Задача
Написать на PHP функцию поиска самого дешевого маршрута. Функция должна получать на входе три параметра: название населенного пункта отправления, название населенного пункта прибытия, а также список, каждый элемент которого представляет собой названия неких двух населенных пунктов и стоимость проезда от одного населенного пункта до другого. На выходе функция должна возвращать самый дешевый маршрут между населенными пунктами отправления и прибытия, в виде списка транзитных населенных пунктов (в порядке следования), а также общую стоимость проезда.
Поиск кротчайшего пути
Задача о кратчайшем пути является одной из классических задач теории графов.
Существует несколько популярных алгоритмов поиска кротчайшего пути, которые можно применить для поиска самого дешевого маршрута:
- алгоритм Дейкстры — находит кратчайший путь от одной из вершин графа до всех остальных. Алгоритм работает только для графов без рёбер отрицательного веса.
- алгоритм Беллмана-Форда — находит кратчайшие пути от одной вершины графа до всех остальных во взвешенном графе. Вес ребер может быть отрицательным.
- алгоритм Флойда-Уоршелла — находит кратчайшие пути между всеми вершинами взвешенного ориентированного графа.
- алгоритм Джонсона — находит кратчайшие пути между всеми парами вершин взвешенного ориентированного графа.
- алгоритм Ли (волновой алгоритм) — находит путь между вершинами графа, содержащий минимальное количество промежуточных вершин (ребер). Используется для поиска кратчайшего расстояния на карте в стратегических играх.
- алгоритм поиска A* — находит маршрут с наименьшей стоимостью от одной вершины (начальной) к другой (целевой, конечной), используя алгоритм поиска по первому наилучшему совпадению на графе.
Реализация поиска самого дешевого маршрута на PHP алгоритмом Дейкстры
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 |
interface NodeInterface { /** * Connects the node to another $node. * A $distance, to balance the connection, can be specified. * * @param Node $node * @param integer $distance */ public function connect(NodeInterface $node, $distance = 1); /** * Returns the connections of the current node. * * @return Array */ public function getConnections(); /** * Returns the identifier of this node. * * @return mixed */ public function getId(); /** * Returns node's potential. * * @return integer */ public function getPotential(); /** * Returns the node which gave to the current node its potential. * * @return Node */ public function getPotentialFrom(); /** * Returns whether the node has passed or not. * * @return boolean */ public function isPassed(); /** * Marks this node as passed, meaning that, in the scope of a graph, he * has already been processed in order to calculate its potential. */ public function markPassed(); /** * Sets the potential for the node, if the node has no potential or the * one it has is higher than the new one. * * @param integer $potential * @param Node $from * @return boolean */ public function setPotential($potential, NodeInterface $from); } interface GraphInterface { /** * Adds a new node to the current graph. * * @param Node $node * @return Graph * @throws Exception */ public function add(NodeInterface $node); /** * Returns the node identified with the $id associated to this graph. * * @param mixed $id * @return Node * @throws Exception */ public function getNode($id); /** * Returns all the nodes that belong to this graph. * * @return Array */ public function getNodes(); } class Graph implements GraphInterface { /** * All the nodes in the graph * * @var array */ protected $nodes = array(); /** * Adds a new node to the current graph. * * @param Node $node * @return Graph * @throws Exception */ public function add(NodeInterface $node) { if (array_key_exists($node->getId(), $this->getNodes())) { throw new Exception('Unable to insert multiple Nodes with the same ID in a Graph'); } $this->nodes[$node->getId()] = $node; return $this; } /** * Returns the node identified with the $id associated to this graph. * * @param mixed $id * @return Node * @throws Exception */ public function getNode($id) { $nodes = $this->getNodes(); if (! array_key_exists($id, $nodes)) { throw new Exception("Unable to find $id in the Graph"); } return $nodes[$id]; } /** * Returns all the nodes that belong to this graph. * * @return Array */ public function getNodes() { return $this->nodes; } } class Node implements NodeInterface { protected $id; protected $potential; protected $potentialFrom; protected $connections = array(); protected $passed = false; /** * Instantiates a new node, requiring a ID to avoid collisions. * * @param mixed $id */ public function __construct($id) { $this->id = $id; } /** * Connects the node to another $node. * A $distance, to balance the connection, can be specified. * * @param Node $node * @param integer $distance */ public function connect(NodeInterface $node, $distance = 1) { $this->connections[$node->getId()] = $distance; } /** * Returns the distance to the node. * * @return Array */ public function getDistance(NodeInterface $node) { return $this->connections[$node->getId()]; } /** * Returns the connections of the current node. * * @return Array */ public function getConnections() { return $this->connections; } /** * Returns the identifier of this node. * * @return mixed */ public function getId() { return $this->id; } /** * Returns node's potential. * * @return integer */ public function getPotential() { return $this->potential; } /** * Returns the node which gave to the current node its potential. * * @return Node */ public function getPotentialFrom() { return $this->potentialFrom; } /** * Returns whether the node has passed or not. * * @return boolean */ public function isPassed() { return $this->passed; } /** * Marks this node as passed, meaning that, in the scope of a graph, he * has already been processed in order to calculate its potential. */ public function markPassed() { $this->passed = true; } /** * Sets the potential for the node, if the node has no potential or the * one it has is higher than the new one. * * @param integer $potential * @param Node $from * @return boolean */ public function setPotential($potential, NodeInterface $from) { $potential = ( int ) $potential; if (! $this->getPotential() || $potential < $this->getPotential()) { $this->potential = $potential; $this->potentialFrom = $from; return true; } return false; } } class Dijkstra { protected $startingNode; protected $endingNode; protected $graph; protected $paths = array(); protected $solution = false; /** * Instantiates a new algorithm, requiring a graph to work with. * * @param Graph $graph */ public function __construct(Graph $graph) { $this->graph = $graph; } /** * Returns the distance between the starting and the ending point. * * @return integer */ public function getDistance() { if (! $this->isSolved()) { throw new Exception("Cannot calculate the distance of a non-solved algorithm:\nDid you forget to call ->solve()?"); } return $this->getEndingNode()->getPotential(); } /** * Gets the node which we are pointing to. * * @return Node */ public function getEndingNode() { return $this->endingNode; } /** * Returns the solution in a human-readable style. * * @return string */ public function getLiteralShortestPath() { $path = $this->solve(); $literal = ''; foreach ( $path as $p ) { $literal .= "{$p->getId()} - "; } return substr($literal, 0, count($literal) - 4); } /** * Reverse-calculates the shortest path of the graph thanks the potentials * stored in the nodes. * * @return Array */ public function getShortestPath() { $path = array(); $node = $this->getEndingNode(); while ( $node->getId() != $this->getStartingNode()->getId() ) { $path[] = $node; $node = $node->getPotentialFrom(); } $path[] = $this->getStartingNode(); return array_reverse($path); } /** * Retrieves the node which we are starting from to calculate the shortest path. * * @return Node */ public function getStartingNode() { return $this->startingNode; } /** * Sets the node which we are pointing to. * * @param Node $node */ public function setEndingNode(Node $node) { $this->endingNode = $node; } /** * Sets the node which we are starting from to calculate the shortest path. * * @param Node $node */ public function setStartingNode(Node $node) { $this->paths[] = array($node); $this->startingNode = $node; } /** * Solves the algorithm and returns the shortest path as an array. * * @return Array */ public function solve() { if (! $this->getStartingNode() || ! $this->getEndingNode()) { throw new Exception("Cannot solve the algorithm without both starting and ending nodes"); } $this->calculatePotentials($this->getStartingNode()); $this->solution = $this->getShortestPath(); return $this->solution; } /** * Recursively calculates the potentials of the graph, from the * starting point you specify with ->setStartingNode(), traversing * the graph due to Node's $connections attribute. * * @param Node $node */ protected function calculatePotentials(Node $node) { $connections = $node->getConnections(); $sorted = array_flip($connections); krsort($sorted); foreach ( $connections as $id => $distance ) { $v = $this->getGraph()->getNode($id); $v->setPotential($node->getPotential() + $distance, $node); foreach ( $this->getPaths() as $path ) { $count = count($path); if ($path[$count - 1]->getId() === $node->getId()) { $this->paths[] = array_merge($path, array($v)); } } } $node->markPassed(); // Get loop through the current node's nearest connections // to calculate their potentials. foreach ( $sorted as $id ) { $node = $this->getGraph()->getNode($id); if (! $node->isPassed()) { $this->calculatePotentials($node); } } } /** * Returns the graph associated with this algorithm instance. * * @return Graph */ protected function getGraph() { return $this->graph; } /** * Returns the possible paths registered in the graph. * * @return Array */ protected function getPaths() { return $this->paths; } /** * Checks wheter the current algorithm has been solved or not. * * @return boolean */ protected function isSolved() { return ( bool ) $this->solution; } } |
Тестовый пример для следующего графа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 |
function printShortestPath($from_name, $to_name, $routes) { $graph = new Graph(); foreach ($routes as $route) { $from = $route['from']; $to = $route['to']; $price = $route['price']; if (! array_key_exists($from, $graph->getNodes())) { $from_node = new Node($from); $graph->add($from_node); } else { $from_node = $graph->getNode($from); } if (! array_key_exists($to, $graph->getNodes())) { $to_node = new Node($to); $graph->add($to_node); } else { $to_node = $graph->getNode($to); } $from_node->connect($to_node, $price); } $g = new Dijkstra($graph); $start_node = $graph->getNode($from_name); $end_node = $graph->getNode($to_name); $g->setStartingNode($start_node); $g->setEndingNode($end_node); echo "From: " . $start_node->getId() . "\n"; echo "To: " . $end_node->getId() . "\n"; echo "Route: " . $g->getLiteralShortestPath() . "\n"; echo "Total: " . $g->getDistance() . "\n"; } $routes = array(); $routes[] = array('from'=>'a', 'to'=>'b', 'price'=>100); $routes[] = array('from'=>'c', 'to'=>'d', 'price'=>300); $routes[] = array('from'=>'b', 'to'=>'c', 'price'=>200); $routes[] = array('from'=>'a', 'to'=>'d', 'price'=>900); $routes[] = array('from'=>'b', 'to'=>'d', 'price'=>300); printShortestPath('a', 'd', $routes); |
Результат
1 2 3 4 |
From: a To: d Route: a - b - d Total: 400 |