一文彻底搞懂Dijkstra算法

Everix

2026-07-06 19:05:41

发布于：浙江

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一文彻底搞懂Dijkstra算法（迪杰斯特拉算法）

1. 算法本质

Dijkstra算法 是解决非负权图单源最短路径的经典贪心算法。
由荷兰计算机科学家 Edsger W. Dijkstra 于1956年提出。
核心思想：按路径长度递增的顺序，逐步确定从源点到其余各顶点的最短路径。

2. 适用场景与前提

适用：带权有向图或无向图，边权 ≥ 0。
不适用：含负权边的图（此时应使用 Bellman-Ford 或 SPFA）。
目标：求给定源点 s 到所有其他顶点的最短距离。

3. 核心数据结构

dist[]：记录源点到每个顶点的当前最短距离估计值，初始化 dist[s]=0，其余为 ∞。
visited[]（或 settled[]）：标记顶点是否已确定最短距离（永久标号）。
优先队列（小顶堆）：快速取出当前 dist 最小的未确定顶点，优化时间复杂度。

4. 算法步骤（手动模拟版）

初始化：dist[s]=0，其余 dist=∞，所有顶点未访问。
从未访问顶点中选择 dist 最小的顶点 u（初始为源点）。
标记 u 为已访问（确定其最短距离）。
松弛操作：遍历 u 的所有邻接边 (u, v, w)，若 dist[u] + w < dist[v]，则更新 dist[v] = dist[u] + w。
重复步骤 2~4，直到所有顶点被访问或剩余 dist 全为 ∞（非连通图）。

5. 图解示例（手动推演）

图：
顶点：A(源点), B, C, D
边：A-B(4), A-C(2), B-C(1), B-D(5), C-D(8)

步骤	已确定顶点	dist[B]	dist[C]	dist[D]	选择
初始	无	∞	∞	∞	A
1	A	4	2	∞	C
2	A,C	3(4→2+1)	2	10(2+8)	B
3	A,C,B	3	2	8(3+5)	D
结束	全部	3	2	8	-

最终最短路径：
A→C(2), A→B(3) [A→C→B], A→D(8) [A→C→B→D]

6. 代码实现（Python + 堆优化）

import heapq

def dijkstra(graph, start):
    # graph: {节点: [(邻接节点, 权重), ...]}
    dist = {node: float('inf') for node in graph}
    dist[start] = 0
    pq = [(0, start)]          # (当前距离, 节点)
    visited = set()

    while pq:
        d, u = heapq.heappop(pq)
        if u in visited:
            continue
        visited.add(u)

        for v, w in graph[u]:
            if v not in visited and dist[u] + w < dist[v]:
                dist[v] = dist[u] + w
                heapq.heappush(pq, (dist[v], v))

    return dist

# 示例图（无向）
graph = {
    'A': [('B', 4), ('C', 2)],
    'B': [('A', 4), ('C', 1), ('D', 5)],
    'C': [('A', 2), ('B', 1), ('D', 8)],
    'D': [('B', 5), ('C', 8)]
}
print(dijkstra(graph, 'A'))   # {'A':0, 'B':3, 'C':2, 'D':8}

7. 复杂度分析

实现方式	时间复杂度	空间复杂度
邻接矩阵 + 朴素	O(V²)	O(V²)
邻接表 + 二叉堆	O((V+E) log V)	O(V+E)
邻接表 + 斐波那契堆	O(E + V log V)	O(V+E)

V：顶点数，E：边数。优先队列堆优化是实际中最常用方式。

8. 正确性证明（简要）

不变式：每次从 visited 中取出的顶点 u，其 dist[u] 已是全局最小值。
反证法：若存在更短路径到达 u，则该路径上第一个未访问顶点 x 的 dist[x] 必小于 dist[u]，与 u 是当前最小矛盾。
由于所有边权非负，后续路径不可能使 dist[u] 更小，故贪心选择安全。

9. 常见误区与注意事项

不能处理负权边：负权会使贪心失效（可能绕负权环减小距离）。
不一定适用于所有最短路变种：如求最长路、含负权图、多源最短路等。
图必须连通吗？ 不必须，非连通部分距离保持 ∞。
堆中可能出现旧数据：用 visited 或比较 d == dist[u] 来跳过过期条目。

10. 路径还原（附加）

若需要输出具体最短路径，维护 parent[] 数组，在松弛时记录 parent[v] = u，最后反向追溯。

def dijkstra_with_path(graph, start):
    dist = {node: float('inf') for node in graph}
    parent = {node: None for node in graph}
    dist[start] = 0
    pq = [(0, start)]
    visited = set()

    while pq:
        d, u = heapq.heappop(pq)
        if u in visited:
            continue
        visited.add(u)

        for v, w in graph[u]:
            if v not in visited and dist[u] + w < dist[v]:
                dist[v] = dist[u] + w
                parent[v] = u
                heapq.heappush(pq, (dist[v], v))

    return dist, parent

# 使用示例
dist, parent = dijkstra_with_path(graph, 'A')
# 追溯 A -> D 的路径
path = []
cur = 'D'
while cur is not None:
    path.append(cur)
    cur = parent[cur]
path.reverse()
print(path)  # ['A', 'C', 'B', 'D']

11. 总结

特点	说明
算法类型	贪心算法
适用图	非负权有向图/无向图
时间复杂度	O((V+E) log V)（堆优化）
空间复杂度	O(V+E)
稳定性	稳定，无负权环时必得正确解
典型应用	地图导航、网络路由、任务调度等