广度优先遍历与最短路径

广度优先遍历从某个顶点 v 出发，首先访问这个结点，并将其标记为已访问过，然后顺序访问结点v的所有未被访问的邻接点 {vi,..,vj} ，并将其标记为已访问过，然后将 {vi,...,vj} 中的每一个节点重复节点v的访问方法，直到所有结点都被访问完为止。

我们可以分为三个步骤：

  • （1）使用一个辅助队列 q，首先将顶点 v 入队，将其标记为已访问，然后循环检测队列是否为空。
  • （2）如果队列不为空，则取出队列第一个元素，并将与该元素相关联的所有未被访问的节点入队，将这些节点标记为已访问。
  • （3）如果队列为空，则说明已经按照广度优先遍历了所有的节点。

下图所示，右边蓝色表示从 0 开始遍历节点的顺序，下面是记录距离 0 的距离，可知广度优先遍历能求出无权图的最短路径。

下面用代码展示如何用广度优先遍历方式完成遍历，并且查询到最短路径。我们在上一小节代码的基础上增加一全局变量 ord 数组，记录路径中节点的次序。ord[i] 表示 i 节点在路径中的次序。同时构造函数做出相应调整，在遍历相邻节点时 每访问一个未被访问的节点进行 ord[i] = ord[v] + 1记录距离。邻接表的广度优先遍历时间复杂度为 O(V+E)，邻接矩阵的时间复杂度为O(V^2)。

...
// 构造函数, 寻路算法, 寻找图graph从s点到其他点的路径
public ShortestPath(Graph graph, int s){
    // 算法初始化
    G = graph;
    assert s >= 0 && s < G.V();

    visited = new boolean[G.V()];
    from = new int[G.V()];
    ord = new int[G.V()];
    for( int i = 0 ; i < G.V() ; i ++ ){
        visited[i] = false;
        from[i] = -1;
        ord[i] = -1;
    }
    this.s = s;
    // 无向图最短路径算法, 从s开始广度优先遍历整张图
    LinkedList<Integer> q = new LinkedList<Integer>();
    q.push( s );
    visited[s] = true;
    ord[s] = 0;
    while( !q.isEmpty() ){
        int v = q.pop();
        for( int i : G.adj(v) )
            if( !visited[i] ){
                q.push(i);
                visited[i] = true;
                from[i] = v;
                ord[i] = ord[v] + 1;
            }
    }
}
...

查看从 s 点到 w 点的最短路径长度，若从 s 到 w 不可达，返回-1。

...
public int length(int w){
    assert w >= 0 && w < G.V();
    return ord[w];
}
...

Java 实例代码

源码包下载：Download

src/runoob/graph/ShortestPath.java 文件代码：

package runoob.graph;

import runoob.graph.read.Graph;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Stack;
import java.util.Vector;

/**
 * 广度优先遍历与最短路径
 */
public class ShortestPath {
    // 图的引用
    private Graph G;
    // 起始点
    private int s;
    // 记录dfs的过程中节点是否被访问
    private boolean[] visited;
    // 记录路径, from[i]表示查找的路径上i的上一个节点
    private int[] from;
    // 记录路径中节点的次序。ord[i]表示i节点在路径中的次序。
    private int[] ord;
    // 构造函数, 寻路算法, 寻找图graph从s点到其他点的路径
    public ShortestPath(Graph graph, int s){

        // 算法初始化
        G = graph;
        assert s >= 0 && s < G.V();

        visited = new boolean[G.V()];
        from = new int[G.V()];
        ord = new int[G.V()];
        for( int i = 0 ; i < G.V() ; i ++ ){
            visited[i] = false;
            from[i] = -1;
            ord[i] = -1;
        }
        this.s = s;
        // 无向图最短路径算法, 从s开始广度优先遍历整张图
        LinkedList<Integer> q = new LinkedList<Integer>();
        q.push( s );
        visited[s] = true;
        ord[s] = 0;
        while( !q.isEmpty() ){
            int v = q.pop();
            for( int i : G.adj(v) )
                if( !visited[i] ){
                    q.push(i);
                    visited[i] = true;
                    from[i] = v;
                    ord[i] = ord[v] + 1;
                }
        }
    }

    // 查询从s点到w点是否有路径
    public boolean hasPath(int w){
        assert w >= 0 && w < G.V();
        return visited[w];
    }
    // 查询从s点到w点的路径, 存放在vec中
    public Vector<Integer> path(int w){
        assert hasPath(w) ;
        Stack<Integer> s = new Stack<Integer>();
        // 通过from数组逆向查找到从s到w的路径, 存放到栈中
        int p = w;
        while( p != -1 ){
            s.push(p);
            p = from[p];
        }

        // 从栈中依次取出元素, 获得顺序的从s到w的路径
        Vector<Integer> res = new Vector<Integer>();
        while( !s.empty() )
            res.add( s.pop() );

        return res;
    }

    // 打印出从s点到w点的路径
    public void showPath(int w){
        assert hasPath(w) ;
        Vector<Integer> vec = path(w);
        for( int i = 0 ; i < vec.size() ; i ++ ){
            System.out.print(vec.elementAt(i));
            if( i == vec.size() - 1 )
                System.out.println();
            else
                System.out.print(" -> ");
        }
    }
    // 查看从s点到w点的最短路径长度
    // 若从s到w不可达，返回-1
    public int length(int w){
        assert w >= 0 && w < G.V();
        return ord[w];
    }
}