单源点最短路径Dijkstra算法的JAVA实现

本文介绍了Dijkstra算法在城市智能交通中最短路径问题中的应用,并分享了一篇详细的文章链接来解释算法。作者提供了自己的JAVA代码实现,并通过额外的边进行验证,展示了算法如何将已知最短路径顶点集和未知顶点集分开,逐步找到最短路径。

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在城市智能交通中,经常会用到最短路径的问题,比如找最佳的行车路线等,Dijkstra算法做为最经典的求解方法,为我们指明了方向.不过真正想让我了解该算法的原因是在学习ICTCLAS的N-最短路径算法,虽然和我们常用的案例有一点区别,但基本相同,为了更好的理解N-最短路径算法,我又重新把大学时代的数据结构知识搬了出来。

在网上找到一篇文章,非常详细生动(有FLASH动画演示)的描述了该算法的实现,不过第一页右下角的图终点那一列2和3弄反了,看的时候要注意 ,具体的算法描述不再赘述,请参考:

http://student.zjzk.cn/course_ware/data_structure/web/tu/tu7.5.1.htm

下面给出我的算法实现具体代码,为了更好的验证程序的正确性,在原来的基础上我又多加了几条边

 

package  sinboy.datastructure;

import  java.util.ArrayList;

public   class  Dijkstra  {
    
static ArrayList<Side> map = null;

    
static ArrayList<Integer> redAgg = null;

    
static ArrayList<Integer> blueAgg = null;

    
static Side[] parents = null;

    
public static void main(String[] args) {
        
// 初始化顶点集
        int[] nodes = 013245,6 };

        
// 初始化有向权重图
        map = new ArrayList<Side>();
        map.add(
new Side(0110));
        map.add(
new Side(0330));
        map.add(
new Side(04100));
        map.add(
new Side(1250));
        map.add(
new Side(2410));
        map.add(
new Side(3220));
        map.add(
new Side(3460));
        map.add(
new Side(4550));
        map.add(
new Side(3560));
        map.add(
new Side(5610));
        map.add(
new Side(3680)); 

        
// 初始化已知最短路径的顶点集,即红点集,只加入顶点0
        redAgg = new ArrayList<Integer>();
        redAgg.add(nodes[
0]);

        
// 初始化未知最短路径的顶点集,即蓝点集
        blueAgg = new ArrayList<Integer>();
        
for (int i = 1; i < nodes.length; i++)
            blueAgg.add(nodes[i]);

        
// 初始化每个顶点在最短路径中的父结点,及它们之间的权重,权重-1表示无连通
        parents = new Side[nodes.length];
        parents[
0= new Side(-1, nodes[0], 0);
        
for (int i = 0; i < blueAgg.size(); i++{
            
int n = blueAgg.get(i);
            parents[i 
+ 1= new Side(nodes[0], n, getWeight(nodes[0], n));
        }


        
// 找从蓝点集中找出权重最小的那个顶点,并把它加入到红点集中 
        while (blueAgg.size() > 0{
            MinShortPath msp 
= getMinSideNode();
            
if(msp.getWeight()==-1)
                msp.outputPath(nodes[
0]);
            
else
                msp.outputPath();
            
            
int node = msp.getLastNode();
            redAgg.add(node); 
            
// 如果因为加入了新的顶点,而导致蓝点集中的顶点的最短路径减小,则要重要设置
            setWeight(node);
        }

 
    }


    
/**
     * 得到一个节点的父节点
     * 
     * 
@param parents
     * 
@param node
     * 
@return
     
*/

    
public static int getParent(Side[] parents, int node) {
        
if (parents != null{
            
for (Side nd : parents) {
                
if (nd.getNode() == node) {
                    
return nd.getPreNode();
                }

            }

        }

        
return -1;
    }


    
/**
     * 重新设置蓝点集中剩余节点的最短路径长度
     * 
     * 
@param preNode
     * 
@param map
     * 
@param blueAgg
     
*/

    
public static void setWeight(int preNode) {
        
if (map != null && parents != null && blueAgg != null{
            
for (int node : blueAgg) {
                MinShortPath msp
=getMinPath(node);
                
int w1 = msp.getWeight();
                
if (w1 == -1)
                    
continue;
                
for (Side n : parents) {
                    
if (n.getNode() == node) {
                        
if (n.getWeight() == -1 || n.getWeight() > w1) {
                            n.setWeight(w1);
                            n.setPreNode(preNode);
//重新设置顶点的父顶点
                            break;
                        }

                    }

                }

            }

        }

    }


    
/**
     * 得到两点节点之间的权重
     * 
     * 
@param map
     * 
@param preNode
     * 
@param node
     * 
@return
     
*/

    
public static int getWeight(int preNode, int node) {
        
if (map != null{
            
for (Side s : map) {
                
if (s.getPreNode() == preNode && s.getNode() == node)
                    
return s.getWeight();
            }

        }

        
return -1;
    }


    
/**
     * 从蓝点集合中找出路径最小的那个节点
     * 
     * 
@param map
     * 
@param blueAgg
     * 
@return
     
*/

    
public static MinShortPath getMinSideNode() {
        MinShortPath minMsp 
= null;
        
if (blueAgg.size() > 0{
            
int index = 0;
            
for (int j = 0; j < blueAgg.size(); j++{
                MinShortPath msp 
= getMinPath(blueAgg.get(j));
                
if (minMsp == null || msp.getWeight()!=-1 &&  msp.getWeight() < minMsp.getWeight()) {
                    minMsp 
= msp;
                    index 
= j;
                }

            }

            blueAgg.remove(index);

        }

        
return minMsp;
    }


    
/**
     * 得到某一节点的最短路径(实际上可能有多条,现在只考虑一条)
     * 
@param node
     * 
@return
     
*/

    
public static MinShortPath getMinPath(int node) {
        MinShortPath msp 
= new MinShortPath(node);
        
if (parents != null && redAgg != null{
            
for (int i = 0; i < redAgg.size(); i++{
                MinShortPath tempMsp 
= new MinShortPath(node);
                
int parent = redAgg.get(i);
                
int curNode = node;
                
while (parent > -1{
                    
int weight = getWeight(parent, curNode);
                    
if (weight > -1{
                        tempMsp.addNode(parent);
                        tempMsp.addWeight(weight);
                        curNode 
= parent;
                        parent 
= getParent(parents, parent);
                    }
 else
                        
break;
                }


                
if (msp.getWeight() == -1 || tempMsp.getWeight()!=-1 && msp.getWeight() > tempMsp.getWeight())
                    msp 
= tempMsp;
            }

        }


        
return msp;
    }

}


/**
 * 图中的有向边,包括节点名及他的一个前向节点名,和它们之间的权重
 * 
 
*/

class  Side  {
    
private int preNode; // 前向节点

    
private int node;// 后向节点

    
private int weight;// 权重

    
public Side(int preNode, int node, int weight) {
        
this.preNode = preNode;
        
this.node = node;
        
this.weight = weight;
    }


    
public int getPreNode() {
        
return preNode;
    }


    
public void setPreNode(int preNode) {
        
this.preNode = preNode;
    }


    
public int getNode() {
        
return node;
    }


    
public void setNode(int node) {
        
this.node = node;
    }


    
public int getWeight() {
        
return weight;
    }


    
public void setWeight(int weight) {
        
this.weight = weight;
    }


}


class  MinShortPath  {
    
private ArrayList<Integer> nodeList;// 最短路径集

    
private int weight;// 最短路径

    
public MinShortPath(int node) {
        nodeList 
= new ArrayList<Integer>();
        nodeList.add(node);
        weight 
= -1;
    }


    
public ArrayList<Integer> getNodeList() {
        
return nodeList;
    }


    
public void setNodeList(ArrayList<Integer> nodeList) {
        
this.nodeList = nodeList;
    }


    
public void addNode(int node) {
        
if (nodeList == null)
            nodeList 
= new ArrayList<Integer>();
        nodeList.add(
0, node);
    }


    
public int getLastNode() 
        
int size = nodeList.size();
        
return nodeList.get(size - 1);

    }


    
public int getWeight() {
        
return weight;
    }


    
public void setWeight(int weight) {
        
this.weight = weight;
    }


    
public void outputPath() {
        outputPath(
-1);
    }


    
public void outputPath(int srcNode) {
        String result 
= "[";
        
if (srcNode != -1)
            nodeList.add(srcNode);
        
for (int i = 0; i < nodeList.size(); i++{
            result 
+= "" + nodeList.get(i);
            
if (i < nodeList.size() - 1)
                result 
+= ",";
        }

        result 
+= "]:" + weight;
        System.out.println(result);
    }


    
public void addWeight(int w) {
        
if (weight == -1)
            weight 
= w;
        
else
            weight 
+= w;
    }

}

运行结果如下:

[0,1]:10
[0,3]:30
[0,3,2]:50
[0,3,2,4]:60
[0,3,5]:90
[0,3,5,6]:100

总结:最短路径算法关键先把已知最短路径顶点集(只有一个源点)和未知的顶点分开,然后依次把未知集合的顶点按照最短路径(这里特别强调一下是源点到该顶点的路径权重和,不仅仅是指它和父结点之间的权重,一开始就是在没有这个问题弄清楚)加入到已知结点集中。在加入时可以记录每个顶点的最短路径,也可以在加入完毕后回溯找到每个顶点的最短路径和权重。

 

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