[C++]多源最短路径(带权有向图)：【Floyd算法(动态规划法)】 VS n*Dijkstra算法(贪心算法)

1 Floyd算法

1.1 解决问题/提出背景

• 多源最短路径（带权有向图中，求每一对顶点之间的最短路径）
  • 方案一：弗洛伊德（Floyd算法）算法
    • 算法思想：动态规划法
    • 时间复杂度：O(n^3)
      • 形式上，相对较为简单
  • 方案二：分别以图中的每个顶点为源点，共调用【n次】【迪杰斯特拉(Dijkstra)算法】
    • 算法思想：贪心算法
    • 时间复杂度：O(n^3)
      • 形式上，相对较为复杂
    • 补充
      • Dijkstra算法主要应用于：求解【单源最短路径】

1.2 算法描述

1.3 编程复现

• 1> 定义图模型(邻接矩阵表示法)的基本存储结构体

# define MaxInt 32767 // 表示极大值 即 ∞ (无穷大)

# define MVNum 100 // 最大顶点数 

typedef int VertexType; // 假设顶点的数据类型为整型

typedef int ArcType; // 假设Vi与Vj之边的权值类型为整型 

typedef struct {
 	VertexType vexs[MVNum]; // 顶点表 (存储顶点信息)
	ArcType arcs[MVNum][MVNum]; // 邻接矩阵
	int vexnum,arcnum; // 图的当前顶点数与边数
}AMGraph; // Adjacent Matrix Graph 邻接矩阵图

• 2> 定义Floyd算法的辅助数据结构体

ArcType D[MVNum][MVNum]; // 记录顶点Vi和Vj之间的最短路径长度
int Path[MVNum][MVNum];  // 最短路径上顶点Vj的前一顶点的序号

• 3> 初始化(邻接矩阵)带权有向图的图模型

void InitAMGraph(AMGraph &G){
	cout<<"Please Input Vertexs Number:";
	cin>>G.vexnum;
	cout<<"\nPlease Directed Edge Number:";
	cin>>G.arcnum;

	for(int i=0;i<MVNum;i++){
		for(int j=0;j<MVNum;j++){
			if(i!=j){ // 【易错】 初始化<Vi, Vj>时: <Vi,Vj> 路径长度无穷大 (i!=j)
				G.arcs[i][j] = MaxInt;
			} else { //  【易错】 初始化<Vi, Vj>时: <Vi,Vi>【自回环】路径长度为0 (i==i)
				G.arcs[i][j] = 0;
			}
		}
	}
	for(int i=0;i<G.vexnum;i++){
		G.vexs[i] = i;
	}
	cout<<"\nPlease Input All Directed Edges and their Weight now:";
	cout<<"\nDirected Edges(i,j,weight): "<<endl;
	int i,j;
	int weight;
	for(int k=0;k<G.arcnum;k++){
		cin>>i;cin>>j;cin>>weight;
		G.arcs[i][j] = weight;
	}
	cout<<endl;
}

• 4> Floyd算法：求解多源最短路径

void ShortestPath_Floyd(AMGraph G){
	//step1 初始化各对结点的已知路径和距离
	for(int i=0;i<G.vexnum;i++){
		for(int j=0;j<G.vexnum;j++){
			D[i][j] = G.arcs[i][j]; //D[i][j] 初始化
			if(D[i][j]<MaxInt && i!=j){ // 【易漏】 i != j (防止产生自回环)
				Path[i][j] = i; // 若 Vi与Vj之间存在弧(有序顶点对)： 将Vj的前驱置为 Vi
			} else {
				Path[i][j] = -1;
			}
		}
	}
	//step2 动态规划(DP)动态更新： <Vi,Vj>更短的最短路径的距离和路径
	for(int k=0;k<G.vexnum;k++){ // 【易错】 中间结点Vk的循环 是在最外层
		for(int i=0;i<G.vexnum;i++){
			for(int j=0;j<G.vexnum;j++){
				if(D[i][k] + D[k][j] < D[i][j]){ // 若从Vi【经Vk】到Vj的一条路径更短
					D[i][j] = D[i][k] + D[k][j]; // 更新D[i][j]
					Path[i][j] = Path[k][j]; // 【易错】 更改Vj的前驱为 Vk
				}
			}
		}
	}
}

• 5> 输出结果 D[i][j] 、Path[i][j]
  • 二维数组D[i][j]【最短路径长度】、二维数组Path[i][j]【最短路径权重】

void OutputD(AMGraph G){
	cout<<"Shortest Distance Weight of the Pair of Directed Vertices:"<<endl;
	for(int i=0;i<G.vexnum;i++){
		for(int j=0;j<G.vexnum;j++){
			cout<<D[i][j]<<"\t";
		}
		cout<<endl;
	}
}

void OutputPath(AMGraph G){
	cout<<"Shortest Distance Path(i,j) of the Pair of Directed Vertices:"<<endl;
	for(int i=0;i<G.vexnum;i++){
		for(int j=0;j<G.vexnum;j++){
			cout<<Path[i][j]<<"\t";
		}
		cout<<endl;
	}
}

• 6> 执行：Main函数

int main(){
 	AMGraph G;
	InitAMGraph(G);//易错处
	ShortestPath_Floyd(G); // 【重/难点】易错处
	OutputD(G);
	OutputPath(G);
 	return 0;
}

• 7> Output of Main

Please Input Vertexs Number:4
Please Directed Edge Number:8

Please Input All Directed Edges and their Weight now:
Directed Edges(i,j,weight):
0 1 1
1 3 2
2 0 3
0 3 4
2 1 5
3 2 6
2 3 8
1 2 9

Shortest Distance Weight of the Pair of Directed Vertices:
0       1       9       3
11      0       8       2
3       4       0       6
9       10      6       0

Shortest Distance Path(i,j) of the Pair of Directed Vertices:
-1      0       3       1
2       -1      3       1
2       0       -1      1
2       0       3       -1

2 参考文献

• 《数据结构(C语言版/ 严蔚敏 李冬梅 吴伟民 编)》