Java中BFS算法实现最短路径的正确姿势与常见陷阱

Java中BFS算法实现最短路径的正确姿势与常见陷阱

本文深入探讨了在%ignore_a_1%中使用广度优先搜索(bfs)算法计算无权图最短路径时可能遇到的问题。重点分析了原始实现中因路径映射错误导致的路径计算不准确问题,并提供了基于父节点回溯的正确bfs算法实现。文章还强调了java中自定义对象在哈希集合中使用时,正确重写equals()和hashcode()方法的重要性,以确保算法的健壮性和正确性。

BFS最短路径算法原理回顾

广度优先搜索(BFS)是一种用于遍历或搜索树或图的算法。它从图的某个节点开始,然后逐层地访问其所有邻居节点,接着访问这些邻居节点的邻居,依此类推。在无权图中,BFS的一个关键特性是它总是能找到从源节点到目标节点的最短路径。这是因为BFS以“层”的方式扩展,第一次访问到任何节点时,其路径必然是最短的。

为了实现BFS并记录路径,我们需要以下核心组件:

队列(Queue):用于存储待访问的节点,确保按层级顺序访问。已访问集合/路径映射:用于记录哪些节点已被访问,避免重复访问和陷入死循环。同时,它也需要存储节点之间的父子关系,以便最终重建路径。

原代码问题分析

原始代码在尝试计算最短路径时,输出了错误的路径(例如 0 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 而非 0 -> 2 -> 3 -> 4 -> 6 -> 7)。其主要问题在于路径记录机制的缺陷:

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路径记录映射方向错误与覆盖问题:原始代码使用 Map nextNodeMap 来记录 currentNode 到 nextNode 的映射。这种方式的问题在于,一个 currentNode 可能有多个 nextNode(即一个父节点有多个子节点)。当 nextNodeMap.put(currentNode, nextNode) 被调用多次时,currentNode 作为键的值会被反复覆盖。例如,如果 node4 既连接 node5 又连接 node6,先执行 nextNodeMap.put(node4, node5),后执行 nextNodeMap.put(node4, node6),那么 node4 -> node5 的路径信息就会被 node4 -> node6 覆盖,最终路径重建时可能无法回溯到正确的子节点,从而导致路径错误。

previousNode 变量的误用:代码中引入了 previousNode 变量,并试图在找到目标节点时使用它来处理多分支情况。然而,这种逻辑未能正确地为每个节点建立唯一的父节点关系,使得路径重建的逻辑变得复杂且容易出错。

冗余的 visitedNodes 集合:当正确使用一个映射来记录节点及其父节点关系时(如 Map paths),这个映射本身就可以指示哪些节点已经被访问过(即 paths.containsKey(node)),因此单独的 visitedNodes HashSet 变得冗余。

BFS最短路径的正确实现

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