关于 Bellman-Ford 与 Floyd 算法的一点感想

在四种常用的最短路算法 Dijkstra, SPFA, floyd, Bellman-Ford 中, Dijks 和 SPFA 的使用较为普遍, 对大多数人来说, 也较为熟悉. 然而, floyd 与 BF 算法在一些特定的情况下也是非常管用的, 因此有必要在这里作出一点总结.

Floyd的基本思路就是枚举任意两个点i, j, 再枚举任意的第三个点k, 用d[i][k] + d[j][k] 来松弛d[i][j]的值. 时间复杂度为O(n ^ 3), 优点在于可以求出任意两点之间的距离, 在稠密图中也非常管用.

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
const int &INF=100000000;
void floyd(vector<vector<int> > &distmap,//可被更新的邻接矩阵，更新后不能确定原有边
           vector<vector<int> > &path)//路径上到达该点的中转点
//福利：这个函数没有用除INF外的任何全局量，可以直接复制！
{
    const int &NODE=distmap.size();//用邻接矩阵的大小传递顶点个数，减少参数传递
    path.assign(NODE,vector<int>(NODE,-1));//初始化路径数组
    for(int k=1; k!=NODE; ++k)//对于每一个中转点
        for(int i=0; i!=NODE; ++i)//枚举源点
            for(int j=0; j!=NODE; ++j)//枚举终点
                if(distmap[i][j]>distmap[i][k]+distmap[k][j])//不满足三角不等式
                {
                    distmap[i][j]=distmap[i][k]+distmap[k][j];//更新
                    path[i][j]=k;//记录路径
                }
}
void print(const int &beg,const int &end,
           const vector<vector<int> > &path)//传引用，避免拷贝，不占用内存空间
           //也可以用栈结构先进后出的特性来代替函数递归
{
    if(path[beg][end]>=0)
    {
        print(beg,path[beg][end],path);
        print(path[beg][end],end,path);
    }
    else cout<<"->"<<end;
}
int main()
{
    int n_num,e_num,beg,end;//含义见下
    cout<<"（不处理负权回路）输入点数、边数：";
    cin>>n_num>>e_num;
    vector<vector<int> > path,
          distmap(n_num,vector<int>(n_num,INF));//默认初始化邻接矩阵
    for(int i=0,p,q; i!=e_num; ++i)
    {
        cout<<"输入第"<<i+1<<"条边的起点、终点、长度（100000000代表无穷大，不联通）：";
        cin>>p>>q;
        cin>>distmap[p][q];
    }
    floyd(distmap,path);
    cout<<"计算完毕，可以开始查询，请输入出发点和终点：";
    cin>>beg>>end;
    cout<<"最短距离为"<<distmap[beg][end]<<"，打印路径："<<beg;
    print(beg,end,path);
}

Bellman-Ford是SPFA算法的前身, 时间复杂度为O(VE)…非常慢, 但是可以用于判断负权回路. 常用于差分约束系统中. Bellman-Ford这种写法相当暴力, 直接循环nodeNum次, 每次枚举每一条边, 假如这条边可以用于松弛源点到端点的距离, 则进行松弛. 至于判断负环, 再枚举一遍所有边, 假如存在边仍能用于松弛, 则说明存在负权回路.

#include<iostream>
#include<cstdio>
using namespace std;  

#define MAX 0x3f3f3f3f
#define N 1010
int nodenum, edgenum, original; //点，边，起点  

typedef struct Edge //边
{
    int u, v;
    int cost;
}Edge;  

Edge edge[N];
int dis[N], pre[N];  

bool Bellman_Ford()
{
    for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //初始化
        dis[i] = (i == original ? 0 : MAX);
    for(int i = 1; i <= nodenum - 1; ++i)
        for(int j = 1; j <= edgenum; ++j)
            if(dis[edge[j].v] > dis[edge[j].u] + edge[j].cost) //松弛（顺序一定不能反~）
            {
                dis[edge[j].v] = dis[edge[j].u] + edge[j].cost;
                pre[edge[j].v] = edge[j].u;
            }
            bool flag = 1; //判断是否含有负权回路
            for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)
                if(dis[edge[i].v] > dis[edge[i].u] + edge[i].cost)
                {
                    flag = 0;
                    break;
                }
                return flag;
}  

void print_path(int root) //打印最短路的路径（反向）
{
    while(root != pre[root]) //前驱
    {
        printf("%d-->", root);
        root = pre[root];
    }
    if(root == pre[root])
        printf("%d\n", root);
}  

int main()
{
    scanf("%d%d%d", &nodenum, &edgenum, &original);
    pre[original] = original;
    for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)
    {
        scanf("%d%d%d", &edge[i].u, &edge[i].v, &edge[i].cost);
    }
    if(Bellman_Ford())
        for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //每个点最短路
        {
            printf("%d\n", dis[i]);
            printf("Path:");
            print_path(i);
        }
    else
        printf("have negative circle\n");
    return 0;
}