基于稀疏图上的Johnson算法的详解

 更新时间:2020年4月25日 17:48  点击:2544

算法步骤简述:

1.计算图G加入新结点后的图G',加入的新结点0到所有原结点之间距离为0,同时形成新的边集E';

2.使用Bellman-Ford算法处理G',并形成0结点到各结点的最小距离d。

3.如果Bellman-Ford算法检测出有负权回路则提示FALSE并退出,否则继续。

4.对所有G'中的顶点v,根据0结点到v的最小距离,将h(v)设置为这个值。

5.对所有的边w(u,v),权值更新为w(u,v)+h(u)-h(v)

6.对图G中所有结点运行Dijkstra算法计算与其他顶点最短距离d'[u][v]

(此处假定G和w集合是分开存储的。直接使用G'也可以,因为0结点对其他结点是不可达的,但这显然浪费了计算时间。如果权值信息存在G'中,可以对G'进行操作,只不过跳过了0结点的处理)

7.原图G中最短距离d[u][v] = d'[u][v] +h(v)-h(u)

  代码中有的地方没有优化,比如辅助结构vassist其实在Bellman-Ford算法和Dijkstra算法两个函数中用法稍微有所不同,而且成员变量在前者中只用了2个;同时松弛算法relax也有类似的情况。前者是简单的复用,后者直接用名字区分。

  代码包含三部分:Bellman-Ford算法、Dijkstra算法、用二项堆实现的优先级数组(Dijkstra算法要用到)。以下是算法的C语言版本,测试实例同《算法导论》图25-1

复制代码 代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define U    65535
#define PARENT(i)    ((i-1)/2)
#define LEFT(i)        (2*(i)+1)
#define RIGHT(i)    (2*(i)+2)
#define N 5

struct vertex {
    int key;
    struct vtable *adj;
};

struct vtable {
    int key;//这个key是在vertex数组的序号
    //struct vertext *v;
    int w;
    struct vtable *next;
};

struct vassist {
    int d;
    int p;
    int key;
};

 


int insert(struct vertex *,int,int,int,int);
int walk(struct vertex *,int,int);
struct vassist *initialize_ss(int,int);
int relaxd(int *,int ,int ,int);
int relaxb(struct vassist *,int ,int ,int);
int build_min_heap(struct vassist *,int);
int min_heapify(struct vassist *, int ,int);
int heap_extract_min(struct vassist *,int);
int inheap(struct vassist *,int ,int );
int heap_decrease(struct vassist *,int ,int);
int dijkstra(struct vertex *,int,int,int **);
int bellman_ford(struct vertex *,int*, int,int);

int insert(struct vertex *p,int len,int i,int j,int w) {
    struct vtable *q,*prev;
    q = p[i].adj;
    printf("key:%d\n",p[i].key);
    prev = NULL;
    while(q!=NULL) {
        if (q->key == j) {
            printf("error: v %d to %d already exist.\n",i,j);
            return 0;
        }
        else {
            prev = q;
            q=q->next;
        }
    }
    q = (struct vtable*)malloc(sizeof(struct vtable));
    q->key = j;
    q->w = w;
    q->next = NULL;
    if(prev!=NULL)
        prev->next = q;
    else
        p[i].adj = q;
    return 1;
}

int walk(struct vertex *p,int len,int i) {
    struct vtable *q = p[i].adj;   
    while(q!=NULL) {
        printf(" %d,w is %d\n",q->key,q->w);
        q=q->next;
    }
    printf("\n");
}

struct vassist *initialize_ss(int size,int s) {
    int i;
    struct vassist *va;
    va = (struct vassist *)malloc(size*sizeof(struct vassist));
    for(i=0;i<size;i++) {
        va[i].key = i;//建堆后i!=key
        va[i].d = U;
        va[i].p = -1;
    }
    va[s].d = 0;
    return va;
}

//relax for dijkstra
int relaxd(int *p,int u,int v,int w) {//w=w(u,v)
    if(p[v]>p[u]+w) {
        p[v] = p[u]+w;
        //为了简单处理,p使用的是数组
        //没有父母标记
        //如果想用父母标记,请将p改为一个自定义的结构体
    }
    return 1;
}

//relax for beltman_ford
int relaxb(struct vassist *va,int u,int v,int w) {//w=w(u,v)
    if(va[v].d>va[u].d+w) {
        va[v].d = va[u].d+w;
        va[v].p = u;
    }
    return 1;
}


int bellman_ford(struct vertex *graph,int *h,int size,int s) {//算法要求不含源点可达的负权回路
    int i,j;
    struct vtable *p;
    struct vassist *va;
    va = initialize_ss(size,s);
    for(i=1;i<size;i++)
        for(j=0;j<size-1;j++) {
            p = graph[j].adj;
            while(p!=NULL) {
                relaxb(va,j,p->key,p->w);
                p=p->next;
            }
        }

    printf("from %d,\n",s);
    for(j=0;j<size;j++)
        printf("to %d: %d\n",j,va[j].d);
       

    for(j=0;j<size;j++) {//对0结点不必要
        p = graph[j].adj;
        while(p!=NULL) {
            if(va[p->key].d>va[j].d+p->w)
                return 0;
            p = p->next;
        }
    }
    for(j=1;j<=size;j++)
        h[j] = va[j].d;
    free(va);
    h[0] = 0;
    return 1;
}

int build_min_heap(struct vassist *va,int size) {//建堆
    int i;
    for (i =size/2-1; i>=0; i--)
        min_heapify(va,i,size);

    return 1;
}


int min_heapify(struct vassist *va, int i,int heap_size) {
    int l,r,min;
    struct vassist temp;
    int tmin = U;
    l = LEFT(i);
    r = RIGHT(i);
    if ((l < heap_size) &&(va[l].d<va[i].d)) {
        min = l;
        tmin = va[l].d;
    }
    else {
        min = i;
        tmin = va[i].d;
    }
    if ((r < heap_size) &&(va[r].d<va[min].d)) {
        min = r;
        tmin = va[r].d;
    }
    if (!(min == i)) {
        temp.d = va[min].d;
        temp.p = va[min].p;
        temp.key = va[min].key;

        va[min].d = va[i].d;
        va[min].p = va[i].p;
        va[min].key = va[i].key;

        va[i].d = temp.d;
        va[i].p = temp.p;
        va[i].key = temp.key;

        min_heapify(va,min,heap_size);
    }
    return 1;
}

int heap_extract_min(struct vassist *va,int heap_size) {
    int min;   
    if ( heap_size<1 )
        return -1;
    min = va[0].key;
    va[0].p = va[heap_size -1].p;
    va[0].d = va[heap_size -1].d;
    va[0].key = va[heap_size -1].key;
    heap_size = heap_size -1;
    min_heapify(va,0,heap_size);
    return min;
}

int inheap(struct vassist *va,int heap_size,int j) {
    int i;
    for(i=0;i<heap_size;i++)
        if(va[i].key == j)
            return i;
    return -1;
}

int heap_decrease(struct vassist *va,int i,int key_new) {
    struct vassist temp;   
    if(key_new>va[i].d)
        return 0;
    va[i].d = key_new;
    while((i>0)&&(va[PARENT(i)].d > va[i].d)) {
        temp.d = va[i].d;
        temp.p = va[i].p;
        temp.key = va[i].key;
        va[i].d = va[PARENT(i)].d;
        va[i].p = va[PARENT(i)].p;
        va[i].key = va[PARENT(i)].key;
        va[PARENT(i)].d = temp.d;
        va[PARENT(i)].p = temp.p;
        va[PARENT(i)].key = temp.key;
        i = PARENT(i);
    }
    return 1;       
}

int dijkstra(struct vertex *graph,int len,int s,int **delta) {
    int i,j,heap_size;
    struct vtable *q;
    struct vassist *va;
    int *p;
    p = (int *)malloc(len * sizeof(int));
    for(i=0;i<len;i++)
        p[i] = U;
    p[s] = 0;
    heap_size = len;

    va = initialize_ss(len,s);
    build_min_heap(va,heap_size);//va被拿去建堆,后续输出距离时不能再用了


    while(heap_size>0) {
        i = heap_extract_min(va,heap_size);
        printf("node:%d\n",i);
        heap_size--;
        for(j=0;j<heap_size;j++)
            printf("key:%d,d:%d, in array:%d\n",va[j].key,va[j].d,p[va[j].key]);
        q = graph[i].adj;
        while(q!=NULL) {
            j=inheap(va,heap_size,q->key);
            if(j>=0)
                if(va[j].d>p[i]+q->w)   
                    heap_decrease(va,j,p[i]+q->w);
            relaxd(p,i,q->key,q->w);//其实可以合并heap_decreas和relax,不过为了接口简单没有这样做
            printf("relax %d to %d ,w is %d\n",i,q->key,q->w);
            q = q->next;
        }
        for(j=0;j<heap_size;j++)
            printf("key:%d,d:%d, in array:%d\n",va[j].key,va[j].d,p[va[j].key]);
    }
    for(i=0;i<len;i++)
        printf("from %d to %d, distance is %d\n",s,i,p[i]);

    free(va);

    for(i=0;i<len;i++) {
        delta[s][i] = p[i];
    }
    free(p);   

}

int **johnson(struct vertex *g, int n) {
    int i,j;
    int *h,**delta,**d;
    struct vertex *gn;
    struct vtable *p;
    gn = (struct vertex *)malloc(n*sizeof(struct vertex));
    h = (int *)malloc(n*sizeof(int));
    delta = (int**)malloc(n*sizeof(int *));
    d = (int**)malloc(n*sizeof(int *));
    for(i=0;i<n;i++) {
        delta[i]=(int*)malloc(n*sizeof(int));
        d[i]=(int*)malloc(n*sizeof(int));
    }
    for(i=0;i<n;i++)
        gn[i] = g[i];

    for(i=1;i<n;i++)
            insert(gn,n,0,i,0);
    if(!bellman_ford(gn,h,n,0)) {
        printf("the input graph contains a negative-weight cycle.\n");
        return NULL;
    }

    for(i=0;i<n;i++) {
        p = gn[i].adj;
        while(p!=NULL) {
            p->w = p->w+h[i]-h[p->key];
            p=p->next;
        }
    }
    for(i=0;i<n;i++)
        walk(gn,n,i);

    printf("before dijkstra\n");
    for(i=1;i<n;i++) {
        dijkstra(gn,n,i,delta);
        for(j=1;j<n;j++)
            d[i][j] = delta[i][j] + h[j] - h[i];

    }
    for(i=1;i<n;i++) {
        for(j=1;j<n;j++)
            printf("%d\t",d[i][j]);
        printf("\n");
    }
    return d;
}

int main(){
    int i,j;
    int **d;
    struct vertex vt[N+1];//为0结点的加入预留位置
    for(i=0;i<N+1;i++) {
        vt[i].adj = NULL;
        vt[i].key = i;
    }

    insert(vt,N+1,1,2,3);
    insert(vt,N+1,1,3,8);
    insert(vt,N+1,1,5,-4);
    insert(vt,N+1,2,4,1);
    insert(vt,N+1,2,5,7);
    insert(vt,N+1,3,2,4);
    insert(vt,N+1,4,3,-5);
    insert(vt,N+1,4,1,2);
    insert(vt,N+1,5,4,6);
    d = johnson(vt,N+1);

    return 1;
}


[!--infotagslink--]

相关文章

  • C#几种排序算法

    作者:Sabine 【导读】本文介绍了C#的四种排序算法:冒泡排序、选择排序、插入排序和希尔排序  冒泡排序 using System; namespace BubbleSorter { public class Bubb...2020-06-25
  • 经典实例讲解C#递归算法

    这篇文章主要用实例讲解C#递归算法的概念以及用法,文中代码非常详细,帮助大家更好的参考和学习,感兴趣的朋友可以了解下...2020-06-25
  • C#中实现任意List的全组合算法代码

    这篇文章主要是介绍了.net C# 实现任意List的全组合算法实现代码,需要的朋友可以参考下...2020-06-25
  • 同时兼容JS和C#的RSA加密解密算法详解(对web提交的数据加密传输)

    这篇文章主要给大家介绍了关于同时兼容JS和C#的RSA加密解密算法,通过该算法可以对web提交的数据进行加密传输,文中通过图文及示例代码介绍的非常详细,需要的朋友们可以参考借鉴,下面来一起看看吧。...2020-06-25
  • 图文详解Heap Sort堆排序算法及JavaScript的代码实现

    这篇文章以图文详解Heap Sort堆排序算法及JavaScript的代码实现,堆排序算法基于类二叉树的堆数据结构,需要的朋友可以参考下...2016-05-05
  • C#常用数据结构和算法总结

    这篇文章主要介绍了C#常用数据结构和算法,这里我们总结了一些知识点,可以帮助大家理解这些概念。...2020-06-25
  • JS实现的随机排序功能算法示例

    这篇文章主要介绍了JS实现的随机排序功能算法,结合具体实例形式分析了javascript常用的排序算法实现技巧,需要的朋友可以参考下...2017-06-15
  • C++实现的O(n)复杂度内查找第K大数算法示例

    这篇文章主要介绍了C++实现的O(n)复杂度内查找第K大数算法,结合实例形式分析了算法的原理以及具体实现方法,需要的朋友可以参考下...2020-04-25
  • c# 实现位图算法(BitMap)

    这篇文章主要介绍了c# 如何实现位图算法(BitMap),文中讲解非常细致,帮助大家更好的理解和学习,感兴趣的朋友可以了解下...2020-11-03
  • 一篇文章带你搞懂Vue虚拟Dom与diff算法

    这篇文章主要给大家介绍了关于Vue虚拟Dom与diff算法的相关资料,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面随着小编来一起学习学习吧...2020-08-26
  • R语言关于随机森林算法的知识点详解

    在本篇文章里小编给大家整理的是一篇关于R语言关于随机森林算法的知识点详解内容,有兴趣的朋友们可以跟着学习下。...2021-05-13
  • C++并查集亲戚(Relations)算法实例

    这篇文章主要介绍了C++并查集亲戚(Relations)算法,实例分析了并查集亲戚算法的原理与实现技巧,具有一定参考借鉴价值,需要的朋友可以参考下...2020-04-25
  • C/C++实现八大排序算法汇总

    这篇文章主要为大家详细介绍了C/C++实现八大排序算法汇总,具有一定的参考价值,感兴趣的小伙伴们可以参考一下...2020-04-25
  • 基于稀疏图上的Johnson算法的详解

    本篇文章介绍了,稀疏图上的Johnson算法的详解。需要的朋友参考下...2020-04-25
  • C# URL短地址压缩算法及短网址原理解析

    这篇文章主要介绍了C# URL短地址压缩算法及短网址原理解析,本文重点给出了算法代码,需要的朋友可以参考下...2020-06-25
  • VC++实现选择排序算法简单示例

    这篇文章主要介绍了VC++实现选择排序算法简单示例,代码简洁易懂,有助于读者对数据结构与算法的学习,需要的朋友可以参考下...2020-04-25
  • php回溯算法计算组合总和的实例代码

    在本篇文章里小编给大家整理的是一篇关于php回溯算法计算组合总和的实例代码,有需要的朋友们可以学习参考下。...2021-07-14
  • JavaScript常用数组算法小结

    在开发项目的过程中,我们经常会需要关于javascript数组的一些算法,比方说数组去重、数组求交集、数组扰乱等等。今天就把个人的汇总整理的算法分享给大家。...2016-02-18
  • C++基于递归算法解决汉诺塔问题与树的遍历功能示例

    这篇文章主要介绍了C++基于递归算法解决汉诺塔问题与树的遍历功能,简单描述了递归算法的原理,并结合实例形式分析了基于递归算法解决汉诺塔问题与数的遍历相关操作技巧,需要的朋友可以参考下...2020-04-25
  • C#算法函数:获取一个字符串中的最大长度的数字

    这篇文章介绍了使用C#获取一个字符串中最大长度的数字的实例代码,有需要的朋友可以参考一下。...2020-06-25