首页 > 程序开发 > 软件开发 > C语言 >

经典算法研究系列:二之三续、Dijkstra 算法+Heap堆的完整c实现源码

2011-04-10

作者:JULY、二零一一年三月十八日出处:http://blog.csdn.net/v_JULY_v。------------------------------------------ 引言:    此文的写作目的很简单,就一个理由,个人认为:上一篇文章,二之再续、Dijkstra 算法 fib


作者:JULY、二零一一年三月十八日
出处:http://blog.csdn.net/v_JULY_v
------------------------------------------

引言:
此文的写作目的很简单,就一个理由,个人认为:上一篇文章,二之再续、Dijkstra 算法 fibonacci堆的逐步c实现,写的不够好,特此再写Dijkstra 算法的一个续集,谓之二之三续。
鉴于读者理解斐波那契堆的难度,本文,以简单的最小堆为示例。同时,本程序也有参考网友的实现。有任何问题,欢迎指正。


Dijkstra 算法+Heap堆完整算法思想
在前一篇文章中,我们已经了解到,Dijkstra 算法如下:

DIJKSTRA(G, w, s)
1 INITIALIZE-SINGLE-SOURCE(G, s) //1、初始化结点工作
2 S ← Ø
3 Q ← V[G] //2、初始化队列
4 while Q ≠ Ø
5 do u ← EXTRACT-MIN(Q) //3、从最小队列中,抽取最小结点(在此之前,先建立最小堆)
6 S ← S ∪{u}
7 for each vertex v ∈ Adj[u]
8 do RELAX(u, v, w) //4、松弛操作。

如此,咱们不再赘述,直接即可轻松编写如下c/c++源码

void dijkstra(ALGraph G,int s,int d[],int pi[],int Q[])
{ //Q[]是最小优先队列,Q[1..n]中存放的是图顶点标号,Q[0]中存放堆的大小
//优先队列中有key的概念,这里key可以从d[]中取得。比如说,Q[2]的大小(key)为 d[ Q[2] ]

initSingleSource(G,s,d,pi); //1、初始化结点工作

//2、初始化队列
Q[0] = G.vexnum;
for(int i=1;i<=Q[0];i++)

{
Q[i] = i-1;
}
Q[1] = s;
Q[s+1] = 0;

int u;
int v;
while(Q[0]!=0)

{
buildMinHeap(Q,d); //3.1、建立最小堆
u = extractMin(Q,d); //3.2、从最小队列中,抽取最小结点
ArcNode* arcNodePt = G.vertices[u].firstarc;
while(arcNodePt!=NULL)
{
v = arcNodePt->adjvex;
relax(u,v,G,d,pi); //4、松弛操作。
arcNodePt = arcNodePt->nextarc;
}
}

}

ok,接下来,咱们一步一步编写代码来实现此Dijkstra 算法,先给出第1、初始化结点工作,和4、松弛操作俩个操作的源码:

void initSingleSource(ALGraph G,int s,int d[],int pi[])
{ //1、初始化结点工作
for(int i=0;i<G.vexnum;i++)

{
d[i] = INFINITY;
pi[i] = NIL;
}
d[s] = 0;
}

void relax(int u,int v,ALGraph G,int d[],int pi[])
{ //4、松弛操作。
//u是新加入集合S的顶点的标号
if(d[v]>d[u]+getEdgeWeight(G,u,v))

{
d[v] = d[u] + getEdgeWeight(G,u,v);
pi[v] = u;
}
}

ok,接下来,咱们具体阐述第3个操作,3、从最小队列中,抽取最小结点(在此之前,先建立最小堆)。


Heap最小堆的建立与抽取最小结点
在我的这篇文章二、堆排序算法里头,对最大堆的建立有所阐述:
2.3.1、建堆(O(N))

BUILD-MAX-HEAP(A)
1 heap-size[A] ← length[A]
2 for i ← |_length[A]/2_| downto 1
3 do MAX-HEAPIFY(A, i)
//建堆,怎么建列?原来就是不断的调用MAX-HEAPIFY(A, i)来建立最大堆。

建最小堆,也是一回事,把上述代码改俩处即可,一,MAX->MIN,二,MAX-HEAPIFY(A, i)->MIN-HEAPIFY(A, i)。如此说来,是不是很简单列,是的,本身就很简单。

先是建立最小堆的工作:

void buildMinHeap(int Q[],int d[]) //建立最小堆
{
for(int i=Q[0]/2;i>=1;i--)
{
minHeapify(Q,d,i); //调用minHeapify,以保持堆的性质。
}
}

然后,得编写minHeapify代码,来保持最小堆的性质:

void minHeapify(int Q[],int d[],int i)
{ //smallest,l,r,i都是优先队列元素的下标,范围是从1 ~ heap-size[Q]
int l = 2*i;
int r = 2*i+1;
int smallest;
if(l<=Q[0] && d[ Q[l] ] < d[ Q[i] ])

{
smallest = l;
}
else
{
smallest = i;
}
if(r<=Q[0] && d[ Q[r] ] < d[ Q[smallest] ])

{
smallest = r;
}
if(smallest!=i)
{
int temp = Q[i];
Q[i] = Q[smallest];
Q[smallest] = temp;

minHeapify(Q,d,smallest);
}
}

你自个比较一下建立最小堆,与建立最大堆的代码,立马看见,如出一辙,不过是改几个字母而已:

MAX-HEAPIFY(A, i) //建立最大堆的代码
1 l ← LEFT(i)
2 r ← RIGHT(i)
3 if l ≤ heap-size[A] and A[l] > A[i]
4 then largest ← l
5 else largest ← i
6 if r ≤ heap-size[A] and A[r] > A[largest]
7 then largest ← r
8 if largest ≠ i
9 then exchange A[i] <-> A[largest]
10 MAX-HEAPIFY(A, largest)

ok,最后,便是3、从最小队列中,抽取最小结点的工作了,如下:

int extractMin(int Q[],int d[]) //3、从最小队列中,抽取最小结点
{ //摘取优先队列中最小元素的内容,这里返回图中顶点的标号(0 ~ G.vexnum-1),
//这些标号是保存在Q[1..n]中的
if(Q[0]<1)
{
cout<<"heap underflow!"<<endl;
return -10000;
}
int min = Q[1];
Q[1] = Q[Q[0]];
Q[0] = Q[0] - 1;
minHeapify(Q,d,1);
return min;
}


ALGraph图的建立
先定义几个宏,

#define MAX_VERTEX_NUM 20 //图中最大的节点数目
#define INFINITY 10000
#define NIL -1

再建立几个数据结构:

typedef struct ArcNode //弧节点,就是邻接链表的表节点
{
int adjvex; //该弧所指向尾节点的位置,其实保存的就是数组的下标
ArcNode *nextarc; //指向下一条弧的指针
int weight; //权重。
}ArcNode;

typedef struct VNode
{
ArcNode* firstarc;
}VNode,AdjList[MAX_VERTEX_NUM];

typedef struct
{
AdjList vertices;
int vexnum,arcnum;
}ALGraph;

编写几个功能函数:

void initALGraph(ALGraph* GPt,int vn) //初始化结点
{
GPt->arcnum = 0;
GPt->vexnum = vn;
for(int i=0;i<vn;i++)

{
GPt->vertices[i].firstarc = NULL;
}
}

void insertArc(ALGraph* GPt,int vhead,int vtail,int w) //增加结点操作
{
ArcNode* arcNodePt = new ArcNode;
arcNodePt->nextarc = NULL;
arcNodePt->adjvex = vtail;
arcNodePt->weight = w;

ArcNode* tailPt = GPt->vertices[vhead].firstarc;
if(tailPt==NULL)
{
GPt->vertices[vhead].firstarc = arcNodePt;
}
else
{
while(tailPt->nextarc!=NULL)
{
tailPt = tailPt->nextarc;
}
tailPt->nextarc = arcNodePt;
}
GPt->arcnum ++;
}

void displayGraph(ALGraph G) //打印结点
{
ArcNode* arcNodePt;
for(int i=0;i<G.vexnum;i++)
{
arcNodePt = G.vertices[i].firstarc;
cout<<"vertex"<<i<<": ";
while(arcNodePt!=NULL)
{
cout<<arcNodePt->adjvex<<"("<<"weight"<<arcNodePt->weight<<")"<<" ";
arcNode

相关文章
最新文章
热点推荐