之前写过一篇 # 会一会改变世界的图算法------Dijkstra(狄克斯特拉)算法,是对 Dijkstra 在算法层面的初步认识。
实际上,Dijkstra 算法在现实生活中有很多应用,它的思想:在图中的两点,算出最短路径,即花费最小的开销,具备很有价值的现实意义。
很多事都能抽象,算清楚每个节点的联系,从上一个节点到下一个节点的开销,最终抵达结果节点,计算整个成本。这个过程无疑是在对信息作最有效的规整、最有效率的利用。
回顾
首先,我们来回顾一下这个经典的算法。
其实很简单:Dijkstra 核心思想是不断地寻找最"近"的未访问节点,并更新其他节点到起点的最短距离。
将以上这句话可以拆解为 4 个步骤:
- 初始化:将所有节点的最短路径估计设为无限大,只有起点的距离设为0。
- 选择最近的节点:从未访问的节点中找到距离起点最近的节点。
- 更新邻居节点的距离:检查这个节点的所有邻居,如果通过这个节点到达邻居的距离比当前记录的距离短,就更新这个距离。
- 重复:重复第2和第3步,直到访问了所有的节点。
之前的算法解释:
应用
Dijkstra 算法不只是理论上的玩具算法,它在计算机科学、网络技术、甚至日常生活中都有广泛的应用~
本篇就是来看看一个具体的算法落地场景实践:
网络路由:保证数据包的快速传递
假设有一个小型企业网络,包含四个节点(A, B, C, D),节点之间的连接及其带宽(或权重)如下图所示。我们的任务是找到从A到D的最快路径,确保数据包快速传递。
A到B的带宽为10Mbps;A到C的带宽为15Mbps;B到D的带宽为10Mbps;C到B的带宽为5Mbps;C到D的带宽为20Mbps
用 JS 对象形成一个关系矩阵:
css
const graph = {
A: {B: 10, C: 15},
B: {D: 10},
C: {B: 5, D: 20},
D: {}
};
然后定义一个优先队列,用于支持Dijkstra算法中的节点选择。
Dijkstra
JS 函数实现:
ini
// 定义优先队列类
class PriorityQueue {
constructor() {
this.nodes = [];
}
enqueue(priority, key) {
this.nodes.push({ key, priority });
this.sort();
}
dequeue() {
return this.nodes.shift();
}
sort() {
this.nodes.sort((a, b) => a.priority - b.priority);
}
isEmpty() {
return !this.nodes.length;
}
}
function dijkstra(graph, start, goal) {
let distances = {};
let previous = {};
let queue = new PriorityQueue();
// 初始化所有节点的距离为无限大,起点的距离为0
for (let vertex in graph) {
distances[vertex] = vertex === start ? 0 : Infinity;
queue.enqueue(distances[vertex], vertex);
}
while (!queue.isEmpty()) {
let smallest = queue.dequeue().key;
// 如果达到目标节点,则构建并返回路径
if (smallest === goal) {
let path = [];
while (previous[smallest]) {
path.push(smallest);
smallest = previous[smallest];
}
return path.concat(start).reverse();
}
// 遍历所有邻接节点,更新距离和前置节点
for (let neighbor in graph[smallest]) {
let alt = distances[smallest] + graph[smallest][neighbor];
if (alt < distances[neighbor]) {
distances[neighbor] = alt;
previous[neighbor] = smallest;
queue.enqueue(alt, neighbor);
}
}
}
// 如果没有找到路径,则返回空数组
return [];
}
// 定义网络图
const graph = {
A: { B: 10, C: 15 },
B: { D: 10 },
C: { B: 5, D: 20 },
D: {}
};
// 使用Dijkstra算法寻找从A到D的最短路径
const fastestPath = dijkstra(graph, 'A', 'D');
console.log(fastestPath); // 应该输出: ['A', 'C', 'D']
思路是:
首先,所有节点的最短路径估计都被设置为无限大。
处理节点A: 从队列中移除A(因为它是距离最短的节点),并考虑它的所有邻居(B和C)。 更新到达B和C的距离。A到B的带宽为10,A到C的带宽为15。因此,A到B的距离更新为10,A到C的距离更新为15。
下一个距离最短的节点是B(距离为10),从队列中移除B,并考虑它的邻居D。 更新到达D的距离。从A经B到D的总带宽为20(A到B为10,B到D为10),因此A到D的距离更新为20。
接着考虑C(距离为15),更新它的邻居B和D的距离。 但是,从A经C到B的总带宽为20,比已知的A到B的距离(10)要大,因此不更新A到B的距离。
从A经C到D的总带宽为35,比已知的A到D的距离(20)要大,因此也不更新A到D的距离。
所有节点都被处理完毕,完成处理,从A到B再到D这条路径的总带宽(或"成本")更低~
步骤 | A | B | C | D |
---|---|---|---|---|
初始化 | 无限大 | 无限大 | 无限大 | 无限大 |
处理节点A | 0 | 10 (A->B) | 15 (A->C) | 无限大 |
处理节点B | 0 | 10 | 15 (A->C) | 20 (A->B->D) |
处理节点C | 0 | 10 | 15 | 20 |
完成 | 0 | 10 | 15 | 20 |
小结
除了数据传输更快,当然还有相应的场景落地:导航-路径最快、游戏中达成任务步骤最快、城市交通中路线规划最短/最不堵等等问题中都能用到它,是不能错过的"算法利器"!
OK,以上便是本次分享,希望各位喜欢~ 欢迎点赞、收藏、评论 🤟
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