最短路径·三:SPFA算法(HihoCoder - 1093)(BELLMAN-FORD队列优化)

描述

万圣节的晚上,小Hi和小Ho在吃过晚饭之后,来到了一个巨大的鬼屋!

鬼屋中一共有N个地点,分别编号为1..N,这N个地点之间互相有一些道路连通,两个地点之间可能有多条道路连通,但是并不存在一条两端都是同一个地点的道路。

不过这个鬼屋虽然很大,但是其中的道路并不算多,所以小Hi还是希望能够知道从入口到出口的最短距离是多少?

提示:Super Programming Festival Algorithm。

“唔……地点很多,道路很少,这个鬼屋是一个稀疏图,既然这一点被特地标注出来,那么想来有其作用的咯?”小Ho道。

“是的,正好有一种最短路径算法,它的时间复杂度只和边的条数有关,所以特别适合用来解决这种边的数量很少的最短路问题!”小Hi点了点头道:“它就是SPFA算法,即Shortest Path Faster Algorithm。”

“听上去很厉害的样子,但是实际上怎么做的呢?”小Ho问道。

“你会用宽度优先搜索写这道题么?”小Hi反问道。

“这个当然会啊,构造一个队列,最开始队列里只有(S, 0)——表示当前处于点S,从点S到达该点的距离为0,然后每次从队首取出一个节点(i, L)——表示当前处于点i,从点S到达该点的距离为L,接下来遍历所有从这个节点出发的边(i, j, l)——表示i和j之间有一条长度为l的边,将(j, L+l)加入到队尾,最后看所有遍历的(T, X)节点中X的最小值就是答案咯~”小Ho对于搜索已经是熟稔于心,张口便道。

“SPFA算法呢,其实某种意义上就是宽度优先搜索的优化——如果你在尝试将(p, q)加入到队尾的时候,发现队列中已经存在一个(p, q’)了,那么你就可以比较q和q’:如果q>=q’,那么(p, q)这个节点实际上是没有继续搜索下去的必要的——算是一种最优化剪枝吧。而如果q&ltq’,那么(p, q’)也是没有必要继续搜索下去的——但是它已经存在于队列里了怎么办呢?很简单,将队列中的(p, q’)改成(p, q)就可以了!”

“那我该怎么知道队列中是不是存在一个(p, q’)呢?” <额,维护一个position[1..n]的数组就可以了,如果不在队列里就是-1,否则就是所在的位置!”< p>

“所以说这本质上就是宽度优先搜索的剪枝咯?”小Ho问道。

小Hi笑道:“怎么可能!SPFA算法其实是BELLMAN-FORD算法的一种优化版本,只不过在成型之后可以被理解成为宽度优先搜索的!这个问题,我们会在之后好好讲一讲的!”

输入

每个测试点(输入文件)有且仅有一组测试数据。

在一组测试数据中:

第1行为4个整数N、M、S、T,分别表示鬼屋中地点的个数和道路的条数,入口(也是一个地点)的编号,出口(同样也是一个地点)的编号。

接下来的M行,每行描述一条道路:其中的第i行为三个整数u_i, v_i, length_i,表明在编号为u_i的地点和编号为v_i的地点之间有一条长度为length_i的道路。

对于100%的数据,满足N<=10^5,M<=10^6, 1 <= length_i <= 10^3, 1 <= S, T <= N, 且S不等于T。

对于100%的数据,满足小Hi和小Ho总是有办法从入口通过地图上标注出来的道路到达出口。

输出

对于每组测试数据,输出一个整数Ans,表示那么小Hi和小Ho为了走出鬼屋至少要走的路程。

Sample Input

5 10 3 5
1 2 997
2 3 505
3 4 118
4 5 54
3 5 480
3 4 796
5 2 794
2 5 146
5 4 604
2 5 63

Sample Output

172

代码:)

用数组实现邻接表存图

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<queue>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int INF=0x3f3f3f3f;
const int M=2000010;
const int N=100010;
int u[M],v[M],w[M];//表示顶点u[i]到v[i]的边权值为w[i] 
int first[N];//表示顶点u[i]的第一条边 
int next1[M];//表示顶点u[i]的下一条边 
int dis[N];//源点到各个点的距离 
int in[N];//标记顶点是否在队列 
queue<int> q;
int dex1=1;
void add(int u1,int v1,int w1)
{
	u[dex1]=u1;
	v[dex1]=v1;
	w[dex1]=w1;
	//最关键两步,不要把下标写错了...:( 
	next1[dex1]=first[u1];
	first[u1]=dex1;
	dex1++;
}

int main(void)
{
	int n,m,s,t;
	while(~scanf("%d %d %d %d",&n,&m,&s,&t))
	{
		int i,j;
		memset(in,0,sizeof(in));
		memset(first,-1,sizeof(first));
		dex1=1;
		int u1,v1,w1;
		for(i=1;i<=m;i++)
		{
			scanf("%d %d %d",&u1,&v1,&w1);
			//下面两句邻接表关键,不懂的在《啊哈算法》里有详细解释 
			add(u1,v1,w1);//无向 
			add(v1,u1,w1);
		}
		
		memset(dis,0x3f,sizeof(dis));//把全部赋值为INF 
		dis[s]=0;
		q.push(s);
		in[s]=1;
		int k;
		while(q.size())
		{
			k=first[q.front()];//写错就玩了如k=q.front;。。。 :( 
			while(k!=-1)
			{
				if(dis[v[k]]>dis[u[k]]+w[k])
				{
					dis[v[k]]=dis[u[k]]+w[k];
					if(in[v[k]]==0)
					{
						q.push(v[k]);
						in[v[k]]=1;
					}
				}
				k=next1[k];
			}
			in[q.front()]=0;//
			q.pop();//注意顺序 
		}
		printf("%d\n",dis[t]);
	}
	return 0;
} 

代码:)

用结构体实现邻接表

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<queue>
using namespace std;
const int INF=0x3f3f3f3f;
const int M=1e6+10;
const int N=1e5+10;
int dis[N],first[N],dex;
bool in[N];
struct nono
{
	int val,to,next;
}a[2*M];

void add(int from,int to,int val)
{
	a[dex].to=to;
	a[dex].val=val;
	//邻接表最关键的两步 
	a[dex].next=first[from]; 
	first[from]=dex++;
}


int main(void)
{
	
	int start,over,n,m;
	scanf("%d %d %d %d",&n,&m,&start,&over);
	memset(dis,0x3f,sizeof(dis));
	memset(in,0,sizeof(in));
	memset(first,-1,sizeof(first));
	int i,j;
	int u,v,w;
	for(i=1;i<=m;i++)
	{
		scanf("%d %d %d",&u,&v,&w);
		add(u,v,w);//无向图记得弄两次不然WA得很惨。。。 
		add(v,u,w);
	}
	queue<int> q;
	q.push(start);
	dis[start]=0;
	//in[start]=1;//这个不加也ac了,但记得要加,有些数据能把这测出来WA 
	int k;
	while(q.size())
	{
		k=q.front();
		q.pop();
		in[k]=0;
		for(j=first[k];j+1;j=a[j].next)
		{
			int to=a[j].to;
			if(dis[to]>dis[k]+a[j].val)
			{
				dis[to]=dis[k]+a[j].val;
				if(in[to]==0)
				{
					in[to]=1;
					q.push(to);
				}
			}
		}
	}
	printf("%d\n",dis[over]);
	return 0;
}

    原文作者:Bellman - ford算法
    原文地址: https://blog.csdn.net/nucleare/article/details/80356826
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