tsx81428 发表于 2022-9-16 17:22:55

最短路径算法-迪杰斯特拉(Dijkstra)算法在c#中的实现和生产应用

迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路径算法,用于计算一个节点到其他节点的最短路径。
它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展(广度优先遍历思想),直到扩展到终点为止
贪心算法(Greedy Algorithm)

贪心算法,又名贪婪法,是寻找最优解问题的常用方法,这种方法模式一般将求解过程分成若干个步骤,但每个步骤都应用贪心原则,选取当前状态下最好/最优的选择(局部最有利的选择),并以此希望最后堆叠出的结果也是最好/最优的解。
Dijkstra推导过程(摘自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/346558578)


[*]通过Dijkstra计算图G中的最短路径时,需要指定一个起点D(即从顶点D开始计算)。
[*]此外,引进两个数组S和U。S的作用是记录已求出最短路径的顶点(以及相应的最短路径长度),而U则是记录还未求出最短路径的顶点(以及该顶点到起点D的距离)。
[*]初始时,数组S中只有起点D;数组U中是除起点D之外的顶点,并且数组U中记录各顶点到起点D的距离。如果顶点与起点D不相邻,距离为无穷大。
[*]然后,从数组U中找出路径最短的顶点K,并将其加入到数组S中;同时,从数组U中移除顶点K。接着,更新数组U中的各顶点到起点D的距离。
[*]重复第4步操作,直到遍历完所有顶点。
图解(摘自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/346558578)

https://img2022.cnblogs.com/blog/1306612/202208/1306612-20220830100206403-1857735328.png
当我们理解了算法原理后,我们需要明白Dijkstra不能够处理的场景


[*]不能处理负权重边(往往找错最短路径,在Dijkstra看来,cost是递增的)
[*]A-A的绕圈路径查找(需要特殊处理)
代码实战(已经在生产使用)


[*]节点对象定义:
public class Edge
    {
      public int StartNodeID;
      public int EndNodeID;
      public double Weight;
    }
public class Node
    {
      public int Id { get; set; }
      public bool Enable { get; set; }
    }
public class NodeItem
      {
            public bool Used { get; set; }
            public List<int> Nodes { get; } = new List<int>();
            public int NodeId { get; set; }
            public int Index { get; set; }
            public double Weight { get; set; }
      }

[*]初始化图,点,路径集合
public void Initialize(IEnumerable<Edge> edges, IEnumerable<Node> nodes)
      {
            _edges = edges.ToList();
            _nodes = nodes.ToList();
            _nodeItems = new List<NodeItem>();
            _graph = new double;
            foreach (var row in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
            {
                var rowNode = _nodes;
                foreach (var colnum in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
                {
                  if (row == colnum)
                  {
                        _graph = 0;
                        continue;
                  }
                  var edge = _edges.FirstOrDefault(x =>
                            x.StartNodeID == rowNode.Id && x.EndNodeID == _nodes.Id);
                  _graph = edge == null ? double.MaxValue : edge.Weight;
                }

                _nodeItems.Add(new NodeItem()
                {
                  NodeId = _nodes.Id,
                  Index = row,
                  Weight = double.MaxValue
                });
            }
      }

[*]路由主体方法
public Route GetRoute(int startPointID, int endPointID)
      {
            if (IsRouting)
                throw new InvalidOperationException($"can't route.router busy");

            IsRouting = true;
            Node sNode = null;
            Node dNode = null;

            try
            {
                if ((sNode = _nodes.FirstOrDefault(x => x.Id == startPointID)) == null
                  || (dNode = _nodes.FirstOrDefault(x => x.Id == endPointID)) == null)
                  throw new ArgumentNullException("can't found target points.");

                _nodeItems.FirstOrDefault(x => x.NodeId == startPointID).Used = true;
                _nodeItems.ForEach(x =>
                {
                  x.Weight = GetRowArray(_graph, _nodes.IndexOf(sNode));
                  x.Nodes.Add(startPointID);
                });

                while (_nodeItems.Any(x => !x.Used))
                {
                  var item = GetUnUsedAndMinNodeItem();
                  if (item == null)
                        break;

                  item.Used = true;
                  var tempRow = GetRowArray(_graph, item.Index);
                  foreach (var nodeItem in _nodeItems)
                  {
                        if (nodeItem.Weight > tempRow + item.Weight)
                        {
                            nodeItem.Weight = tempRow + item.Weight;
                            nodeItem.Nodes.Clear();
                            nodeItem.Nodes.AddRange(item.Nodes);
                            nodeItem.Nodes.Add(item.NodeId);
                        }
                  }
                }

                var desNodeitem = _nodeItems.FirstOrDefault(x => x.NodeId == endPointID);
                if (desNodeitem.Used && desNodeitem.Weight < double.MaxValue)
                {
                  var edges = new List<Edge>();
                  foreach (var index in Enumerable.Range(0, desNodeitem.Nodes.Count - 1))
                  {
                        edges.Add(_edges.FirstOrDefault(x => x.StartNodeID == desNodeitem.Nodes && x.EndNodeID == desNodeitem.Nodes));
                  }

                  edges.Add(_edges.FirstOrDefault(x => x.StartNodeID == desNodeitem.Nodes.Last() && x.EndNodeID == endPointID));
                  return new Route()
                  {
                        Edges = edges
                  };
                }

                return null;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                _logger.LogError(ex.ToString());
                _logger.LogInformation($"startPoint:{startPointID}-endpoint:{endPointID} route faild.");
                throw;
            }
            finally
            {
                _nodeItems.ForEach(x =>
                {
                  x.Used = false;
                  x.Nodes.Clear();
                });

                IsRouting = false;
            }
      }

      private NodeItem GetUnUsedAndMinNodeItem()
      {
            return _nodeItems.Where(x => !x.Used && x.Weight != double.MaxValue).OrderBy(x => x.Weight).FirstOrDefault();
      }

      private double[] GetRowArray(double[,] source, int row)
      {
            double[] result = new double;
            foreach (var index in Enumerable.Range(0, result.Length))
            {
                result = source;
            }

            return result;
      }完整代码

public class DijkstraRouter    {      private double[,] _graph;      private List _edges;//所有的边      private List _nodes;//所有的节点      private List _nodeItems;      public bool IsRouting { get; set; }      private readonly ILogger _logger;      public DijkstraRouter(ILogger logger)      {            _logger = logger;      }      public Route GetRoute(int startPointID, int endPointID)
      {
            if (IsRouting)
                throw new InvalidOperationException($"can't route.router busy");

            IsRouting = true;
            Node sNode = null;
            Node dNode = null;

            try
            {
                if ((sNode = _nodes.FirstOrDefault(x => x.Id == startPointID)) == null
                  || (dNode = _nodes.FirstOrDefault(x => x.Id == endPointID)) == null)
                  throw new ArgumentNullException("can't found target points.");

                _nodeItems.FirstOrDefault(x => x.NodeId == startPointID).Used = true;
                _nodeItems.ForEach(x =>
                {
                  x.Weight = GetRowArray(_graph, _nodes.IndexOf(sNode));
                  x.Nodes.Add(startPointID);
                });

                while (_nodeItems.Any(x => !x.Used))
                {
                  var item = GetUnUsedAndMinNodeItem();
                  if (item == null)
                        break;

                  item.Used = true;
                  var tempRow = GetRowArray(_graph, item.Index);
                  foreach (var nodeItem in _nodeItems)
                  {
                        if (nodeItem.Weight > tempRow + item.Weight)
                        {
                            nodeItem.Weight = tempRow + item.Weight;
                            nodeItem.Nodes.Clear();
                            nodeItem.Nodes.AddRange(item.Nodes);
                            nodeItem.Nodes.Add(item.NodeId);
                        }
                  }
                }

                var desNodeitem = _nodeItems.FirstOrDefault(x => x.NodeId == endPointID);
                if (desNodeitem.Used && desNodeitem.Weight < double.MaxValue)
                {
                  var edges = new List<Edge>();
                  foreach (var index in Enumerable.Range(0, desNodeitem.Nodes.Count - 1))
                  {
                        edges.Add(_edges.FirstOrDefault(x => x.StartNodeID == desNodeitem.Nodes && x.EndNodeID == desNodeitem.Nodes));
                  }

                  edges.Add(_edges.FirstOrDefault(x => x.StartNodeID == desNodeitem.Nodes.Last() && x.EndNodeID == endPointID));
                  return new Route()
                  {
                        Edges = edges
                  };
                }

                return null;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                _logger.LogError(ex.ToString());
                _logger.LogInformation($"startPoint:{startPointID}-endpoint:{endPointID} route faild.");
                throw;
            }
            finally
            {
                _nodeItems.ForEach(x =>
                {
                  x.Used = false;
                  x.Nodes.Clear();
                });

                IsRouting = false;
            }
      }

      private NodeItem GetUnUsedAndMinNodeItem()
      {
            return _nodeItems.Where(x => !x.Used && x.Weight != double.MaxValue).OrderBy(x => x.Weight).FirstOrDefault();
      }

      private double[] GetRowArray(double[,] source, int row)
      {
            double[] result = new double;
            foreach (var index in Enumerable.Range(0, result.Length))
            {
                result = source;
            }

            return result;
      }      public void Initialize(IEnumerable<Edge> edges, IEnumerable<Node> nodes)
      {
            _edges = edges.ToList();
            _nodes = nodes.ToList();
            _nodeItems = new List<NodeItem>();
            _graph = new double;
            foreach (var row in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
            {
                var rowNode = _nodes;
                foreach (var colnum in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
                {
                  if (row == colnum)
                  {
                        _graph = 0;
                        continue;
                  }
                  var edge = _edges.FirstOrDefault(x =>
                            x.StartNodeID == rowNode.Id && x.EndNodeID == _nodes.Id);
                  _graph = edge == null ? double.MaxValue : edge.Weight;
                }

                _nodeItems.Add(new NodeItem()
                {
                  NodeId = _nodes.Id,
                  Index = row,
                  Weight = double.MaxValue
                });
            }
      }      public class NodeItem      {            public bool Used { get; set; }            public List Nodes { get; } = new List();            public int NodeId { get; set; }            public int Index { get; set; }            public double Weight { get; set; }      }    }
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