6 最短路径

  最短路径，对于图来说，是两顶点之间经过的边数最少的路径；对于网来说，是指两顶点之间经过的边上权值之和最小的路径。路径上第一个顶点为源点，最后一个顶点是终点。

6.1 迪杰斯特拉（Dijkstra）算法

  以如下无向图为例：

  我们来计算下标为0的顶点，到其他顶点的最短路径，首先定义三个数组，calculated[j]表示0->j的最短路径是否已计算出来，pathVal[j]表示0->j的最短路径，目前还未进行计算，我们设置所有元素值均为无穷大，pre[j]表示0->j中经历的顶点，例如pre[1]=3、pre[3]=2、pre[2]=0，表示的：

  (1) pre[1]=3表示0->1需要经过3；

  (2) pre[3]=2表示0->3需要经过2；

  (3) pre[2]=0表示0->2可以直达；

  (4) 因此可以得出结论，0->1的路径是：0->2->3->1；

  再定义一个变量min，表示“0->上一个顶点的最小权值”，k表示min对应的顶点的下标，因此初始情况如下所示：

  接下来来看0到第0个顶点的最短路径，这个不需要计算，肯定是0，且不需要经过其他顶点，因此有如下情况：

  到目前为止，min仍然为0，k仍然为0，接下来看0到其他顶点的最短路径，我们把arc[0][j]与现有的pathVal[j]比较，规则是：

  (1) calculated[j]=1表示已找到最短路径，不进行任何处理；

  (2) 如果arc[0][j]+min<pathVal[j]，则令pathVal[j]=arc[0][j]+min，令pre[j]=k，表示0->j至少要经过顶点k；

  (3) 如果arc[0][j]+min>=pathVal[j]，则pathVal[j]不变，pre[j]也不变，表示0->j不会经过顶点k；

  那么，有以下结果：

  (1) calculated[0]=1，不进行任何处理；

  (2) arc[0][1]+min=16+0<pathVal[1]=无穷大，令pathVal[1]=arc[0][1]+min=16，令pre[j]=k=0；

  (3) arc[0][2]、arc[0][3]与arc[0][1]处理方式一致；

  (4) arc[0][4]和arc[0][5]都为无穷大，加上min后等于pathVal[4]和pathVal[5]，因此pathVal[4]、pathVal[5]和pre[4]、pre[5]不进行处理；

  (5) 这时来看最新的pathVal[j]，发现最小的权是pathVal[3]，于是令min=pathVal[3]=12，令k=3，这也表示0->3的最短路径已找到，因此令calculated[3]=1，如下：

  k=3，即其他未计算出的最短路径，都有可能会经过顶点3，因此我们把arc[3][j]与现有pathVal[j]比较，规则仍与arc[0][j]时一致，特别的，arc[3][2]+min=10+12=26>pathVal[2]=15，因此pathVal[2]和pre[2]不进行变更，当然，arc[3][1]也是同样的：

  这时，min=15，k=2，因此处理arc[2][j]，如下：

  然后继续处理，直到calculated[j]的元素都为1：

  我们来看现在的pathVal[j]和pre[j]：

  可以知道以下内容：

  (1) 顶点5，即E，对应的pathVal[5]是43，pre[4]是4，因此顶点0->5，即C->E的最短路径是43，且中间肯定会经过顶点4即顶点F，即肯定有C->F->E；

  (2) 顶点4，即F，对应的pathVal[4]是26，pre[4]是3，因此顶点0->4，即C->F的最短路径是26，且中间肯定会经过顶点3即顶点B，即肯定有C->B->F，结点(1)，那么肯定有C->B->F->E；

  (3) 顶点3，即B，对应的pathVal[3]是12，pre[3]是0，因此顶点0->3，即C->B的最短路径是12，且无中间顶点，那么，结点(1)和(2)，得到结论；

    1) C到B的最短路径是12，路径是C->B；

    2) C到F的最短路径是26，路径是C->B->F；

    3) C到E的最短路径是43，路径是C->B->F->E；

  (4) 同样的规则，能分析到：

    1) C到A的最短路径是15，路径是C->A；

    2) C到D的最短路径是15，路径是C->A->D；

  以上即为迪杰斯特拉算法。

  由上也可知，邻接矩阵的迪杰斯特拉算法实现代码如下所示：

/**
 * 迪杰斯特拉算法获取最短路径
 *
 * @param fromVertexIndex 起始顶点下标
 * @return 起始顶点到各顶点的最短路径及前驱顶点列表
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-20 14:54:35
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Object[][] shortestPathDijkstra(int fromVertexIndex) {

    // 最短路径权值，初始化为fromVertexIndex的权
    W[] pathVal = (W[]) Array.newInstance(infinity.getClass(), vertexNum);

    // 是否已计算，初始值为false
    boolean[] calculated = new boolean[vertexNum];

    // 要到达此顶点应先从哪个顶点过来，初始值为fromVertexIndex
    Integer[] pre = new Integer[vertexNum];
    for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
        pathVal[i] = arc[fromVertexIndex][i];
        pre[i] = fromVertexIndex;
    }

    // 最小权值
    W minWeight = null;
    // 最小权值对应的索引下标
    int minWeightIndex = fromVertexIndex;

    // 已计算的顶点数量，初始值为0
    int calculatedNum;

    // 从fromVertexIndex到fromVertexIndex，令pathVal[fromVertexIndex]为0，令pre[fromVertexIndex]为fromVertexIndex
    // ，令calculated[fromVertexIndex]为true
    pathVal[fromVertexIndex] = (W) Integer.valueOf(0);
    pre[fromVertexIndex] = fromVertexIndex;
    calculated[fromVertexIndex] = true;
    calculatedNum = 1;

    while (calculatedNum < vertexNum) {
        // 循环到所有顶点都计算完毕

        // 处理arc[minWeightIndex][j]
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {

            // 跳过calculated[j]为true的顶点
            if (!calculated[i]) {
                // 与现有pathVal[j]比较
                if (infinity instanceof Integer) {
                    // 对于arc[minWeightIndex][i]为无穷大的也不处理
                    if (!arc[minWeightIndex][i].equals(infinity)) {
                        // 只处理权值是Integer的情况，其他类型的类似处理
                        if (null == minWeight) {
                            minWeight = (W) Integer.valueOf(0);
                        }
                        W arcI = (W) (Integer.valueOf((Integer) arc[minWeightIndex][i] + (Integer) minWeight));
                        if (arcI.compareTo(pathVal[i]) < 0) {
                            // 令pathVal[j]=arc[minWeightIndex][j] + minWeight
                            pathVal[i] = arcI;
                            // 令pre[j]=minWeightIndex
                            pre[i] = minWeightIndex;
                        }
                    }
                }
            }
        }

        // 从pathVal和pre中取出新的minWeight和minWeightIndex
        minWeight = null;
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            // 跳过已计算最短路径的顶点
            if (!calculated[i] && (null == minWeight || minWeight.compareTo(pathVal[i]) > 0)) {
                minWeight = pathVal[i];
                minWeightIndex = i;
            }
        }

        // 设置minWeightIndex对应的顶点为已访问
        calculated[minWeightIndex] = true;
        calculatedNum++;

        // 用于测试
        System.out.println("min weight is " + minWeight + ", min weight index is " + minWeightIndex);
        StringBuilder builder1 = new StringBuilder("path val is [");
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder("pre vertex is [");
        StringBuilder builder3 = new StringBuilder("calculated is [");
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            builder1.append(pathVal[i]).append(",");
            builder2.append(pre[i]).append(",");
            builder3.append(calculated[i]).append(",");
        }
        builder1.append("]");
        builder2.append("]\n\r");
        builder3.append("]");
        System.out.println(builder3);
        System.out.println(builder1);
        System.out.println(builder2);
    }

    Object[][] result = new Object[2][];
    result[0] = pathVal;
    result[1] = pre;
    return result;
}

  邻接表代码如下：

/**
 * 迪杰斯特拉算法获取最短路径
 *
 * @param fromVertexIndex 起始顶点下标
 * @return 起始顶点到各顶点的最短路径及前驱顶点列表
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-20 14:54:35
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Object[][] shortestPathDijkstra(int fromVertexIndex) {

    // 最短路径权值，初始化为fromVertexIndex的权
    W[] pathVal = (W[]) Array.newInstance(infinity.getClass(), vertexNum);

    // 是否已计算，初始值为false
    boolean[] calculated = new boolean[vertexNum];

    // 要到达此顶点应先从哪个顶点过来，初始值为fromVertexIndex
    Integer[] pre = new Integer[vertexNum];
    for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
        pre[i] = fromVertexIndex;
        pathVal[i] = infinity;
    }

    // 处理第一个顶点
    VertexNode<T, W> vertexNode = vertexes[fromVertexIndex];
    EdgeNode<W> edgeNode = vertexNode.getFirstEdge();
    while (null != edgeNode) {
        int refIndex = edgeNode.getIndex();
        W weight = edgeNode.getWeight();

        pathVal[refIndex] = weight;

        edgeNode = edgeNode.getNext();
    }

    // 最小权值
    W minWeight = null;
    // 最小权值对应的索引下标
    int minWeightIndex = fromVertexIndex;

    // 已计算的顶点数量，初始值为0
    int calculatedNum;

    // 从fromVertexIndex到fromVertexIndex，令pathVal[fromVertexIndex]为0，令pre[fromVertexIndex]为fromVertexIndex
    // ，令calculated[fromVertexIndex]为true
    pathVal[fromVertexIndex] = (W) Integer.valueOf(0);
    pre[fromVertexIndex] = fromVertexIndex;
    calculated[fromVertexIndex] = true;
    calculatedNum = 1;

    while (calculatedNum < vertexNum) {
        // 循环到所有顶点都计算完毕

        // 处理本顶点指向的顶点
        vertexNode = vertexes[minWeightIndex];
        edgeNode = vertexNode.getFirstEdge();
        while (null != edgeNode) {
            int refIndex = edgeNode.getIndex();
            W weight = edgeNode.getWeight();

            // 跳过calculated[j]为true的顶点
            if (!calculated[refIndex]) {
                // 与现有pathVal[j]比较
                if (infinity instanceof Integer) {
                    // 对于weight为无穷大的也不处理
                    if (!weight.equals(infinity)) {
                        // 只处理权值是Integer的情况，其他类型的类似处理
                        if (null == minWeight) {
                            minWeight = (W) Integer.valueOf(0);
                        }
                        W arcI = (W) (Integer.valueOf((Integer) weight + (Integer) minWeight));
                        if (arcI.compareTo(pathVal[refIndex]) < 0) {
                            // 令pathVal[j]=arc[minWeightIndex][j] + minWeight
                            pathVal[refIndex] = arcI;
                            // 令pre[j]=minWeightIndex
                            pre[refIndex] = minWeightIndex;
                        }
                    }
                }
            }

            edgeNode = edgeNode.getNext();
        }

        // 从pathVal和pre中取出新的minWeight和minWeightIndex
        minWeight = null;
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            // 跳过已计算最短路径的顶点
            if (!calculated[i] && (null == minWeight || minWeight.compareTo(pathVal[i]) > 0)) {
                minWeight = pathVal[i];
                minWeightIndex = i;
            }
        }

        // 设置minWeightIndex对应的顶点为已访问
        calculated[minWeightIndex] = true;
        calculatedNum++;

        // 用于测试
        System.out.println("min weight is " + minWeight + ", min weight index is " + minWeightIndex);
        StringBuilder builder1 = new StringBuilder("path val is [");
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder("pre vertex is [");
        StringBuilder builder3 = new StringBuilder("calculated is [");
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            builder1.append(pathVal[i]).append(",");
            builder2.append(pre[i]).append(",");
            builder3.append(calculated[i]).append(",");
        }
        builder1.append("]");
        builder2.append("]\n\r");
        builder3.append("]");
        System.out.println(builder3);
        System.out.println(builder1);
        System.out.println(builder2);
    }

    Object[][] result = new Object[2][];
    result[0] = pathVal;
    result[1] = pre;
    return result;
}

  十字链表的迪杰斯特拉算法实现：

/**
 * 迪杰斯特拉算法获取最短路径
 *
 * @param fromVertexIndex 起始顶点下标
 * @return 起始顶点到各顶点的最短路径及前驱顶点列表
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-20 14:54:35
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Object[][] shortestPathDijkstra(int fromVertexIndex) {

    // 最短路径权值，初始化为fromVertexIndex的权
    W[] pathVal = (W[]) Array.newInstance(infinity.getClass(), vertexNum);

    // 是否已计算，初始值为false
    boolean[] calculated = new boolean[vertexNum];

    // 要到达此顶点应先从哪个顶点过来，初始值为fromVertexIndex
    Integer[] pre = new Integer[vertexNum];
    for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
        pre[i] = fromVertexIndex;
        pathVal[i] = infinity;
    }

    // 处理第一个顶点
    AcrossLinkVertexNode<T, W> vertexNode = vertexes[fromVertexIndex];
    AcrossLinkEdgeNode<W> edgeNode = vertexNode.getFirstOut();
    while (null != edgeNode) {
        int refIndex = edgeNode.getHeadIndex();
        W weight = edgeNode.getWeight();

        pathVal[refIndex] = weight;

        edgeNode = edgeNode.getNextHead();
    }

    // 最小权值
    W minWeight = null;
    // 最小权值对应的索引下标
    int minWeightIndex = fromVertexIndex;

    // 已计算的顶点数量，初始值为0
    int calculatedNum;

    // 从fromVertexIndex到fromVertexIndex，令pathVal[fromVertexIndex]为0，令pre[fromVertexIndex]为fromVertexIndex
    // ，令calculated[fromVertexIndex]为true
    pathVal[fromVertexIndex] = (W) Integer.valueOf(0);
    pre[fromVertexIndex] = fromVertexIndex;
    calculated[fromVertexIndex] = true;
    calculatedNum = 1;

    while (calculatedNum < vertexNum) {
        // 循环到所有顶点都计算完毕

        // 处理本顶点指向的顶点
        vertexNode = vertexes[minWeightIndex];
        edgeNode = vertexNode.getFirstOut();
        while (null != edgeNode) {
            int refIndex = edgeNode.getHeadIndex();
            W weight = edgeNode.getWeight();

            // 跳过calculated[j]为true的顶点
            if (!calculated[refIndex]) {
                // 与现有pathVal[j]比较
                if (infinity instanceof Integer) {
                    // 对于weight为无穷大的也不处理
                    if (!weight.equals(infinity)) {
                        // 只处理权值是Integer的情况，其他类型的类似处理
                        if (null == minWeight) {
                            minWeight = (W) Integer.valueOf(0);
                        }
                        W arcI = (W) (Integer.valueOf((Integer) weight + (Integer) minWeight));
                        if (arcI.compareTo(pathVal[refIndex]) < 0) {
                            // 令pathVal[j]=arc[minWeightIndex][j] + minWeight
                            pathVal[refIndex] = arcI;
                            // 令pre[j]=minWeightIndex
                            pre[refIndex] = minWeightIndex;
                        }
                    }
                }
            }

            edgeNode = edgeNode.getNextHead();
        }

        // 从pathVal和pre中取出新的minWeight和minWeightIndex
        minWeight = null;
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            // 跳过已计算最短路径的顶点
            if (!calculated[i] && (null == minWeight || minWeight.compareTo(pathVal[i]) > 0)) {
                minWeight = pathVal[i];
                minWeightIndex = i;
            }
        }

        // 设置minWeightIndex对应的顶点为已访问
        calculated[minWeightIndex] = true;
        calculatedNum++;

        // 用于测试
        System.out.println("min weight is " + minWeight + ", min weight index is " + minWeightIndex);
        StringBuilder builder1 = new StringBuilder("path val is [");
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder("pre vertex is [");
        StringBuilder builder3 = new StringBuilder("calculated is [");
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            builder1.append(pathVal[i]).append(",");
            builder2.append(pre[i]).append(",");
            builder3.append(calculated[i]).append(",");
        }
        builder1.append("]");
        builder2.append("]\n\r");
        builder3.append("]");
        System.out.println(builder3);
        System.out.println(builder1);
        System.out.println(builder2);
    }

    Object[][] result = new Object[2][];
    result[0] = pathVal;
    result[1] = pre;
    return result;
}

  邻接多重表的迪杰斯特拉算法实现如下：

/**
 * 迪杰斯特拉算法获取最短路径
 *
 * @param fromVertexIndex 起始顶点下标
 * @return 起始顶点到各顶点的最短路径及前驱顶点列表
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-20 14:54:35
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Object[][] shortestPathDijkstra(int fromVertexIndex) {

    // 最短路径权值，初始化为fromVertexIndex的权
    W[] pathVal = (W[]) Array.newInstance(infinity.getClass(), vertexNum);

    // 是否已计算，初始值为false
    boolean[] calculated = new boolean[vertexNum];

    // 要到达此顶点应先从哪个顶点过来，初始值为fromVertexIndex
    Integer[] pre = new Integer[vertexNum];
    for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
        pre[i] = fromVertexIndex;
        pathVal[i] = infinity;
    }

    // 处理第一个顶点
    AdjacencyMultiVertexNode<T, W> vertexNode = vertexes[fromVertexIndex];
    AdjacencyMultiEdgeNode<W> edgeNode = vertexNode.getFirstEdge();
    boolean firstEdge = true;
    while (null != edgeNode) {
        int refIndex = 0;
        W weight = edgeNode.getWeight();

        if (firstEdge) {
            refIndex = edgeNode.getJVex();
            edgeNode = edgeNode.getILink();
            firstEdge = false;
        } else {

            int iVex = edgeNode.getIVex();
            int jVex = edgeNode.getJVex();

            if (iVex == fromVertexIndex) {
                refIndex = jVex;
                edgeNode = edgeNode.getJLink();
            } else if (jVex == fromVertexIndex) {
                refIndex = iVex;
                edgeNode = edgeNode.getILink();
            }

        }

        pathVal[refIndex] = weight;
    }

    // 最小权值
    W minWeight = null;
    // 最小权值对应的索引下标
    int minWeightIndex = fromVertexIndex;

    // 已计算的顶点数量，初始值为0
    int calculatedNum;

    // 从fromVertexIndex到fromVertexIndex，令pathVal[fromVertexIndex]为0，令pre[fromVertexIndex]为fromVertexIndex
    // ，令calculated[fromVertexIndex]为true
    pathVal[fromVertexIndex] = (W) Integer.valueOf(0);
    pre[fromVertexIndex] = fromVertexIndex;
    calculated[fromVertexIndex] = true;
    calculatedNum = 1;

    while (calculatedNum < vertexNum) {
        // 循环到所有顶点都计算完毕

        // 处理本顶点指向的顶点
        vertexNode = vertexes[minWeightIndex];
        edgeNode = vertexNode.getFirstEdge();
        firstEdge = true;
        while (null != edgeNode) {
            int refIndex = 0;
            W weight = edgeNode.getWeight();

            if (firstEdge) {
                refIndex = edgeNode.getJVex();
                edgeNode = edgeNode.getILink();
                firstEdge = false;
            } else {

                int iVex = edgeNode.getIVex();
                int jVex = edgeNode.getJVex();

                if (iVex == fromVertexIndex) {
                    refIndex = jVex;
                    edgeNode = edgeNode.getJLink();
                } else if (jVex == fromVertexIndex) {
                    refIndex = iVex;
                    edgeNode = edgeNode.getILink();
                }

            }

            // 跳过calculated[j]为true的顶点
            if (!calculated[refIndex]) {
                // 与现有pathVal[j]比较
                if (infinity instanceof Integer) {
                    // 对于weight为无穷大的也不处理
                    if (!weight.equals(infinity)) {
                        // 只处理权值是Integer的情况，其他类型的类似处理
                        if (null == minWeight) {
                            minWeight = (W) Integer.valueOf(0);
                        }
                        W arcI = (W) (Integer.valueOf((Integer) weight + (Integer) minWeight));
                        if (arcI.compareTo(pathVal[refIndex]) < 0) {
                            // 令pathVal[j]=arc[minWeightIndex][j] + minWeight
                            pathVal[refIndex] = arcI;
                            // 令pre[j]=minWeightIndex
                            pre[refIndex] = minWeightIndex;
                        }
                    }
                }
            }

        }

        // 从pathVal和pre中取出新的minWeight和minWeightIndex
        minWeight = null;
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            // 跳过已计算最短路径的顶点
            if (!calculated[i] && (null == minWeight || minWeight.compareTo(pathVal[i]) > 0)) {
                minWeight = pathVal[i];
                minWeightIndex = i;
            }
        }

        // 设置minWeightIndex对应的顶点为已访问
        calculated[minWeightIndex] = true;
        calculatedNum++;

        // 用于测试
        System.out.println("min weight is " + minWeight + ", min weight index is " + minWeightIndex);
        StringBuilder builder1 = new StringBuilder("path val is [");
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder("pre vertex is [");
        StringBuilder builder3 = new StringBuilder("calculated is [");
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            builder1.append(pathVal[i]).append(",");
            builder2.append(pre[i]).append(",");
            builder3.append(calculated[i]).append(",");
        }
        builder1.append("]");
        builder2.append("]\n\r");
        builder3.append("]");
        System.out.println(builder3);
        System.out.println(builder1);
        System.out.println(builder2);
    }

    Object[][] result = new Object[2][];
    result[0] = pathVal;
    result[1] = pre;
    return result;
}

  边集数组的迪杰斯特拉算法实现如下：

/**
 * 迪杰斯特拉算法获取最短路径
 *
 * @param fromVertexIndex 起始顶点下标
 * @return 起始顶点到各顶点的最短路径及前驱顶点列表
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-20 14:54:35
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public Object[][] shortestPathDijkstra(int fromVertexIndex) {

    // 最短路径权值，初始化为fromVertexIndex的权
    W[] pathVal = (W[]) Array.newInstance(infinity.getClass(), vertexNum);

    // 是否已计算，初始值为false
    boolean[] calculated = new boolean[vertexNum];

    // 要到达此顶点应先从哪个顶点过来，初始值为fromVertexIndex
    Integer[] pre = new Integer[vertexNum];
    for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
        pre[i] = fromVertexIndex;
        pathVal[i] = infinity;
    }

    for (int i = 0; i < edgeNum; i++) {
        EdgeListEdgeNode<W> edgeNode = arc[i];
        int begin = edgeNode.getBegin();
        int end = edgeNode.getEnd();
        W weight = edgeNode.getWeight();
        if (begin == fromVertexIndex) {
            pathVal[end] = weight;
        }
    }

    // 最小权值
    W minWeight = null;
    // 最小权值对应的索引下标
    int minWeightIndex = fromVertexIndex;

    // 已计算的顶点数量，初始值为0
    int calculatedNum;

    // 从fromVertexIndex到fromVertexIndex，令pathVal[fromVertexIndex]为0，令pre[fromVertexIndex]为fromVertexIndex
    // ，令calculated[fromVertexIndex]为true
    pathVal[fromVertexIndex] = (W) Integer.valueOf(0);
    pre[fromVertexIndex] = fromVertexIndex;
    calculated[fromVertexIndex] = true;
    calculatedNum = 1;

    while (calculatedNum < vertexNum) {
        // 循环到所有顶点都计算完毕

        // 处理本顶点指向的顶点
        for (int i = 0; i < edgeNum; i++) {
            EdgeListEdgeNode<W> edgeNode = arc[i];
            int begin = edgeNode.getBegin();
            int end = edgeNode.getEnd();
            W weight = edgeNode.getWeight();
            int refIndex = -1;
            if (type.equals(BusinessConstants.GRAPH_TYPE.DIRECTED_NETWORK)) {
                if (begin == minWeightIndex) {
                    refIndex = end;
                }
            } else {
                if (begin == minWeightIndex) {
                    refIndex = end;
                } else if (end == minWeightIndex) {
                    refIndex = begin;
                }
            }

            // 跳过calculated[j]为true的顶点
            if (refIndex >= 0 && !calculated[refIndex]) {
                // 与现有pathVal[j]比较
                if (infinity instanceof Integer) {
                    // 对于weight为无穷大的也不处理
                    if (!weight.equals(infinity)) {
                        // 只处理权值是Integer的情况，其他类型的类似处理
                        if (null == minWeight) {
                            minWeight = (W) Integer.valueOf(0);
                        }
                        W arcI = (W) (Integer.valueOf((Integer) weight + (Integer) minWeight));
                        if (arcI.compareTo(pathVal[refIndex]) < 0) {
                            // 令pathVal[j]=arc[minWeightIndex][j] + minWeight
                            pathVal[refIndex] = arcI;
                            // 令pre[j]=minWeightIndex
                            pre[refIndex] = minWeightIndex;
                        }
                    }
                }
            }
        }

        // 从pathVal和pre中取出新的minWeight和minWeightIndex
        minWeight = null;
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            // 跳过已计算最短路径的顶点
            if (!calculated[i] && (null == minWeight || minWeight.compareTo(pathVal[i]) > 0)) {
                minWeight = pathVal[i];
                minWeightIndex = i;
            }
        }

        // 设置minWeightIndex对应的顶点为已访问
        calculated[minWeightIndex] = true;
        calculatedNum++;

        // 用于测试
        System.out.println("min weight is " + minWeight + ", min weight index is " + minWeightIndex);
        StringBuilder builder1 = new StringBuilder("path val is [");
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder("pre vertex is [");
        StringBuilder builder3 = new StringBuilder("calculated is [");
        for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
            builder1.append(pathVal[i]).append(",");
            builder2.append(pre[i]).append(",");
            builder3.append(calculated[i]).append(",");
        }
        builder1.append("]");
        builder2.append("]\n\r");
        builder3.append("]");
        System.out.println(builder3);
        System.out.println(builder1);
        System.out.println(builder2);
    }

    Object[][] result = new Object[2][];
    result[0] = pathVal;
    result[1] = pre;
    return result;
}

6.2 弗洛伊德（Floyd）算法

  我们仍然以以下无向网举例：

  首先，我们定义两个矩阵，一为shortestPath，表示最短路径矩阵，一为pre，表示前驱矩阵，初始化shortestPath=arc即无向网的邻接矩阵，令pre[i][j]=j。

  然后我们开始处理，我们把这个过程放到Excel里面进行展示，为了方便计算，我们将“$\infty$”设置为一个大于所有权值的值，例如10000，那么，有如下表格：

  我们先令所有顶点都通过顶点0中转一下后，再连接到其他顶点，来比较直接连接的权和中转连接的权值，假设起始顶点是i，终止顶点是j，那么直接连接的权是n=shortestPath[i][j]，通过顶点0中转的权是m=shortestPath[i][0]+shortestPath[0][j]，而如果m<n，则表示顶点i通过顶点0中转后，再连到顶点j的代价更小，这种情况，我们将pre[i][j]设置为pre[i][0]，将shortestPath[i][j]设置为shortestPath[i][0]+shortestPath[0][j]。

  注意到，在这个计算过程中，如果shortestPath[i][0]或者shortestPath[0][j]为无穷大，那么它们加起来的权值和肯定为无穷大，无论shortestPath[i][j]权值是多少，肯定大于shortestPath[i][j]，因此当shortestPath[i][0]或者shortestPath[0][j]为无穷大时，不需要进行计算。

  先来看i=1的情况，计算后，我们发现shortestPath[1][0]+shortestPath[0][3]小于shortestPath[1][3]，因此令shortestPath[1][3]=shortestPath[1][0]+shortestPath[0][3]，令pre[1][3]=pre[1][0]，如下：

  再来看i=2的情况，所有的m都大于n，不进行任何处理：

  i=3时，shortestPath[3][0]+shortestPath[0][1]<shortestPath[3][1]，令shortestPath[3][1]=shortestPath[3][0]+shortestPath[0][1]，令pre[3][1]=pre[3][0]：

  当i=4和i=5时，shortestPath[4][0]和shortestPath[5][0]都为无穷大，无论shortestPath[0][j]（j=4或5）为多少，权值和肯定大于shortestPath[i][j]（i=4或5，j=4或5），因此不需要计算。

  到这里，所有顶点通过顶点0与其他顶点连通的处理已完毕。

  接下来看所有顶点通过顶点1与其他顶点连通的情况，注意，处理时是基于前面已处理的shortestPath二维数组进行处理的。

  我们发现，所有的shortestPath[i][1]+shortestPath[1][j]都大于shortestPath[i][j]，因此不进行任何处理：

  然后再看所有顶点通过顶点2连通其他顶点的情况，处理逻辑一致，结果如下：

  然后是所有顶点通过顶点3连通其他顶点的情况，然后是所有顶点通过顶点4连通其他顶点的情况，依此类推，得到以下最终结果：

  我们再来总结一下规则：

  (1) 设有图G(V,E)，令shortestPath[][]=arc[][]，新建二维数组pre[][]，令pre[i][j]=j；

  (2) 计算所有顶点通过顶点x（$0\le x\le vertexNum$）连通到其他顶点，计算shortestPath[i][j]与shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]，如果shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]<shortestPath[i][j]，则表示i->x->j的代价比i->j小，于是令shortestPath[i][j]=shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]，令pre[i][j]=pre[i][x]；

  (3) 迭代以上变量，其中$0\le i\le vertexNum$、$0\le j\le vertexNum$、$0\le x\le vertexNum$；

  (4) 迭代过程中，若shortestPath[i][x]或者shortestPath[x][j]为无穷大则跳过；当i=x或x=j或j=i时也跳过；

  现在我们已经得到了以下结果：

  如何计算出顶点i到顶点j的最短路径了，方法如下：

  (1) 顶点i到顶点j的最小代价为shortestPath[i][j]；

  (2) 取出pre[i][j]，若pre[i][j]=a，则表示顶点i到顶点j要先经过顶点a，再取出pre[a][j]，若pre[a][j]=b，则表示顶点i到顶点a要先经过顶点b，依此类推，直到pre[x][j]=j，于是得到顶点i到顶点j的最短路径为i->a->b…->x->j；

  我们来看顶点1到顶点5的最短路径，按照上述规则，我们知道顶点1到顶点5的最小代价为shortestPath[1][5]=2。然后因pre[2][5]=3，pre[3][5]=4，pre[4][5]=5，因此顶点1到顶点5的最短路径为1->2->3->4->5。

  于是，在邻接矩阵中，弗洛伊德算法的最短路径代码实现如下所示：

/**
 * 使用弗洛伊德算法生成的最短路径，只需要计算一次，因此保留计算结果
 **/
private W[][] shortestPath;

/**
 * 使用弗洛伊德算法生成的最短路径中，各顶点的前驱顶点信息，只需要计算一次，因此保留计算结果
 **/
private int[][] pre;

/**
 * 使用弗洛伊德算法计算最短路径
 *
 * @author Korbin
 * @date 2023-02-23 12:23:31
 * @param from 起始顶点
 * @param to 终止顶点
 * @return 最短路径及权值
 **/
@SuppressWarnings("unchecked")
public String shortestPathFloyd(int from, int to) {
    if (null == shortestPath) {
        // 弗洛伊德算法只需要计算一次

        System.out.println("进行了运算");

        // 初始化
        shortestPath = arc;

        pre = new int[vertexNum][vertexNum];
        for (int i = 0; i < vertexNum; i ++) {
            for (int j = 0;j < vertexNum; j++) {
                pre[i][j] = j;
            }
        }
        // 生成最短路径矩阵
        for (int k = 0; k < vertexNum; k++) {

            for (int i = 0; i < vertexNum; i++) {
                if (i != k) {
                    // 所有顶点通过顶点k访问其他顶点
                    for (int j = 0;j < vertexNum; j++) {
                        if (j != k && j != i && !shortestPath[i][k].equals(infinity) && !shortestPath[k][j].equals(infinity)) {
                            if (infinity instanceof Integer) {
                                // 以Integer举例，其他类型类似
                                W directWeight = shortestPath[i][j];
                                W transferWeight = (W)Integer.valueOf((Integer)shortestPath[i][k] + (Integer)shortestPath[k][j]);
                                if (transferWeight.compareTo(directWeight) < 0) {
                                    shortestPath[i][j] = transferWeight;
                                    pre[i][j] = pre[i][k];
                                }
                            }
                        }
                    }

                }
            }

        }
    }

    // 获取最短路径
    W weight = shortestPath[from][to];
    StringBuilder pathBuilder = new StringBuilder("path is ").append(vertex[from]).append("->");
    int index = pre[from][to];
    while (index != to) {

        pathBuilder.append(vertex[index]).append("->");

       index = pre[index][to];

    }
    pathBuilder.append(vertex[to]);

    pathBuilder.append(", weight is ").append(weight);

    return pathBuilder.toString();
}

  其他存储结构也可以使用弗洛伊德算法去尝试实现生成最短路径，本处不再赘述。

6.3 总结

  最短路径，对于图来说，是两顶点之间经过的边数最少的路径；对于网来说，是指两顶点之间经过的边上权值之和最小的路径。路径上第一个顶点为源点，最后一个顶点是终点。

  迪杰斯特拉算法步骤：

  (1) 假设要计算顶点k到其他顶点的最短路径；

  (2) 首先定义三个数组，calculated[i]表示k->i的最短路径是否已计算出来，所有元素初始值均为false；pathVal[i]表示k->i的最短路径，所有元素初始值均为无穷大；pre[i]表示k->i中经历的顶点；

  (3) 定义一个变量minWeight，表示“k->上一个顶点的最小权值”，k表示minWeight对应的顶点的下标，定义minWeightIndex表示minWeight对应的下标，初始值为minWeightIndex=k；

  (4) 然后把arc[minWeightIndex][i]与现有的pathVal[i]比较，规则是：

    1) calculated[i]=true表示已找到最短路径，不进行任何处理；

    2) 如果arc[minWeightIndex][i]+minWeight<pathVal[i]，则令pathVal[i]=arc[minWeightIndex][i]+minWeight，令pre[i]=minWeightIndex，表示k->i至少要经过顶点minWeightIndex；同时设置calculated[minWeightIndex]=true；

    3) 如果arc[minWeightIndex][i]+minWeight>=pathVal[i]，则pathVal[i]不变，pre[i]也不变，表示k->i不会经过顶点minWeightIndex；

  (5) 然后令minWeight为当前pathVal[i]中的最小值，令minWeightIndex为最小值对应的下标，重复第(4)步，直到所有顶点都已计算出最短路径，即calculated数组的元素值全为true；

  费洛伊德算法步骤：

  (1) 设有图G(V,E)，令shortestPath[][]=arc[][]，新建二维数组pre[][]，令pre[i][j]=j；

  (2) 计算所有顶点通过顶点x（$0\le x\le vertexNum$）连通到其他顶点，计算shortestPath[i][j]与shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]，如果shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]<shortestPath[i][j]，则表示i->x->j的代价比i->j小，于是令shortestPath[i][j]=shortestPath[i][x]+shortestPath[x][j]，令pre[i][j]=pre[i][x]；

  (3) 迭代以上变量，其中$0\le i\le vertexNum$、$0\le j\le vertexNum$、$0\le x\le vertexNum$；

  (4) 迭代过程中，若shortestPath[i][x]或者shortestPath[x][j]为无穷大则跳过；当i=x或x=j或j=i时也跳过；

  迪杰斯特拉算法的时间复杂度是O(n²)，主要用于解决特定顶点到其他顶点的最短路径问题，如果需要计算所有顶点到其他顶点的最短路径，则在迪杰斯特拉算法的基础上把起始顶点全部迭代一遍即可，这时时间复杂度为O(³)。

  弗洛伊德算法的时间复杂度也是O(³)，通常用于解决需要计算所有顶点到其他顶点最短距离问题。

  注：本文为程 杰老师《大话数据结构》的读书笔记，其中一些示例和代码是笔者阅读后自行编制的。