「笔记」如何优雅地卡 Spfa

写在前面

某碳基生物问我的一个问题，给他画了张图，觉得比较有意思就放上来了。

本文是带有主观性质的一些理解，作者水平有限，若有不当之处请不吝赐教。

原理

众所周知 Spfa 可以看做是 Bellman-Ford 的队列优化。
Bellman-Ford 每轮松弛会使最短路的边数至少 $+ 1$，而最短路的边数最多为 $n-1$，则其复杂度上界是稳定的 $O(nm)$ 的。
Spfa 使用了队列，改变了松弛的顺序。虽然在随机图上表现优异，但复杂度上界没有变，而且很容易构造数据使其复杂度到达上界。

以下是一份朴素的 Spfa 的代码：

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int dis[kMaxn], vis[kMaxn];
void Spfa(int s_) {
  std::queue <int> q;
  memset(vis, 0, sizeof (vis));
  memset(dis, 63, sizeof (dis));
  dis[s_] = 0, vis[s_] = true;
  q.push(s_);
  while (! q.empty()) {
    int u_ = q.front(); q.pop();
    vis[u_] = false;
    for (int i = head[u_]; i; i = ne[i]) {
      int v_ = v[i], w_ = w[i];
      if (dis[u_] + w_ < dis[v_]) { //Here！
        dis[v_] = dis[u_] + w_;
        if (! vis[v_]) {
          q.push(v_);
          vis[v_] = true;
        }
      }
    }
  }
}

可以发现，在代码中 if (dis[u_] + w_ < dis[v_]) 的松弛判断是具有贪心性质的。
卡 Spfa 的原理是利用松弛判断的贪心性，通过诱导使得图的某些部分在出队后又重复入队，被多次更新，造成大量时间的浪费。

卡最短路

考虑如何实现原理中提到的多次更新的情况，即使得到达某节点的最短路在算法中不断被更新，造成该节点连接部分重复入队的情况。
换句话说，需要诱导 Spfa 不断进入到达某个点的次短路。并在进入该点最短路时造成相连部分的重复更新。

如果允许负权边出现，一种显然的想法是构造一条负权链，链上每个节点都指向一个菊花图的支配点。在如下所示的链套菊花中，菊花图会被更新 $k$ 次，每次更新的复杂度是 $O(n-k)$ 的。取 $k = \frac{n}{2}$，总更新次数是 $O(n^2)$ 级别的。

而在正权图上，根据 Spfa 的 Bfs 特性，可以考虑构造多个如下的存在多个次短路的网格状结构。
对于某一个节点存在多条从起点到它的路径。由于竖边的权值为 0，包含横边和斜边数相同的路径长度相近。但由于包含边数不同，这些路径被遍历的顺序也不同。这就可能造成该节点的重复入队，从而导致后继节点被重复更新的情况。

这里有一份来自 如何卡SPFA_yfzcsc的博客-CSDN博客 的 datamaker：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
struct edge {
  int u, v, w;
};
vector<edge> v;
int id[5000][5000], n = 9, tp, m = 42866 / n, a[1000000];
int r() {
  return rand();
  // return rand()<<13|rand();
}
int main() {
  freopen("in.txt", "w", stdout);
  srand(time(0));
  for (int i = 1; i <= n; ++i)
    for (int j = 1; j <= m; ++j) id[i][j] = ++tp, a[tp] = tp;
  //	random_shuffle(a+1,a+tp+1);
  int SIZE = 29989;
  for (int i = 1; i <= n; ++i)
    for (int j = 1; j <= m; ++j) {
      if (i < n) {
        v.push_back(edge{id[i][j], id[i + 1][j], 1});
        v.push_back(edge{id[i + 1][j], id[i][j], 1});
        if (j < m) {
          if (1)
            v.push_back(edge{id[i][j], id[i + 1][j + 1], r() % SIZE + 10});
          else
            v.push_back(edge{id[i + 1][j + 1], id[i][j], r() % SIZE + 10});
        }
      }
      if (j < m) {
        v.push_back(edge{id[i][j], id[i][j + 1], r() % SIZE + 10});
        v.push_back(edge{id[i][j + 1], id[i][j], r() % SIZE + 10});
      }
    }
  fprintf(stderr, "[%d,%d,%d]", v.size(), n, m);
  random_shuffle(v.begin(), v.end());
  //	printf("%d %d %d\n",tp,v.size(),2);
  printf("%d %d\n", tp, v.size());
  for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
    printf("%d %d %d\n", a[v[i].u], a[v[i].v], v[i].w);
  //	for(int i=1;i<=10;++i)printf("%d ",a[id[1][10*i]]);
  //	printf("%d %d",a[1],a[2]);
}

如果你是一个毒瘤出题人，可以将上述两种方式结合起来。在随机网格图的基础上外挂诱导节点进入菊花图，可以干掉大部分 Spfa。

卡 Spfa-dfs 判负环

Spfa-dfs 实际上是个假算法。在没有负环的情况下它可以被卡到指数级。这有张图：

写在最后

关于 Spfa 的各种优化的卡法详见 fstqwq 的知乎回答。

鸣谢

OI-Wiki

如何看待 SPFA 算法已死这种说法？ - fstqwq 的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/292283275/answer/484871888

如何卡SPFA_yfzcsc的博客-CSDN博客

[HDOJ 4889] Scary Path Finding Algorithm [SPFA]_jinzhao1994的专栏