Java最短路径算法知识点（含面试大厂题和源码）

最短路径算法是计算机科学和图论中的核心问题之一，它旨在找到从一个顶点到另一个顶点或在所有顶点之间的最短路径。这个问题在多种实际应用中都非常重要，如网络路由、交通规划、社交网络分析等。以下是一些与最短路径算法相关的知识点：

1. Dijkstra算法:

   • 由荷兰计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉（Edsger W. Dijkstra）在1956年提出。
   • 适用于带权重的有向图和无向图，且所有权重必须为非负值。
   • 算法使用贪心策略，通过不断地扩展已知最短路径集合来找到从源点到其他所有点的最短路径。
   • 时间复杂度取决于所使用的数据结构，使用优先队列时可以达到O(|V|^2 + |E|log|V|)，其中|V|是顶点数，|E|是边数。

2. Bellman-Ford算法:

   • 可以处理带有负权重边的图，但不允许存在负权重循环。
   • 通过对所有边进行|V|-1次松弛操作来逐步找到最短路径。
   • 时间复杂度为O(|V||E|)，在稀疏图中效率较低。

3. Floyd-Warshall算法:

   • 一种动态规划算法，用于计算所有顶点对之间的最短路径。
   • 可以处理带有正权重或负权重（但不包含负权重循环）的图。
   • 时间复杂度为O(|V|^3)，适用于稠密图。

4. A*搜索算法:

   • 一种启发式搜索算法，用于在图中找到从起点到目标点的最短路径。
   • 通过评估函数（如曼哈顿距离或欧几里得距离）来估计从当前顶点到目标点的最短距离，并优先搜索估计距离最小的路径。
   • 适用于有向图和无向图，且通常用于路径查找问题，如地图导航。

5. Yen’s K最短路径算法:

   • 用于在加权图中找到从单一源点到目标点的前K条最短路径。
   • 基于Dijkstra算法的扩展，通过维护一个优先队列来存储当前找到的K条最短路径。
   • 时间复杂度取决于K的大小，对于每条路径的搜索时间复杂度为O(|E|log|V|)。

6. 数据结构:

   • 在实现最短路径算法时，选择合适的数据结构非常重要，如优先队列、堆、图的邻接矩阵或邻接表等。
   • 正确的数据结构可以显著提高算法的效率。

7. 优化技巧:

   • 减少不必要的计算和比较次数，例如使用启发式信息来指导搜索方向，或者在Dijkstra算法中使用双向搜索。
   • 利用问题的特定性质，如对称性或稀疏性，来优化算法。

8. 实际应用:

   • 了解最短路径问题在不同领域的应用可以帮助更好地理解算法的实际意义。
   • 例如，在网络路由中，最短路径算法可以帮助确定数据包的最佳传输路径；在交通规划中，可以用于找到从一个地方到另一个地方的最快路线。

通过深入理解上述知识点，你将能够更好地解决最短路径问题，并在面试中展示你的算法设计和分析能力。在准备面试时，建议通过实际编程练习来巩固这些概念，并准备好讨论不同算法的适用场景和限制。

题目 1：Dijkstra算法 - 找到从单个源点到图中所有其他顶点的最短路径

描述：
给定一个加权图和一个源顶点，使用Dijkstra算法找到从该源顶点到图中所有其他顶点的最短路径。

要求：

• 图的边权重必须为非负值。
• 返回一个包含每个顶点最短路径长度的数组。

Java代码示例：

import java.util.*;

class Graph {
    private int V; // 顶点的数量
    private List<List<Edge>> adj; // 邻接表

    class Edge {
        int v;
        int weight;

        Edge(int v, int weight) {
            this.v = v;
            this.weight = weight;
        }
    }

    Graph(int V) {
        this.V = V;
        adj = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < V; ++i)
            adj.add(new ArrayList<>());
    }

    void addEdge(int u, int v, int weight) {
        adj.get(u).add(new Edge(v, weight));
    }

    void dijkstra(int s) {
        boolean[] visited = new boolean[V];
        int[] shortestPath = new int[V];
        Arrays.fill(shortestPath, Integer.MAX_VALUE);
        PriorityQueue<Vertex> minHeap = new PriorityQueue<>();

        visited[s] = true;
        minHeap.offer(new Vertex(s, 0));

        while (!minHeap.isEmpty()) {
            Vertex current = minHeap.poll();
            int u = current.id;
            int dist = current.dist;

            if (dist <= shortestPath[u])
                continue;

            for (Edge e : adj.get(u)) {
                int v = e.v;
                int weight = e.weight;

                if (!visited[v] && dist + weight < shortestPath[v]) {
                    shortestPath[v] = dist + weight;
                    minHeap.offer(new Vertex(v, shortestPath[v]));
                }
            }
        }

        // 输出结果
        for (int i = 0; i < V; i++) {
            System.out.print("Vertex " + i + " shortest path from source: " + shortestPath[i] + "\n");
        }
    }
}

class Vertex implements Comparable<Vertex> {
    int id;
    int dist;

    Vertex(int id, int dist) {
        this.id = id;
        this.dist = dist;
    }

    @Override
    public int compareTo(Vertex other) {
        return Integer.compare(this.dist, other.dist);
    }
}

public class DijkstraExample {
    public static void main(String[] args) {
        Graph g = new Graph(5);
        g.addEdge(0, 1, 10);
        g.addEdge(0, 2, 3);
        g.addEdge(1, 2, 1);
        g.addEdge(1, 3, 2);
        g.addEdge(2, 1, 4);
        g.addEdge(2, 3, 8);
        g.addEdge(2, 4, 2);
        g.addEdge(3, 4, 7);
        g.dijkstra(0);
    }
}

题目 2：Floyd-Warshall算法 - 找到图中所有顶点对的最短路径

描述：
给定一个加权图，使用Floyd-Warshall算法找到所有顶点对之间的最短路径。

要求：

• 图中可能包含负权重的边，但不允许存在负权重循环。
• 返回一个二维数组，其中每个元素表示两个顶点之间的最短路径长度。

Java代码示例：

public class FloydWarshallExample {
    public static void main(String[] args) {
        int V = 5;
        int[][] graph = {
            {0, 5, float.POSITIVE_INFINITY, 10, float.POSITIVE_INFINITY},
            {float.POSITIVE_INFINITY, 0, 3, float.POSITIVE_INFINITY, 8},
            {float.POSITIVE_INFINITY, 7, 0, 2, float.POSITIVE_INFINITY},
            {10, float.POSITIVE_INFINITY, float.POSITIVE_INFINITY, 0, 1},
            {float.POSITIVE_INFINITY, 8, float.POSITIVE_INFINITY, 7, 0}
        };

        for (int k = 0; k < V; k++) {
            for (int i = 0; i < V; i++) {
                for (int j = 0; j < V; j++) {
                    if (graph[i][k] + graph[k][j] < graph[i][j]) {
                        graph[i][j] = graph[i][k] + graph[k][j];
                    }
                }
            }
        }

        // 打印结果
        for (int i = 0; i < V; i++) {
            for (int j = 0; j < V; j++) {
                System.out.print(graph[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

题目 3：A*搜索算法 - 在图中找到从起点到目标点的最短路径

描述：
给定一个图和一个启发式函数，使用A*搜索算法找到从起点到目标点的最短路径。

要求：

• 启发式函数应估计从当前顶点到目标点的最小成本。
• 返回从起点到目标点的最短路径及其长度。

Java代码示例（简化版）：

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;

class Node {
    int x, y;
    int g, h;

    Node(int x, int y, int g, int h) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.g = g;
        this.h = h;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + ", " + y + ")";
    }
}

public class AStarExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 假设的地图和启发式函数
        int[][] map = {
            {0, 1, 0, 0, 0},
            {1, 1, 1, 1, 0},
            {0, 0, 0, 1, 0},
            {0, 1, 1, 1, 1},
            {0, 0, 0, 0, 0}
        };
        int start = 0; // 起点位置
        int goal = 14; // 目标位置（地图上的位置索引）

        // 启发式函数（曼哈顿距离）
        int[] dx = {1, 0, -1, 0};
        int[] dy = {0, 1, 0, -1};
        int h(int x, int y) {
            int d = Math.abs(x / 4 - goal / 4) + Math.abs(y / 4 - goal % 4);
            return d;
        }

        // A* 算法实现
        PriorityQueue<Node> queue = new PriorityQueue<>(Comparator.comparingInt(a -> a.g + a.h));
        queue.offer(new Node(start / 4, start % 4, 0, h(start / 4, start % 4)));

        while (!queue.isEmpty()) {
            Node current = queue.poll();
            if (current.x * 4 + current.y == goal) {
                System.out.println("Found path: " + current);
                break;
            }
            // 探索邻居节点
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                int nx = current.x + dx[i];
                int ny = current.y + dy[i];
                if (nx >= 0 && nx < 5 && ny >= 0 && ny < 5 && map[nx][ny] == 0) {
                    int ng = current.g + 1;
                    int nh = h(nx, ny);
                    queue.offer(new Node(nx, ny, ng, nh));
                }
            }
        }
    }
}

请注意，上述代码示例是简化版的，实际面试中可能需要更详细的实现和解释。在准备面试时，你应该确保理解每个算法的原理，并能够根据面试官的要求编写完整的代码。此外，讨论算法的时间复杂度和空间复杂度，以及如何处理特殊情况（如负权重边或非常大的图）也是非常重要的。