最短路徑演算法-迪傑斯特拉(Dijkstra)演算法在c#中的實現和生產應用

来源:https://www.cnblogs.com/qwqwQAQ/archive/2022/08/30/16638522.html
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迪傑斯特拉(Dijkstra)演算法是典型最短路徑演算法,用於計算一個節點到其他節點的最短路徑。 它的主要特點是以起始點為中心向外層層擴展(廣度優先遍歷思想),直到擴展到終點為止 貪心演算法(Greedy Algorithm) 貪心演算法,又名貪婪法,是尋找最優解問題的常用方法,這種方法模式一般將求解過程分 ...


迪傑斯特拉(Dijkstra)演算法是典型最短路徑演算法,用於計算一個節點到其他節點的最短路徑。
它的主要特點是以起始點為中心向外層層擴展(廣度優先遍歷思想),直到擴展到終點為止

貪心演算法(Greedy Algorithm)

貪心演算法,又名貪婪法,是尋找最優解問題的常用方法,這種方法模式一般將求解過程分成若幹個步驟,但每個步驟都應用貪心原則,選取當前狀態下最好/最優的選擇(局部最有利的選擇),並以此希望最後堆疊出的結果也是最好/最優的解。

Dijkstra推導過程(摘自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/346558578)

  • 通過Dijkstra計算圖G中的最短路徑時,需要指定一個起點D(即從頂點D開始計算)。
  • 此外,引進兩個數組S和U。S的作用是記錄已求出最短路徑的頂點(以及相應的最短路徑長度),而U則是記錄還未求出最短路徑的頂點(以及該頂點到起點D的距離)。
  • 初始時,數組S中只有起點D;數組U中是除起點D之外的頂點,並且數組U中記錄各頂點到起點D的距離。如果頂點與起點D不相鄰,距離為無窮大。
  • 然後,從數組U中找出路徑最短的頂點K,並將其加入到數組S中;同時,從數組U中移除頂點K。接著,更新數組U中的各頂點到起點D的距離。
  • 重覆第4步操作,直到遍歷完所有頂點。

圖解(摘自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/346558578)

image

當我們理解了演算法原理後,我們需要明白Dijkstra不能夠處理的場景

  • 不能處理負權重邊(往往找錯最短路徑,在Dijkstra看來,cost是遞增的)
  • A-A的繞圈路徑查找(需要特殊處理)

代碼實戰(已經在生產使用)

  • 節點對象定義:
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; }
        }
  • 初始化圖,點,路徑集合
public void Initialize(IEnumerable<Edge> edges, IEnumerable<Node> nodes)
        {
            _edges = edges.ToList();
            _nodes = nodes.ToList();
            _nodeItems = new List<NodeItem>();
            _graph = new double[_nodes.Count(), _nodes.Count()];
            foreach (var row in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
            {
                var rowNode = _nodes[row];
                foreach (var colnum in Enumerable.Range(0, _nodes.Count()))
                {
                    if (row == colnum)
                    {
                        _graph[row, colnum] = 0;
                        continue;
                    }
                    var edge = _edges.FirstOrDefault(x =>
                            x.StartNodeID == rowNode.Id && x.EndNodeID == _nodes[colnum].Id);
                    _graph[row, colnum] = edge == null ? double.MaxValue : edge.Weight;
                }

                _nodeItems.Add(new NodeItem()
                {
                    NodeId = _nodes[row].Id,
                    Index = row,
                    Weight = double.MaxValue
                });
            }
        }
  • 路由主體方法
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.Index];
                    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[nodeItem.Index] + item.Weight) 
                        {
                            nodeItem.Weight = tempRow[nodeItem.Index] + 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[index] && x.EndNodeID == desNodeitem.Nodes[index + 1]));
                    }

                    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[source.GetLength(1)];
            foreach (var index in Enumerable.Range(0, result.Length))
            {
                result[index] = source[row, index];
            }

            return result;
        }

完整代碼

public class DijkstraRouter
    {
        private double[,] _graph;
        private List<Edge> _edges;//所有的邊
        private List<Node> _nodes;//所有的節點
        private List<NodeItem> _nodeItems;
        public bool IsRouting { get; set; }

        private readonly ILogger<DijkstraRouter> _logger;

        public DijkstraRouter(ILogger<DijkstraRouter> 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.Index];
                    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[nodeItem.Index] + item.Weight) 
                        {
                            nodeItem.Weight = tempRow[nodeItem.Index] + 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[index] && x.EndNodeID == desNodeitem.Nodes[index + 1]));
                    }

                    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[source.GetLength(1)];
            foreach (var index in Enumerable.Range(0, result.Length))
            {
                result[index] = source[row, index];
            }

            return result;
        }

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

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

        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; }
        }
    }

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  • 本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺,其實像阿裡雲,騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後,它會送 ...
  • 通過以下方式可以高效,並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計,確保API端點明確,並使用適當的HTTP方法(如POST用於創建,PUT用於更新)。 設計清晰的請求和響應模型,以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證,確保接收到的數據符合預期格 ...