数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

一、迷宫回溯问题 1.问题

一个7*8的数组模拟迷宫,障碍用1表示,通路使用0表示,给定起点(1,1)和终点(6,5),要求给出起点到终点的通路

数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

2.解题思路

首先,我们需要给程序一个寻向的基本策略,我们先假定寻向顺序为“下-右-上-左”,也就是说从起点出发,先往下走,往下走不通就往右.....以此类推

然后我们需要给走过的路一个标记,暂记为2

而当从一个方向走到一个只能原路返回的死胡同时,就给这段路标记为3

当抵达终点坐标(6,5)时程序结束

3.代码实现 3.1生成地图 /** * 创建一个二维数组,用于模拟8*7迷宫 * 使用1表示不可通过的实心方块,0表示可通过砖块 * (6,5)为默认终点,(1,1)为默认起点 * @return */ public static int[][] getMap(){ int[][] map = new int[8][7]; //上下全置为1 for(int i = 0;i <7 ;i++){ map[0][i] = 1; map[7][i] = 1; } //左右全置为1 for(int i = 0;i < 8;i++){ map[i][0] = 1; map[i][6] = 1; } //设置挡板 map[3][1] = 1; map[3][2] = 1; //输出地图 System.out.println("地图的初始情况:"); showMap(map); return map; } /** * 展示地图 * @param map */ public static void showMap(int[][] map) { for(int i = 0;i < 8;i++){ for(int j = 0;j < 7;j++){ System.out.print(map[i][j] + " "); } System.out.println(); } } 3.2 寻路逻辑的实现

对于这个寻路程序,我们可以看见,往四个方向走的过程实际上除了方向外动作上是一样的;而具体分析同一个方向,每走过一个坐标的动作也是一样的,我们对流程进行分析:

出发,先往下走,判断下一格有没有障碍(int[x][y]==1)

如果没有障碍,就继续往下走,然后重复步骤1到碰到障碍为止

如果有障碍,就按“下-右-上-左”的顺序,换个方向,然后重复步骤1到碰到障碍为止

如果找到了(6,5)就结束

表现为代码实际上就是一个递归的过程:

找路是方法体

找到了(6,5)或者死胡同是终止条件

/** * 给定起始点,根据地图找路 * 使用2表示可以走通的路,使用3表示走过但是不通的路 * @param map 地图二维数组 * @param x 起始点横坐标 * @param y 起始点纵坐标 * @return */ public static boolean findWay(int[][] map, int x, int y) { //如果走到了终点就终止 if (map[6][5] == 2){ return true; }else { //只有为0的路才能通过 if (map[y][x] == 0) { //如果该点可以走通就打上标记 map[y][x] = 2; if (findWay(map, x, y + 1)) { //向下递归 return true; } else if (findWay(map, x + 1, y)) { //向右递归 return true; } else if (findWay(map, x, y - 1)) { //向上递归 return true; } else if (findWay(map, x - 1, y)) { //向左递归 return true; } else { //都走不通说明是死胡同 map[y][x] = 3; return false; } }else { //不为0说明要么是死路要么是障碍 return false; } } } 3.3 运行结果

数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

将findWay()方法中的终止条件从map[6][5] == 2换成其他坐标即可更换终点位置,

棋盘大小和障碍物位置不影响findWay()方法寻路。

二、八皇后问题 1.问题

皇后问题,一个古老而著名的问题,是回溯算法的典型案例。该问题由国际西洋棋棋手马克斯·贝瑟尔于 1848 年提出:

在 8×8 格的国际象棋上摆放八个皇后,使其不能互相攻击,即任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上,求有多少种摆法?

数据结构与算法(七):迷宫回溯和八皇后问题

2.解题思路

首先,我们先使用一个长度为8数组来表示八皇后的摆放位置,数组下标+1即表示棋盘的第几行数组下标对应的存放的数字+1即为棋盘的第几列。举个例子:

arr = {0,2,3,8,4,6,2,7}

其中,元素0下标为0,即表示第一行第一列;元素2下标为1,即表示第二行第三列......以此类推。

任意假设任意坐标分标为(x1,y1),(x2,y2),也就是用数组表示为arr[x1]=y1,arr[x2]=y2的两个皇后不允许在同一列,我们可以理解为:

arr[x1] != arr[x2];

而任意坐标的皇后不允许在同一斜线,即(x2-x1)=(y2-y1),也就是斜率应当相同,我们可以理解为:

Math.abs(x2-x1) == Math.abs(arr[x2]-arr[x1])

(注:Math.abs()为求绝对值方法)

3.代码实现 3.1 检查摆放位置的代码实现

在前面明确了如何用数组表示位置,以及如何检查皇后是否允许摆放后,我们有如下代码:

//表示皇后位置的数组 int[] arr = new int[8]; /** * 检查第n个皇后是否与前面摆放的皇后冲突 * @param n * @return */ public boolean check(int n) { //检查第n层之前的皇后位置 for (int i = 0; i < n; i++) { // arr[i] == arr[n] 检查是否同一列 // Math.abs(n - i) == Math.abs(arr[n] - arr[i]) 检查是否同一斜线 if (arr[i] == arr[n] || Math.abs(n - i) == Math.abs(arr[n] - arr[i])) { return false; } } return true; } 3.2 完整代码

接着我们需要考虑如何使用递归方法来做到以下效果:

使用一个方法遍历第n行的每一列,检查每一列是否可以放置皇后:

如果可以放置皇后,将位置出入arr[n]中,然后递归调用自己,传入n+1开始遍历下一行.....以此类推

如果不可以放置皇后,就跳过该列检查下一列,如果可以就重复步骤1

若n行中全部位置都不合适,则结束本层返回上一层n-1层,重复步骤1

如果最后n=8,即八个皇后全部放置完毕,记一次完成摆放,然后结束递归返回第一层,继续检查第一层的下一列

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