最短路径之Dijkstra算法详细讲解

１  最短路径算法

在日常生活中，我们如果需要常常往返A地区和B地区之间，我们最希望知道的可能是从A地区到B地区间的众多路径中，那一条路径的路途最短。最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题， 旨在寻找图（由结点和路径组成的）中两结点之间的最短路径。 算法具体的形式包括：

（１）确定起点的最短路径问题：即已知起始结点，求最短路径的问题。

（２）确定终点的最短路径问题：与确定起点的问题相反，该问题是已知终结结点，求最短路径的问题。在无向图中该问题与确定起点的问题完全等同，在有向图中该问题等同于把所有路径方向反转的确定起点的问题。

（３）确定起点终点的最短路径问题：即已知起点和终点，求两结点之间的最短路径。

（４）全局最短路径问题：求图中所有的最短路径。

用于解决最短路径问题的算法被称做“最短路径算法”， 有时被简称作“路径算法”。 最常用的路径算法有：Dijkstra算法、A*算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法。

本文主要研究Dijkstra算法的单源算法。

２  Dijkstra算法

2.1  Dijkstra算法

　　Dijkstra算法是典型最短路算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法能得出最短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率低。

Dijkstra算法是很有代表性的最短路算法，在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍，如数据结构，图论，运筹学等等。　

2.2  Dijkstra算法思想

Dijkstra算法思想为：设G=(V,E)是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合（用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条最短路径 , 就将 加入到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法就结束了），第二组为其余未确定最短路径的顶点集合（用U表示），按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中，总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外，每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度，U中的顶点的距离，是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。

2.3  Dijkstra算法具体步骤　　

（1）初始时，S只包含源点，即S＝，v的距离为0。U包含除v外的其他顶点，U中顶点u距离为边上的权（若v与u有边）或 ）（若u不是v的出边邻接点）。

（2）从U中选取一个距离v最小的顶点k，把k，加入S中（该选定的距离就是v到k的最短路径长度）。

（3）以k为新考虑的中间点，修改U中各顶点的距离；若从源点v到顶点u（u U）的距离（经过顶点k）比原来距离（不经过顶点k）短，则修改顶点u的距离值，修改后的距离值的顶点k的距离加上边上的权。

（4）重复步骤（2）和（3）直到所有顶点都包含在S中。

2.4  Dijkstra算法举例说明

如下图，设A为源点，求A到其他各顶点（B、C、D、E、F）的最短路径。线上所标注为相邻线段之间的距离，即权值。（注：此图为随意所画，其相邻顶点间的距离与图中的目视长度不能一一对等）

图一：Dijkstra无向图

算法执行步骤如下表：【注：图片要是看不到请到“相册--日志相册”中，名为“Dijkstra算法过程”的图就是了】

参考文献

[1]  黄国瑜、叶乃菁，数据结构，清华大学出版社，2001年8月第1版

[2]  最短路径，http://baike.baidu.com/view/349189.htm?func=retitle

[3]  李春葆，数据结构教程，清华大学出版社，2005年1月第1版

[3]  Dijkstra算法，http://baike.baidu.com/view/7839.htm

 

 

 

 

最短路径算法——Dijkstra算法    

    Dijkstra算法在刚开始在学数据结构的时候，完全没弄明白，主要是也不怎么想去弄明白。而从学校出来到现在，最短路径算法都没有实际运用过，最近在一个GIS项目中总算用到了，于是乎把教材重温了下，同时查阅了网上一些资料，借鉴了一些别人的东西，并顺利用写进了项目中，文中的主要代码来自于园子里的一位大哥，这位大哥对通用框架的研究很深入，他的链接为：http://zhuweisky.cnblogs.com/archive/2005/09/29/246677.html（最短路径）。另外，文章的最后面的一些链接是我找资料的时候用到过的，有兴趣

的朋友可以去看看。

最短路径分析在事故抢修、交通指挥、GPS导航等行业应用中使用的非常广泛， 以至于大多数GIS平台都会把这个分析功能作为一个最基础的功能集成进去，如ARCGIS，SuperMap等。个人感觉想要了解这个算法的来龙去脉，一方面是参与相关书籍仔细理解，另外一个最重要的是要去调试代码。由于历史原因，对于书上的伪C代码，我是完全不感兴趣的，而且由于有严格的数学证明，所以看起来相对较难，而对于面向对象实现的算法，我很感兴趣，也感觉很容易理解，所以一边针对C#实现的面向对象代码再一边对照书籍，感觉理解的层次就加深了。

Dijkstra算法又称为单源最短路径，所谓单源是在一个有向图中，从一个顶点出发，求该顶点至所有可到达顶点的最短路径问题。要顺利实现算法，要求理解Dijstra的算法，同时还要理解图的一些基本概念，图由节点和边构成，将节点和边看成对象，每个对象有自己的特有属性，如在GIS中，一个节点必须都有ID，横坐标，纵坐标等基本属性，边有起点节点，终点节点，长度等属性，而最短路径分析，就是根据边的长度（权值）进行分析的。

边的定义如下：

    public class Edge
    {
        public string StartNodeID;
        public string EndNodeID;
        public double Weight; //权值，代价       
    }

      节点的定义：

    public class Node
    {
        private string iD ;
        private List<Edge> edgeList ;//Edge的集合－－出边表

        public Node(string id )
        {
            this.iD = id ;
            this.edgeList = new  List<Edge>() ;
        }

       #region property
       
        public string ID
        {
            get
          {
                return this.iD ;
            }
        }

        public List<Edge>  EdgeList
        {
            get
            {
                return this.edgeList ;
            }
        }
        #endregion
    }

      本次用于分析的拓扑图如下：(A为起点，D为终点，边上的数字为权值)

　　  

      利用上述的边与节点的定义，可以通过代码简单的构成如下图：

    public class Graph
    {
        public List<Node> m_nodeList = null;
        public Graph()
        {
            m_nodeList = new List<Node>();
        }

        /// <summary>
        /// 获取图的节点集合
        /// </summary>
        public List<Node> NodeList
        {
            get { return this.m_nodeList; }
        }

        /// <summary>
        /// 初始化拓扑图
        /// </summary>
        public void Init()
        {
            //***************** B Node *******************
            Node aNode = new Node("A");
            m_nodeList.Add(aNode);
            //A -> B
            Edge aEdge1 = new Edge();
            aEdge1.StartNodeID = aNode.ID;
            aEdge1.EndNodeID = "B";
            aEdge1.Weight = 10;
            aNode.EdgeList.Add(aEdge1);
            //A -> C
            Edge aEdge2 = new Edge();
            aEdge2.StartNodeID = aNode.ID;
            aEdge2.EndNodeID = "C";
            aEdge2.Weight = 20;
            aNode.EdgeList.Add(aEdge2);
            //A -> E
            Edge aEdge3 = new Edge();
            aEdge3.StartNodeID = aNode.ID;
            aEdge3.EndNodeID = "E";
            aEdge3.Weight = 30;
            aNode.EdgeList.Add(aEdge3);

            //***************** B Node *******************
            Node bNode = new Node("B");
            m_nodeList.Add(bNode);
            //B -> C
            Edge bEdge1 = new Edge();
            bEdge1.StartNodeID = bNode.ID;
            bEdge1.EndNodeID = "C";
            bEdge1.Weight = 5;
            bNode.EdgeList.Add(bEdge1);
            //B -> E
            Edge bEdge2 = new Edge();
            bEdge2.StartNodeID = bNode.ID;
            bEdge2.EndNodeID = "E";
            bEdge2.Weight = 10;
            bNode.EdgeList.Add(bEdge2);

            //***************** C Node *******************
            Node cNode = new Node("C");
            m_nodeList.Add(cNode);
            //C -> D
            Edge cEdge1 = new Edge();
            cEdge1.StartNodeID = cNode.ID;
            cEdge1.EndNodeID = "D";
            cEdge1.Weight = 30;
            cNode.EdgeList.Add(cEdge1);

            //***************** D Node *******************
            Node dNode = new Node("D");
            m_nodeList.Add(dNode);

            //***************** C Node *******************
            Node eNode = new Node("E");
            m_nodeList.Add(eNode);
            //E -> D
            Edge eEdge1 = new Edge();
            eEdge1.StartNodeID = eNode.ID;
            eEdge1.EndNodeID = "D";
            eEdge1.Weight = 20;
            eNode.EdgeList.Add(eEdge1);
        }
    }

      有了拓扑节点和边，就可以根据算法构造其他最短路径分析的对象了，主要步骤如下：

Ø  初始化图中的从A出发的路径集合：

    /// <summary>
    /// PlanCourse 缓存从源节点到其它任一节点的最小权值路径（路径表）
    /// </summary>
    public class PlanCourse
    {
        private Hashtable htPassedPath;

        #region ctor
        public PlanCourse(List<Node> nodeList, string originID)
        {
            this.htPassedPath = new Hashtable();

            Node originNode = null;
            foreach (Node node in nodeList)
            {
                if (node.ID == originID)
                {
                    originNode = node;
                }
                else
                {
                    PassedPath pPath = new PassedPath(node.ID);
                    this.htPassedPath.Add(node.ID, pPath);
                }
            }

            if (originNode == null)
            {
                throw new Exception("The origin node is not exist !");
            }

            this.InitializeWeight(originNode);
        }

        /// <summary>
        /// 通过指定节点的边的权值初始化路径表
        /// </summary>
        /// <param name="originNode"></param>
        private void InitializeWeight(Node originNode)
        {
            if ((originNode.EdgeList == null) || (originNode.EdgeList.Count == 0))
            {
                return;
            }

            foreach (Edge edge in originNode.EdgeList)
            {
                 PassedPath pPath = this[edge.EndNodeID];
                if (pPath == null)
                {
                    continue;
                }

                pPath.PassedIDList.Add(originNode.ID);
                pPath.Weight = edge.Weight;
            }
        }
        #endregion

        /// <summary>
        /// 获取指定点的路径表
        /// </summary>
        /// <param name="nodeID"></param>
        /// <returns></returns>
        public PassedPath this[string nodeID]
        {
            get
            {
                return (PassedPath)this.htPassedPath[nodeID];
            }
        }
    }

Ø  从A中最短路径集合中找到一个最短的路径点Vi开始分析

        /// <summary>
        /// 从PlanCourse取出一个当前累积权值最小，并且没有被处理过的节点
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        private Node GetMinWeightRudeNode(PlanCourse planCourse, List<Node> nodeList, string originID)
        {
            double weight = double.MaxValue;
            Node destNode = null;

            foreach (Node node in nodeList)
            {
                if (node.ID == originID)
                {
                    continue;
                }

                PassedPath pPath = planCourse[node.ID];
                if (pPath.BeProcessed)
                {
                    continue;
                }

                if (pPath.Weight < weight)
                {
                    weight = pPath.Weight;
                    destNode = node;
                }
            }

            return destNode;
        }

Ø  修正从A出发至Vi最短路径，并重新选择另一个最短路径点Vj点开始分析，重新执行上述步骤的路径分析

            while (curNode != null)
            {
                PassedPath curPath = planCourse[curNode.ID];
                foreach (Edge edge in curNode.EdgeList)
                {
                    PassedPath targetPath = planCourse[edge.EndNodeID];
                    double tempWeight = curPath.Weight + edge.Weight;

                    if (tempWeight < targetPath.Weight)
                    {
                        targetPath.Weight = tempWeight;
                        targetPath.PassedIDList.Clear();

                        for (int i = 0; i < curPath.PassedIDList.Count; i++)
                        {
                            targetPath.PassedIDList.Add(curPath.PassedIDList[i].ToString());
                        }

                        targetPath.PassedIDList.Add(curNode.ID);
                    }
                }

                //标志为已处理
                planCourse[curNode.ID].BeProcessed = true;
                //获取下一个未处理节点
                 curNode = this.GetMinWeightRudeNode(planCourse, nodeList, originID);
            }

Ø  重复上述两个步骤，一直到所有的对象都分析完为止。

Ø  这个时候的路径集合表中已经保存了从A到任意一点的最短路径集合了。

        /// <summary>
        /// 从PlanCourse表中取出目标节点的PassedPath，这个PassedPath即是规划结果
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        private RoutePlanResult GetResult(PlanCourse planCourse, string destID)
        {
            PassedPath pPath = planCourse[destID];

            if (pPath.Weight == int.MaxValue)
            {
                RoutePlanResult result1 = new RoutePlanResult(null, int.MaxValue);
                return result1;
            }

            string[] passedNodeIDs = new string[pPath.PassedIDList.Count];
            for (int i = 0; i < passedNodeIDs.Length; i++)
            {
                passedNodeIDs[i] = pPath.PassedIDList[i].ToString();
            }

            RoutePlanResult result = new RoutePlanResult(passedNodeIDs, pPath.Weight);

            return result;
        }

   最短路径的结果类定义如下：

    public class RoutePlanResult
    {
        public RoutePlanResult(string[] passedNodes, double value)
        {
            m_resultNodes = passedNodes;
            m_value = value;
        }

        private string[] m_resultNodes;
        /// <summary>
        /// 最短路径经过的节点
        /// </summary>
        public string[] ResultNodes
        {
            get { return m_resultNodes; }
        }

        private double m_value;
        /// <summary>
        /// 最短路径的值
        /// </summary>
        private double Value
        {
            get { return m_value; }
        }
    }

       Demo下载：最短路径分析demo

其他技术文章链接：

1. Dijkstra算法http://www.cnblogs.com/gzydn/archive/2009/07/09/1520019.html

2.最短路径 dijsktra 模板http://www.cnblogs.com/yezizhe/archive/2009/04/16/1437062.html

3. Shortest Path Problem: Dijkstra's Algorithm http://www.codeproject.com/KB/recipes/Shortest_Path_Problem.aspx

4. Dijkstra:Shortest Route Calculation - Object Oriented
http://www.codeproject.com/KB/recipes/ShortestPathCalculation.aspx

5.推荐：路径规划（最短路径）算法C#实现http://zhuweisky.cnblogs.com/archive/2005/09/29/246677.html

6.【Floyd最短路径算法http://www.cnblogs.com/gzydn/archive/2009/07/10/1520646.html

7.【最短路径算法及应用】

         http://blog.csdn.net/baggioan/archive/2007/07/28/1713294.aspx