八皇后||算法

一、背景

八皇后问题是一个以国际象棋为背景的问题：如何能够在8×8个格子的国际象棋棋盘上放置八个皇后，使得任何一个皇后都无法直接吃掉其他的皇后, 为了达到此目的，任两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上（中国象棋，车可以走横线，纵线），问有多少种摆法，高斯认为有76种方案。1854年在柏林的象棋杂志上不同的作者发表了40种不同的解，后来有人用图论的方法解出92种结果。计算机发明后，有多种计算机语言可以编程解决此问题。

八皇后问题可以推广为更一般的n皇后摆放问题：这时棋盘的大小变为n×n，而皇后个数也变成n。

当且仅当 n = 1或 n ≥ 4时问题有解.

皇后可攻击范围如图所示：图中蓝色区块不允许放其他皇后

力扣（leetcode）原题链接：https://leetcode-cn.com/problems/n-queens-ii/

该题官方提供了2种方式，但是官方讲解的并不容易理解，且在主对角线和次对角线描述反了，利用位运算的方法只提供了方法，我通过自己的理解画了图形，所谓有图有真相，方便理解一些，在参考其他题解后，我再添加了一种利用斜率判断安全位置的解法。

二、思路

1.穷举法
时间复杂度：O(n^n)
如八皇后：8^8 = 16777216
进行暴力穷举： n个for循环嵌套遍历，找出所有合适的摆放方式，效率低下，不推荐！

2.递归和回溯法
时间复杂度： O(n!) =n*(n-2)(n-4)...
空间复杂度： O(n),保存对角线是否被占用以及列的信息

• 约束编程概念：
  在放置每个皇后以后会增加限制。当在棋盘上放置了一个皇后后，立即排除当前行，列和对应的两个对角线。该过程传递了约束从而有助于减少需要考虑情况数。如下图所示：

• 回溯算法：
  解决一个回溯问题，实际上就是一个决策树的遍历过程。
  1、路径：也就是已经做出的选择。
  2、选择列表：也就是你当前可以做的选择。
  3、结束条件：也就是到达决策树底层，无法再做选择的条件。

  DFS(深度优先搜索算法) 也采用了回溯源节点方式直到遍历完所有节点。

• n皇后问题特点：
  1.一行一列只能有一个皇后 （横线，纵线攻击）, 且每行、每列必须有一个皇后 （n*n 棋盘 要摆放n个皇后）
  2.皇后占据的每条斜线有规律，可据此判断当前位置是否安全（主对角线和次对角线的规律 ）

摆放要求：任两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上，问有多少种摆法
棋盘可用一个二维数组表示

1.不能在同一行，每个皇后放置在一行后，保证下一个皇后在下一行摆放。

2.不能在同一列，用一维数组记录每列是否被皇后占据，1:被占用; 0: 未被占用

3.如何确定是否在同一条斜线上？
有2种方式

• 方法一：主对角线和次对角线上的常数规律

  相同主对角线上: row -col = 固定常数
  而且每条对角线的常数值不同，因此用来标识该对角线是否已经被皇后占用

  如下图所示：第一条主对角线上，row= col , row =col = 0 ，由右上数第二条 为-1，-2 ... 直到-7。

  注：

注： 如果在主对角线右上侧， col> row , 因此 const是负数，如果用数组下标索引存储会导致越界异常，因此可加一个固定正整数（大于等于n）避免 （下见代码可理解）。

相同次对角线上：row+col = const,每条次对角线的值也不相同。从上到下对角线的值从0到14依次递增

• 方法二：根据斜率确定在同一条斜线上

  利用两点之间斜率绝对值为 1，即夹角的正切值为1，夹角为 45度或者 135度，据此判断是否在其他皇后的攻击斜线上。

  公式： |y2-y1| = |x2-x1|

  斜率如图所示：

  在放置第三个皇后时，排除已有皇后占据的列，再剩下位置中与已经放置皇后的坐标计算斜率，如果斜率绝对值为1，即不是安全位置。

动态展示图：

三、代码展示

方法一：官方解法，利用数组记录被占据的列信息，以及根据每条斜线被占据记录。

• 初始化操作

 public void initQueen(int n) {
        /**
         * 一行一列只能有一个queen，记录某列是否被占用，int数组记录，数组下标表示列；1表示占用，0表示未被占用
         */
        int[] cols = new int[n];
        /**主对角线特点： row -col = const, 对角线的个数是 2*n-1
         * 因为考虑row-col为负数情况（右上三角），会发生越界异常，加一个固定常数n,所以这里数组长度也变为 3*n-1，
         * 官方代码长度延长了2n, 即4*n-1。
         */
        int[] zhuDiagonal = new int[3*n - 1];
        /**
         * 次对角线特点： row+col =const，次对角线不用延长数组长度，对角线的条数即为 2*n-1
         */
        int[] ciDiagonal = new int[ 2*n - 1];
        // 调用递归回溯方法，下见
        int count = back2Track(0, 0, n, cols, zhuDiagonal, ciDiagonal);
        System.out.printf("共有%d 种方法排列",count);
    }

• 判断当前位置是否安全

 public boolean isSafe(int row,int col,int n,int[] cols,int[] zhu, int[] ci) {
        int res = cols[col] + zhu[row-col+  n] + ci[row+col];
        return res ==0 ? true:false;
    }
//如果当前位置列，主对角线，次对线均为0，表示当前位置安全，可以摆放皇后。

• 递归回溯

  public int back2Track(int row,int count, int n ,int[] cols,int[] zhu, int[] ci) {

        for(int col= 0; col< n; col++) {
            if(isSafe(row,col,n,cols,zhu,ci)) {
                /**
                 * 在安全位置,占用
                 */
                //当前列,主对角线，列都占用标志：1
                cols[col] =1;
                zhu[row-col + n] =1;
                ci[row +col] =1;
                //遍历到最后一行了，返回成功解一个
                if(row +1 ==n ) {count ++;}
                else {
                    //遍历下一行，此时 row+1
                  count = back2Track(row+1,count,n,cols,zhu,ci);
                }
                //如果某行所有列都不安全，递归回退，将原来置为1的位置清除，继续遍历下一列
                cols[col] = 0;
                zhu[row-col+ n] =0;
                ci[row+col] =0;
            }
        }
        return count;
    }

方法二

关键方法:

1.利用一维数组表示二维空间的棋盘中皇后的位置

2.利用两点之间斜率绝对值为 1，即夹角的正切值为1，夹角为 45度或者 135度，据此判断是否在其他皇后的攻击斜线上。

代码如下：

• 初始化

   /**
     * 表示n*n位棋盘,也表示n位皇后
     */
    int  n ;
    /**
     * 一维数组存储皇后位置,数组下标代表行，数组值代表列；例如： locations[0]= 0: 表示 第一行第一列有一位皇后
     */
    int[] locations;
    /**
     * 记录可排列种类有多少
      */
    static int maxCount;

• 判断是否安全

 /**
     * 判断第k个皇后在第k行某列是否安全
     */
    private boolean isSafe(int k) {
        //与前n-1个皇后比较
        for(int i = 0 ; i< k; i++) {
            //这里较难理解
            //1, 因为locations中记录前k-1行皇后的列摆放位置，数组下标代表行，数组值代表列
            //如果locations[i] == locations[k],则表示这一列已经有皇后占据了，冲突不安全
            //2,Math.abs(k- i) == Math.abs(locations[k] - locations[i]) 利用的是|y2-y1| = |x2-x1| 公式，斜率为1，也不安全
            if(locations[i] == locations[k] || Math.abs(k- i) == Math.abs(locations[k] - locations[i]))  {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

• 递归回溯方法

//k表示第k行，也表示第k个皇后，  
private void  check(int k) {
        if(k ==n) {
            print();
            //成功计数器+1
            maxCount ++;
            return;
        }
        for (int i = 0; i<n; i++) {
            //遍历列，首先就将当前列设值，在判断安全时会进行比较
            locations[k] =i;
            if(isSafe(k)) {
                //如果安全，在递归k+1行
                check(k+1);
            }
        }
    }

• 打印每种解的皇后摆放

  /**
     *  打印皇后可行排列顺序
     */
    private void  print() {
        for (int col: locations) {
            System.out.print(col + " ");
        }
        System.out.println();
    }

一行代表一种摆放方式
输出结果可以用游戏验证：8皇后游戏：http://360.6822.com/www1.9/play_76277.html

方法三：利用位运算实现

计算机对位运算计算更快，这个方法实现很巧妙，对位运算会有更深的理解。

在看该方法前，先复习一下位运算的基本运算，后面会用上。

• 位运算的基本运算

1.按位与 & ： 有0则为0,  只有当两位都是 1 时结果才是 1，否则为0。
2.按位或 | ： 有1则为1，即两位中只要有 1 位为 1 结果就是 1，两位都为 0 则结果为 0。
3. 取反 ~  ： 0 则变为 1，1 则变为 0。
4.左位移 << ：向左进行移位操作，高位丢弃，低位补 0
              如 1<<3   1向左位移3位  000000001    -->  00001000  = 2^3 =8 (10)
5.右位移 >> ：向右进行移位操作，对无符号数，高位补 0，对于有符号数，高位补符号位
            如 00001011 向右位移2位，00001011>>2  = 00000010, 左边2位丢弃，高位补0

示例图如下：

与运算

或运算

1.原码：是最简单的机器数表示法。用最高位表示符号位，‘1’表示负号，‘0’表示正号。其他位存放该数的二进制的绝对值。
2.反码：正数的反码还是等于原码，负数的反码就是他的原码除符号位外，按位取反。
3.补码： 正数的补码等于他的原码，负数的补码等于反码+1。

注：正数的原码，反码，补码相同，计算机中运算是以补码的形式存储计算的。

本次算法相关：

1. x & -x ： 该运算只保留x最右边的第一个1 ，其余置为0。
   例如：x= 00110110, -x = 10110110 （负值是符号位取反，其他位不变）, x的补码还是其原码，-x的补码是反码+1
   即 01001001 （反码） +1 = 01001010，两数按位与计算结果
   00110110
   01001010
   =00000010
2. x&(x-1): 该运算清除x最右边的第一个1为0，其余位值不变 。
   可以证明：1，最低位为1，直接清0；2，最低位为0，中间某个位置为1，-1会向前借位，导致最右边第一个1，被借位为0 .

提示： 该算法遍历是从低位开始，是从右到左的遍历，上2个方法是从左到右的方式，这个方法巧妙在于之前的方法是用数组存储被占用的位置，这个就是用3个int类型值，int 4个字节，32位来替代数组表示。

下面我们来看如何使用3个int类型的值 表示列，主对角线，次对角线占用信息的

int column // 比特位记录列被占用信息,如下图： 1001000表示 第1列和第4列被占用

int pie //表示左斜线，即次对角线的占用信息， 0010000，传递到第3行时，表示第3行3列位置不安全。

int na // 表示右斜线，即主对角线的占用信息，00101000

利用位运算 或，即可求得下一行的所有被占用的情况，运算结果如下图：

10111000 ，三个变量进行或运算，求出 1，3，4，5位置会被攻击，为0的位置是可以摆放皇后的

左斜线（pie）传递到下一行的约束推导,如下图， pie 与 当前行放置皇后位置求并集，再向左位移1位，即传递到下一行的左斜线约束

，同理，右斜线（na）求并集向右位移1位

所以公式如下：

p: 代表该行皇后摆放的位置，如 00000001

1. 确定下一行可以哪些位置可以摆放皇后： cloumn | p

2. 获取下一行左下斜被占用的情况： (pie | p) << 1

3. 获取下一行右下斜被占用的情况： (na | p) >> 1

4. 清除该行摆放皇后的位置： bits = bits & (bits - 1)

代码如下：

int totalNQueens(int n) {
      return backTrack(0,0,0,0,n);
    }
   //用于记录一共有多少种方式
    private int count;

    public int backTrack(int row, int column, int pie, int na,int n) {
        if(row == n) {
            count++;
            return count;
        }
        /**下一行的可摆放的位置，1:代表可以摆放；0:不可以
         * (column | pie | na),表示该行可以摆放的位置，此时 0 代表可以摆放，~ 取反方便下一步操作，1代表可以摆放
         * 但是int类型 32 位，取反高位为1了，不需要，因此 （1<<n -1）按位与，抹去高位为0，只留下需要的n个低位
         * 这里为什么要取反，1表示可以摆放的位置了，是为了方便bits与0比较 
         */
        int bits = ~(column | pie | na) & ((1 << n) - 1);
        /**
         * 大于0，表示存在1,有可以摆放皇后的位置
         */
        while (bits > 0) {
            /**
             * 1,取出该行最右边的为1的那一位，表示可以摆放
             * 涉及到计算机存储的是补码问题
             */
            int p = bits & -bits;

            backTrack(row + 1, column | p, (pie | p) << 1, (na | p) >> 1, n);
            /**
             * 抹去最右边为1的那位，将1变为0,继续从右遍历第二位为1的
             */
            bits = bits & (bits - 1);
        }
        return count;
    }