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在SQL Server中實(shí)現(xiàn)最短路徑搜索的解決方法

2024-08-31 00:47:29
字體:
供稿:網(wǎng)友

開始

這是去年的問題了,今天在整理郵件的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題,感覺頂有意思的,特記錄下來。

在表RelationGraph中,有三個(gè)字段(ID,Node,RelatedNode),其中Node和RelatedNode兩個(gè)字段描述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系;現(xiàn)在要求,找出從節(jié)點(diǎn)"p"至節(jié)點(diǎn)"j",最短路徑(即經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)最少)。

圖1.

解析:

了能夠更好的描述表RelationGraph中字段Node和 RelatedNode的關(guān)系,我在這里特意使用一個(gè)圖形來描述,
如圖2.

圖2.

在圖2,可清晰的看出各個(gè)節(jié)點(diǎn)直接如何相連,也可以清楚的看出節(jié)點(diǎn)"p"至節(jié)點(diǎn)"j"的的幾種可能路徑。

從上面可以看出第2種可能路徑,經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)最少。

為了解決開始的問題,我參考了兩種方法,

第1方法是,

參考單源最短路徑算法:Dijkstra(迪杰斯特拉)算法,主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展,直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止。


圖3.

第2方法是,

針對(duì)第1種方法的改進(jìn),就是采用多源點(diǎn)方法,這里就是以節(jié)點(diǎn)"p"和節(jié)點(diǎn)"j"為中心向外層擴(kuò)展,直到兩圓外切點(diǎn),如圖4. :

圖4.

實(shí)現(xiàn):

在接下來,我就描述在SQL Server中,如何實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然我這里采用的前面說的第2種方法,以"P"和"J"為始點(diǎn)像中心外層層擴(kuò)展。

這里提供有表RelactionGraph的create& Insert數(shù)據(jù)的腳本:

復(fù)制代碼 代碼如下:www.CuoXIn.com

use TestDB

go

if object_id('RelactionGraph') Is not null drop table RelactionGraph

create table RelactionGraph(ID int identity,Item nvarchar(50),RelactionItem nvarchar(20),constraint PK_RelactionGraph primary key(ID))

go

create nonclustered index IX_RelactionGraph_Item on RelactionGraph(Item) include(RelactionItem)

create nonclustered index IX_RelactionGraph_RelactionItem on RelactionGraph(RelactionItem) include(Item)

go

insert into RelactionGraph (Item, RelactionItem ) values

('a','b'),('a','c'),('a','d'),('a','e'),

('b','f'),('b','g'),('b','h'),

('c','i'),('c','j'),

('f','k'),('f','l'),

('k','o'),('k','p'),

('o','i'),('o','l')

go


編寫一個(gè)存儲(chǔ)過程up_GetPath
復(fù)制代碼 代碼如下:www.CuoXIn.com

use TestDB
go
--Procedure:
if object_id('up_GetPath') Is not null
Drop proc up_GetPath
go
create proc up_GetPath
(
@Node nvarchar(50),
@RelatedNode nvarchar(50)
)
As
set nocount on

declare
@level smallint =1, --當(dāng)前搜索的深度
@MaxLevel smallint=100, --最大可搜索深度
@Node_WhileFlag bit=1, --以@Node作為中心進(jìn)行搜索時(shí)候,作為能否循環(huán)搜索的標(biāo)記
@RelatedNode_WhileFlag bit=1 --以@RelatedNode作為中心進(jìn)行搜索時(shí)候,作為能否循環(huán)搜索的標(biāo)記

--如果直接找到兩個(gè)Node存在直接關(guān)系就直接返回
if Exists(select 1 from RelationGraph where (Node=@Node And RelatedNode=@RelatedNode) or (Node=@RelatedNode And RelatedNode=@Node) ) or @Node=@RelatedNode
begin
select convert(nvarchar(2000),@Node + ' --> '+ @RelatedNode) As RelationGraphPath,convert(smallint,0) As StopCount
return
end

--

if object_id('tempdb..#1') Is not null Drop Table #1 --臨時(shí)表#1,存儲(chǔ)的是以@Node作為中心向外擴(kuò)展的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
if object_id('tempdb..#2') Is not null Drop Table #2 --臨時(shí)表#2,存儲(chǔ)的是以@RelatedNode作為中心向外擴(kuò)展的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

create table #1(
Node nvarchar(50),--相對(duì)源點(diǎn)
RelatedNode nvarchar(50), --相對(duì)目標(biāo)
Level smallint --深度
)

create table #2(Node nvarchar(50),RelatedNode nvarchar(50),Level smallint)

insert into #1 ( Node, RelatedNode, Level )
select Node, RelatedNode, @level from RelationGraph a where a.Node =@Node union --正向:以@Node作為源查詢
select RelatedNode, Node, @level from RelationGraph a where a.RelatedNode = @Node --反向:以@Node作為目標(biāo)進(jìn)行查詢
set @Node_WhileFlag=sign(@@rowcount)

insert into #2 ( Node, RelatedNode, Level )
select Node, RelatedNode, @level from RelationGraph a where a.Node =@RelatedNode union --正向:以@RelatedNode作為源查詢
select RelatedNode, Node, @level from RelationGraph a where a.RelatedNode = @RelatedNode --反向:以@RelatedNode作為目標(biāo)進(jìn)行查詢
set @RelatedNode_WhileFlag=sign(@@rowcount)

--如果在表RelationGraph中找不到@Node 或 @RelatedNode 數(shù)據(jù),就直接跳過后面的While過程
if not exists(select 1 from #1) or not exists(select 1 from #2)
begin
goto While_Out
end


while not exists(select 1 from #1 a inner join #2 b on b.RelatedNode=a.RelatedNode) --判斷是否出現(xiàn)切點(diǎn)
and (@Node_WhileFlag|@RelatedNode_WhileFlag)>0 --判斷是否能搜索
And @level<@MaxLevel --控制深度
begin
if @Node_WhileFlag >0
begin
insert into #1 ( Node, RelatedNode, Level )
--正向
select a.Node,a.RelatedNode,@level+1
From RelationGraph a
where exists(select 1 from #1 where RelatedNode=a.Node And Level=@level) And
Not exists(select 1 from #1 where Node=a.Node)
union
--反向
select a.RelatedNode,a.Node,@level+1
From RelationGraph a
where exists(select 1 from #1 where RelatedNode=a.RelatedNode And Level=@level) And
Not exists(select 1 from #1 where Node=a.RelatedNode)

set @Node_WhileFlag=sign(@@rowcount)

end


if @RelatedNode_WhileFlag >0
begin
insert into #2 ( Node, RelatedNode, Level )
--正向
select a.Node,a.RelatedNode,@level+1
From RelationGraph a
where exists(select 1 from #2 where RelatedNode=a.Node And Level=@level) And
Not exists(select 1 from #2 where Node=a.Node)
union
--反向
select a.RelatedNode,a.Node,@level+1
From RelationGraph a
where exists(select 1 from #2 where RelatedNode=a.RelatedNode And Level=@level) And
Not exists(select 1 from #2 where Node=a.RelatedNode)
set @RelatedNode_WhileFlag=sign(@@rowcount)
end

select @level+=1
end

While_Out:

--下面是構(gòu)造返回的結(jié)果路徑
if object_id('tempdb..#Path1') Is not null Drop Table #Path1
if object_id('tempdb..#Path2') Is not null Drop Table #Path2

;with cte_path1 As
(
select a.Node,a.RelatedNode,Level,convert(nvarchar(2000),a.Node+' -> '+a.RelatedNode) As RelationGraphPath,Convert(smallint,1) As PathLevel From #1 a where exists(select 1 from #2 where RelatedNode=a.RelatedNode)
union all
select b.Node,a.RelatedNode,b.Level,convert(nvarchar(2000),b.Node+' -> '+a.RelationGraphPath) As RelationGraphPath ,Convert(smallint,a.PathLevel+1) As PathLevel
from cte_path1 a
inner join #1 b on b.RelatedNode=a.Node
and b.Level=a.Level-1
)
select * Into #Path1 from cte_path1

;with cte_path2 As
(
select a.Node,a.RelatedNode,Level,convert(nvarchar(2000),a.Node) As RelationGraphPath,Convert(smallint,1) As PathLevel From #2 a where exists(select 1 from #1 where RelatedNode=a.RelatedNode)
union all
select b.Node,a.RelatedNode,b.Level,convert(nvarchar(2000),a.RelationGraphPath+' -> '+b.Node) As RelationGraphPath ,Convert(smallint,a.PathLevel+1)
from cte_path2 a
inner join #2 b on b.RelatedNode=a.Node
and b.Level=a.Level-1
)
select * Into #Path2 from cte_path2

;with cte_result As
(
select a.RelationGraphPath+' -> '+b.RelationGraphPath As RelationGraphPath,a.PathLevel+b.PathLevel -1 As StopCount,rank() over(order by a.PathLevel+b.PathLevel) As Result_row
From #Path1 a
inner join #Path2 b on b.RelatedNode=a.RelatedNode
and b.Level=1
where a.Level=1
)
select distinct RelationGraphPath,StopCount From cte_result where Result_row=1
go

上面的存儲(chǔ)過程,主要分為兩大部分,第1部分是實(shí)現(xiàn)如何搜索,第2部分實(shí)現(xiàn)如何構(gòu)造返回結(jié)果。其中第1部分的代碼根據(jù)前面的方法2,通過@Node 和 @RelatedNode 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)向外層搜索,每次搜索返回的節(jié)點(diǎn)都保存至臨時(shí)表#1和#2,再判斷臨時(shí)表#1和#2有沒有出現(xiàn)切點(diǎn),如果出現(xiàn)就說明已找到最短的路徑(經(jīng)過多節(jié)點(diǎn)數(shù)最少),否則就繼續(xù)循環(huán)搜索,直到循環(huán)至最大的搜索深度(@MaxLevel smallint=100)或找到切點(diǎn)。要是到100層都沒搜索到切點(diǎn),將放棄搜索。這里使用最大可搜索深度@MaxLevel,目的是控制由于數(shù)據(jù)量大可能會(huì)導(dǎo)致性能差,因?yàn)樵谶@里數(shù)據(jù)量與搜索性能成反比。代碼中還說到一個(gè)正向和反向搜索,主要是相對(duì)Node 和 RelatedNode來說,它們兩者互為參照對(duì)象,進(jìn)行向外搜索使用。

下面是存儲(chǔ)過程的執(zhí)行:

復(fù)制代碼 代碼如下:www.CuoXIn.com

use TestDB

go

exec dbo.up_GetPath

@Node = 'p',

@RelatedNode = 'j'

go

你可以根據(jù)需要來,賦予@Node 和 @RelatedNode不同的值。

拓展:

前面的例子,可擴(kuò)展至城市的公交路線,提供兩個(gè)站點(diǎn),搜索經(jīng)過這兩個(gè)站點(diǎn)最少站點(diǎn)公交路線;可以擴(kuò)展至社區(qū)的人際關(guān)系的搜索,如一個(gè)人與另一個(gè)人想認(rèn)識(shí),那么他們直接要經(jīng)過多少個(gè)人才可以。除了人與人直接有直接的朋友、親戚關(guān)聯(lián),還可以通過人與物有關(guān)聯(lián)找到人與人關(guān)聯(lián),如幾個(gè)作家通過出版一個(gè)本,那么就說明這幾個(gè)人可以通過某一本書的作者列表中找到他們存在共同出版書籍的關(guān)聯(lián),這為搜索兩個(gè)人認(rèn)識(shí)路徑提供參考。這問題可能會(huì)非常大復(fù)雜,但可以這樣的擴(kuò)展。

小結(jié):

這里只是找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有路徑中,節(jié)點(diǎn)數(shù)最少的路徑,在實(shí)際的應(yīng)用中,可能會(huì)碰到比這里更復(fù)雜的情況。在其他的環(huán)境或場(chǎng)景可能會(huì)帶有長度,時(shí)間,多節(jié)點(diǎn),多作用域等一些信息。無論如何,一般都要參考一些原理,算法來實(shí)現(xiàn)。

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