v]>w)//因为初始化的操作  && 若有重边要去最小的权重值
12                 G[u][v] = G[v][u] = w;//无向图 双向
13         }
14         scanf("%d %d",&s,&t);//获取起止点
15         dijkstra();
16     }
17     return 0;
18 }

　　　　Dijkstra算法

1 void dijkstra()
2 {
3     bool vis[203];//相当于集合Q的功能， 标记该点是否访问过
4     int dis[203];//保存最短路径
5     int i, j, k;
6
7     for(i=0;i<n;i++)//初始化
8         dis[i] = G[s][i];//s—>各个点的距离
9     memset(vis,false,sizeof(vis));//初始化为假 表示未访问过
10     dis[s] = 0;//s->s 距离为0
11     vis[s] = true;//s点访问过了，标记为真
12     for(i=1;i<n;i++)//G.V-1次操作+上面对s的访问 = G.V次操作
13     {
14         k = -1;
15         for(j=0;j<n;j++)//从尚未访问过的点中选一个距离最小的点
16             if(!vis[j] && (k==-1||dis[k]>dis[j]))//未访问过 && 是距离最小的
17                 k = j;
18         if(k == -1)//若图是不连通的则提前结束
19             break;//跳出循环
20         vis[k] = true;//将k点标记为访问过了
21         for(j=0;j<n;j++)//松弛操作
22             if(!vis[j] && dis[j]>dis[k]+G[k][j])//该点为访问过 && 可以进行松弛
23                 dis[j] = dis[k]+G[k][j];//j点的距离  大于当前点的距离+w(k,j) 则松弛成功，进行更新
24     }
25     printf("%d\n",dis[t]==MAX?-1:dis[t]);//输出结果
26 }

　　　　另一种 用其他的数据结构可以优化为O(|E|log|V|)的时间复杂度。

　　　　使用STL中的最小优先队列 priority_queue，进行优化。

　　　　题目继续使用此题。


题解在此
　　　　用到的数据结构 ：前向星 对组 优先队列

　　　　

1 //pair 的first 保存的为最短距离, second保存的为顶点编号
2 typedef pair<int, int >P;//对组  不知道请自行百度
3
4 struct node//前向星存边
5 {
6     int v, w;//v 为到达的点, w为权重
7     int next;//记录下一个结构体的位置 ，就向链表的next功能是一样的
8 };
9 node edge[2003];//存所有的边，因为是无向图，所以*2
10 int head[203];//和链表的头指针数组是一样的。只不过此处head[u]记录的为最后加入 edge 的且与u相连的边在 edge 中的位置，即下标
11
12 priority_queue<P,vector<P>,greater<P> >que;//优先队列 从小到大

　　　　在此我们说一下前向星的加边函数

1 void add(int u, int v, int w)//加边操作
2 {
3     edge[cnt].v = v;
4     edge[cnt].w = w;
5     edge[cnt].next = head[u];//获得下一个结构体的位置
6     head[u] = cnt++;//记录头指针的下标
7 }

　　　　主函数对数据的获取

1 int main()
2 {
3     int m, u, v, w;
4
5     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){//获取点数  边数
6         cnt = 0;//结构体下标从0开始
7         memset(head,-1,sizeof(head));//初始化head
数组
8         while(m--){
9             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);//获取u,v,w(u,v)
10             add(u,v,w);//加边
11             add(v,u,w);//加边
12         }
13         scanf("%d %d",&s,&t);//获取起止点
14         dijkstra();
15     }
16     return 0;
17 }

　　　　Dijkstra算法求值

1 void dijkstra()
2 {
3     int dis[203];//最短路径数组
4     int i, v;//v保存从队列中取出的数的第二个数  也就是顶点的编号
5     priority_queue<P,vector<P>,greater<P> >que;//优先队列 从小到大
6     node e;//保存边的信息，为了书写方便
7     P p;//保存从队列取出的数值
8
9     fill(dis,dis+n,MAX);//初始化，都为无穷大
10     dis[s] = 0;//s—>s  距离为0
11     que.push(P(0,s));//放入距离 为0   点为s
12     while(!que.empty()){
13         p = que.top();//取出队列中最短距离最小的对组
14         que.pop();//删除
15         v = p.second;//获得最短距离最小的顶点编号
16         if(dis[v] < p.first)//若取出的不是最短距离
17             continue;//则进行下一次循环
18         for(i=head[v];i!=-1;i=edge[i].next)//对与此点相连的所有的点进行遍历
19         {
20             e = edge[i];//为了书写的方便。
21             if(dis[e.v]>dis[v]+e.w){//进行松弛
22                 dis[e.v]=dis[v]+e.w;//松弛成功
23                 que.push(P(dis[e.v],e.v));//讲找到的松弛成功的距离 和顶点放入队列
24             }
25         }
26     }
27     printf("%d\n",dis[t]==MAX?-1:dis[t]);//输出结果
28 }

　　　　自此Dijkstra算法就算接近尾声了，现在还大家一个债，那就是前面的Why

　在此给出的是百度知道上的一位网友给的解释 ：

　　　　dijkstra由于是贪心的，每次都找一个距源点最近的点（dmin），然后将该距离定为这个点到源点的最短路径（d[i]<--dmin）；但如果存在负权边，那就有可能先通过并不是距源点最近的一个次优点（dmin'），再通过这个负权边L(L<0)，使得路径之和更小（dmin'+L<dmin）,则dmin'+L成为最短路径，并不是dmin，这样dijkstra就被囧掉了

　　比如n=3，邻接矩阵：

　　0，3，4

　　3，0，-2

　　4，-2, 0

　用dijkstra求得d[1，2]=3，事实上d[1，2]=2，就是通过了1-3-2使得路径减小。
　这就是为什么Dijkstra不能处理负边的情况。

　再给出可以使用Dijkstra && 带负边的情况
　n = 3，邻接矩阵
　0， 3， 4
　3， 0， -1
　4， -1， 0
　dis[1,2] = 3, dis[1,3] = 2 是正确的。(为邻接矩阵的存图方式下的)
　
　此算法讲解结束。

　　
3、floyd-Warshall算法 ：　　　(动态规划)
　
　　floyd算法是一个很强大的算法，它可以计算任意两点之间的最短路径，其边可以为负值。
　　对于floyd算法是我刚刚开始接触最短路算法中最喜欢的了，因为它的代码简短，便于理解，而且功能也很强大，虽然有点短腿但我还是很喜欢这个代码。
　 floyd算法是三重for 的嵌套。对于这个算法给出《挑战程序设计》中的证明 ：
证明：
　　对于0~k，我们分i到j的最短路正好经过顶点k一次和完全不经过顶点k两种情况来讨论。不仅过顶点k的情况下，d[k][i][j] = d[k-1][i][j]。通过顶点k的情况，d[k][i][j]
　　= d[k-1][i][k]+d[k-1][k][j]。合起来就得到了d[k][i][j] = min(d[k-1][i][j],d[k-1][i][k]+d[k-1][k][j])。这个DP也可以用同一个数组不断进行如下的操作：
　　d[i][j] = min(d[i][j],d[i][k]+d[k][j])的更新来实现。
　　floyd算法的时间复杂度为O(|V|³)。 450*450*450<10的8次方
　　下面给出floyd算法的程序。
　　

1 void floyd()
2 {
3     int i, j, k;
4
5     for(k=0;k<n;k++)
6         for(i=0;i<n;i++)
7             for(j=0;j<n;j++)
8                 G[i][j] = min(G[i][j],G[i][k]+G[k][j]);
9     printf("%d\n",G[s][t]==MAX?-1:G[s][t]);
10 }

　　在此给出图的初始化和数据的读取。

1 int main()
2 {
3     int i, j, m, u, v, w;
4
5     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){
6         for(i=0;i<n;i++)
7             for(j=0;j<n;j++)
8                 G[i][j] = i==j?0:MAX;
9         while(m--){
10             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
11             if(G[u][v]>w)
12                 G[u][v] = G[v][u] = w;
13         }
14         scanf("%d %d",&s,&t);
15         floyd();
16     }
17     return 0;
18 }

　　　　对floyd算法呢，因为他的简洁，在此就不多说。

　　　　补充一下：对于floyd判断负环是否存在只需检查是否存在d[i][i]是负数的顶点i 即可。

　　　　

4、 SPFA算法 (bellman-ford算法的优化)

　　　　SPFA算法是西南交通大学段凡丁于1994年发表的。

　　　　SPFA算法 ：设立一个先进先出的队列用来保存待优化的结点，优化时每次取出队首结点u，并且用u点当前的最短路径估计值对离开u点所指向的结点v进行松弛操作，如果v点的最短　　　　路径估计值有所调整，且v点不在当前的队列中，就将v点放入队尾。这样不断从队列中取出结点来进行松弛操作，直至队列空为止。

　　　　SPFA 是这样判断负环的： 如果某个点进入队列的次数超过N次则存在负环（SPFA无法处理带负环的图）
　　　　期望的时间复杂度：O(ke)， 其中k为所有顶点进队的平均次数，可以证明k一般小于等于2。

　　　　SPFA算法有两个优化算法 SLF 和 LLL： SLF：Small Label First 策略，设要加入的节点是j，队首元素为i，若dist(j)<dist(i)，则将j插入队首，否则插入队尾。 LLL：Large Label Last 　　　　策略，设队首元素为i，队列中所有dist值的平均值为x，若dist(i)>x则将i插入到队尾，查找下一元素，直到找到某一i使得dist(i)<=x，则将i出队进行松弛操作。
SLF 可使速度提高 15 　　　　~ 20%；SLF + LLL 可提高约 50%。 在实际的应用中SPFA的算法时间效率不是很稳定，为了避免最坏情况的出现，通常使用效率更加稳定的Dijkstra算法。

　　　　SPFA() :

　　　　1 对图的建立和处理，dis
数组的初始化等等操作

　　　　2 Q += s //Q 为一个队列 s为源点

　　　　3 while Q ≠ ∅//队列不为空

　　　　4　 　　u = Q中的点//从Q中取出一个点u

　　　　5　　　把u点标记为为访问过的

　　　　6　　　 for each vertex v∈ G.Adj[u]//对所有的边

　　　　7 　　　　　　relax(u,v,w)//进行松弛

　　　　8 　　　　　if(v 未被访问过)//若v未被访问过

　　　　9　　　　　　　　　　　　Q += v;//加入队列

　　　　以上伪代码为自己写的，希望能看。

　　　　此算法分为3部分 ：

　　　　1) 第1~2行 建图对dis
和vis
数组等数组进行初始化。 若判断负环需要加一个flag
数组，初始化为0，某点 u 若加入Q队列一次，怎flag[u]++,若flag[u]>=n，说明u进入队列的次数大于点的个数，因此此图存在负环，返回一个布尔值。

　　 2) 第3行当队列不为空的时候进行操作

　　　 3) 第4~9行 取出Q中的点u ,用u对所有的边进行松弛操作，若松弛成功，判断该点v是否被访问过，若未访问过加入Q队列中。
　　　　继续以poj的虫洞为例题
　　　　题目传送门　　　


题解
Here！Here！
　　　　SPFA算法

1 bool SPFA()
2 {
3     int u;//从队列Q中取出的数
4     int i;
5     queue<int >que;//Q队列
6     int dis[503];//保存最短距离
7     bool vis[503];//访问数组
8     int flag[503];//记录点进入队列的次数
9
10     memset(flag,0,sizeof(flag));//初始化为0
11     memset(vis,false,sizeof(vis));//初始化
12     fill(dis,dis+n+1,MAX);//初始化
13     dis[1] = 0;//从  1 开始
14     que.push(1);//将 1 放入队列
15     while(!que.empty()){//Q 不为空
16         u = que.front();//从Q中取出一个数
17         que.pop();//删除此数
18         vis[u] = false;//标记为未访问过
19         for(i=1;i<=n;i++)//对所有的边
20         {
21             if(dis[i]>dis[u]+G[u][i]){//进行松弛
22                 dis[i] = dis[u]+G[u][i];//松弛成功
23                 if(!vis[i]){//若点i 未被访问过
24                     vis[i] = true;//标记为访问过
25                     flag[i]++;//入队列次数+1
26                     if(flag[i]>=n)//若此点进入队列此数超过n次  说明有负环
27                         return true;//有负环
28                     que.push(i);//将 此点放入队列
29                 }
30             }
31         }
32     }
33     return false;//没有负环
34 }

　　　　SPFA算法对于稀疏图才能发挥它的大作用，对于稀疏图我们用到的数据结构为 前向星

　　　　下面就是 SPFA+前向星的程序 并应用了SLF 双向队列进行优化

　　　　


题解

　　　　所用数据结构有 前向星 双向队列

1 struct node//前向星
2 {
3     int v,w;//v 终点，w 权值
4     int next;//下一个
5 };
6 node edge[5203];//前向星
7 int head[503];//头指针式的数组
8 int cnt;//下标
9
10  deque<int>que;//双向队列  自己百度

　　　　主函数 对数据的获取 和图的建立

1 int main()
2 {
3     int u, v, w, m, k, t;
4
5     scanf("%d",&t);//获取测试数据
6     while(t--){
7         memset(head,-1,sizeof(head));//初始化
8         cnt = 0;//下标为0  初始化
9         scanf("%d %d %d",&n,&m,&k);//获取点的个数 ，正边的个数， 负边的个数
10         while(m--){
11             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);//正边获取
12             add(u,v,w);//无向图
13             add(v,u,w);//双向建图
14         }
15         while(k--){
16             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
17             add(u,v,-w);//单向图
18         }
19         printf("%s\n",SPFA()?"YES":"NO");//输出结果
20     }
21     return 0;
22 }

　　　　SPFA+前向星

1 bool SPFA()
2 {
3     int i, u, v;//u 从Q中取出的点  v找到的点
4     int dis[503];//保存最短路径
5     int flag[503];//保存某点加入队列的次数
6     bool vis[503];//标记数组
7     deque<int>que;//双向队列  自己百度
8
9     fill(dis,dis+n+1,MAX);//初始化
10     memset(flag,0,sizeof(flag));//初始化
11     memset(vis,false,sizeof(vis));//初始化
12     dis[1] = 0;// s为1
13     que.push_back(1);//将s = 1 加入队列
14     while(!que.empty()){//当队列不为空
15         u = que.front();//从队列中取出一个数
16         que.pop_front();//删除
17         vis[u] = false;//标记为未访问
18         for(i=head[u];i!=-1;i=edge[i].next)//对所有与该边相连的边进行查找
19         {
20             v = edge[i].v;//保存点 便于操作
21             if(dis[v]>dis[u]+edge[i].w){//进行松弛操作
22                 dis[v] = dis[u]+edge[i].w;//松弛成功
23                 if(!vis[v]){//若该点未被标记
24                     vis[v] = true;//标记为真
25                     flag[v]++;//该点入队列次数++
26                     if(flag[v]>=n)//若该点进入队列次数超过n次 说明有负环
27                         return true;//返回有负环
28                     //一下为SLF优化
29                     if(!que.empty() && dis[v]<dis[que.front()])//若为队列不为空 && 队列第一个点的最短距离大于当前点的最短距离
30                         que.push_front(v);//将该点放到队首
31                     else//不然
32                         que.push_back(v);//放入队尾
33                 }
34             }
35         }
36     }
37     return false;//没有负环
38 }

　　　　好了，四种算法已经讲完。

　　　

5、 BFS 求解最短路

　　　　在我们学习图的基本算法BFS 和DFS的时候，其实那就是一个求解每一步的权重都为1的最短路，那么权重不为1的情况我，我们是否继续使用呢？

　　　　答案是肯定的。

　　　　采用邻接表或前向星进行图的存储 ， 则BFS的时间复杂度为 开始的初始化O(V)+BFS操作O(E) = O (V+E)

　　　　继续以hdu 的 畅通工程续 为例

　　　　


题解
　　　　所用数据结构 前向星 优先队列

1 struct P
2 {
3     int v, w;//v 顶点 w 最短距离
4     bool operator <(const P &a)const{
5         return a.w < w;//按w  从小到大排序
6     }
7 };
8 priority_queue<P>que;//优先队列   按w从小到大
9 struct node//前向星
10 {
11     int v, w;//v 顶点  w权重
12     int next;//下一个位置
13 };
14 node edge[2003];
15 int head[203];//头指针数组

　　　　主函数对数据的获取

1 int main()
2 {
3     int m, u, v, w, n;
4
5     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){//获取点的个数  边的个数
6         memset(head,-1,sizeof(head));//初始化
7         cnt = 0;//初始化
8         while(m--){
9             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);//获取u,v,w
10             add(u,v,w);//加边
11             add(v,u,w);//无向图   双向加边
12         }
13         scanf("%d %d",&s,&t);//获取起止点
14         BFS();
15     }
16     return 0;
17 }

　　　　加边操作

1 void add(int u, int v, int w)//加边操作
2 {
3     edge[cnt].v = v;
4     edge[cnt].w = w;
5     edge[cnt].next = head[u];
6     head[u] = cnt++;
7 }

　　　　BFS

1 void BFS()
2 {
3     priority_queue<P>que;//优先队列   按w从小到大
4     bool vis[203];//标记数组， 标记是否被访问过
5     P p, q;
6     int i, v;
7
8     memset(vis,false,sizeof(vis));//初始化
9     p.v = s;//顶点为 s
10     p.w = 0;//距离为 0
11     que.push(p);//放入队列
12     while(que.empty() == false){//队列不为空
13         p = que.top();//取出队列的队首
14         que.pop();//删除
15         if(p.v == t){//若找到终点
16             printf("%d\n",p.w);//输出结果
17             return ;//返回
18         }
19         vis[p.v] = true;//此点标记为访问过
20         for(i=head[p.v];i!=-1;i=edge[i].next)//查找与该点相连的点
21         {
22             v = edge[i].v;
23             if(vis[v] == false){//若点未被访问过
24                 q.v = v;//存入结构体
25                 q.w = p.w+edge[i].w;//距离更新
26                 que.push(q);//放入队列
27             }
28         }
29     }
30     printf("-1\n");//若没有到达终点  输出-1
31 }

6、 路径还原

　　　　路径还原我们一般用不到，但是一般用不到，我们既然学了那么多最短路的算法，会还原一下，那不是锦上添花吗？

　　　　所以 学！！！

　　　　路径还原问题 在线题库中我没有发现。 这里就给出一组测试数据然后给出算法 就结束了。

　　　　在此 用Dijkstra算法 演示路径还原 其他的bellman-ford算法 和floyd-Warshall算法都可用类似方法进行最短路的还原。

　　　　第1行 两个数 n 和 m

　　　　第2~m+1行 给出 u,v,w

　　　　第m+2 行 给出两个数 s 和 t

　　　　求出 s—>t 的最短路 和 路径

　　　　前提 这个图是连通的。s—>t 的最短路是存在的。

　　　　输入 ：

　　　　3 3

　　　　0 1 1

　　　　0 2 3

　　　　1 2 1

　　　　0 2

　　　　输出：

　　　　2(最短路)

　　　　2—>1—>0(路径)

　　　　在本文开始说松弛操作的时候 就说过在《算法导论》中，松弛操作还有一个记录路径的操作就 是这个了。

　　　　

1 if(dis[i]>dis[k]+G[k][i]){//在松弛操作中
2     dis[i] = dis[k]+G[k][i];//不仅更新距离
3     pre[i] = k;//同时记录路径
4 }

　　　　是这个样子。

　　　　下面给出程序 ：

1 #include <algorithm>
2 #include <iostream>
3 #include <cstdio>
4 #include <cstring>
5 #include <queue>
6 #define INF 999999
7 using namespace std;
8
9 int G[203][203];
10 int n, s, t;
11
12 bool Dijkstra()
13 {
14     int i, j, k;
15     int dis[203];
16     bool vis[203];
17     int pre[203];//记录路径
18
19     memset(vis,false,sizeof(vis));
20     fill(dis,dis+n,INF);
21     memset(pre,-1,sizeof(pre));//初始化为-1
22     dis[s] = 0;
23     for(i=0;i<n;i++)
24     {
25         k = -1;
26         for(j=0;j<n;j++)
27             if(vis[j] == false && (k == -1 || dis[k]>dis[j]))
28                 k = j;
29         if(k == -1)
30             break;
31         vis[k] = true;
32         for(j=0;j<n;j++)
33             if(vis[j] == false && dis[j]>dis[k]+G[k][j]){
34                 dis[j] = dis[k]+G[k][j];
35                 pre[j] = k;//在松弛操作中更新边的同时  记录路径
36             }
37     }
38     printf("s——>t  的最短路为 ：");
39     printf("%d\n",dis[t]);
40     printf("路径为 ：");
41     //一下部分为路径的还原
42     queue<int >que;//申请一个队列
43     for(t;t!=-1;t=pre[t])//从t 一直寻找到s
44         que.push(t);//放入队列
45     printf("%d",que.front());//输出第一个
46     que.pop();//删除
47     while(!que.empty()){//队列不为空
48         printf("——>%d",que.front());//输出
49         que.pop();//删除
50     }
51 }
52
53 int main()
54 {
55     int i, j, u, v, w, m;
56
57     while(scanf("%d %d",&n,&m)==2){
58         for(i=0;i<n;i++)
59             for(j=0;j<n;j++)
60                 G[i][j] = i==j?0:INF;
61         while(m--){
62             scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
63             if(G[u][v]>w)
64                 G[u][v] = G[v][u] = w;
65         }
66         scanf("%d %d",&s,&t);
67         Dijkstra();
68     }
69     return 0;
70 }

　　　　刚刚开始一时兴起想写这篇文章，但自己没什么坚持力，自己磨磨蹭蹭的写了好几天才写完，今天终于完工了。　　　　

　　　　

　　　　全文完。

参考资料 ： 1 《算法导论》 第三版

　　　　　　　2 《挑战程序设计》第2版

　　　　　　　3 百度百科

　　　　　　　4 维基百科

作者：blueppo

出处：http://www.cnblogs.com/Yan-C/

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