• Java与算法之(5)


    小老鼠走进了格子迷宫,如何能绕过猫并以最短的路线吃到奶酪呢?

    注意只能上下左右移动,不能斜着移动。

    在解决迷宫问题上,深度优先算法的思路是沿着一条路一直走,遇到障碍或走出边界再返回尝试别的路径。

    首先用一个二维数组来把迷宫“数字化”。

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    1. int[][] maze = new int[5][4];  

    迷宫中每个格子的横纵坐标对应数组的一维和二维索引,例如最左上角的格子是maze[0][0],数组的值表示该格子是否可以通过,0表示可以通过,1表示该格子有猫。

    初始化迷宫,标记猫的位置:

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    1. this.maze[2][0] = 1;  
    2. this.maze[1][2] = 1;  
    3. this.maze[2][2] = 1;  
    4. this.maze[3][2] = 1;  

    起点位置坐标是x=0,y=0,如果向右移动就是x=x+1,y=y,向下移动是x=x,y=y+1。我们预先规定每到一个格子都按照右、下、左、上的顺序尝试下一个格子是否能走,如果右边的格子没有猫且未出边界,就移动到下一个格子,继续按照右、下、左、上的顺序尝试;如果右边的格子不能走则尝试下面的格子。

    下面这个二维数组用来遍历尝试四个方向的格子:

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    1. int[][] next = new int[][] {  
    2.         {1, 0},  
    3.         {0, 1},  
    4.         {-1, 0},  
    5.         {0, -1}  
    6. };  

    为了不走回头路,我们还需要另外一个二维数组标记哪些格子是已走过的,如果已走过则不能回头。

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    1. int[][] mark = new int[5][4];  

    用一个栈记录路径

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    1. LinkedList<Integer> map = new LinkedList<>();  

    走格子的思路是:

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    1. for(遍历四个方向的格子) {  
    2.     if(格子超出边界 或 格子有猫 或 格子已经走过) {  
    3.         continue;  
    4.     } else {  
    5.     移动到格子  
    6.     记录当前格子已走过  
    7.     记录当前路径  
    8.     for(以新格子为中心遍历四个方向的格子) {  
    9.         ......  
    10.     }  
    11.     }  
    12. }  

    但是我们并不知道要走多少步才能到达目标,也就不知道循环要嵌套多少层,但是可以看出每次新的遍历循环开启后,执行的代码和上一层循环是一样的,所以这里用递归解决。来看完整的代码:

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    1. import java.util.LinkedList;  
    2.   
    3. public class DfsRatMaze {  
    4.   
    5.     int min = Integer.MAX_VALUE;  
    6.     int endX = 3;  //目标点横坐标  
    7.     int endY = 3;  //目标点纵坐标  
    8.     int width = 5;  //迷宫宽度  
    9.     int height = 4;  //迷宫高度  
    10.     int[][] maze = new int[5][4];  
    11.     int[][] mark = new int[5][4];  
    12.     LinkedList<Integer> map = new LinkedList<>();  
    13.   
    14.     public void dfs(int startX, int startY, int step) {  
    15.         int[][] next = new int[][] { //按右->下->左->上的顺序尝试  
    16.                 {1, 0},  
    17.                 {0, 1},  
    18.                 {-1, 0},  
    19.                 {0, -1}  
    20.         };  
    21.         int nextX, nextY;  
    22.         int posible;  
    23.         if(startX == endX && startY == endY) {  
    24.             if(step < min)  
    25.                 min = step;  
    26.             for(int i = map.size() - 1; i >= 0; i -= 2){  
    27.                 nextX = map.get(i);  
    28.                 nextY = map.get(i - 1);  
    29.                 System.out.print("[" + nextX + "," + nextY + "]");  
    30.                 if(i != 1)  
    31.                     System.out.print("->");  
    32.             }  
    33.             System.out.println();  
    34.             return;  
    35.         }  
    36.         for(posible = 0; posible < next.length; posible++) { //按右->下->左->上的顺序尝试  
    37.             nextX = startX + next[posible][0];  
    38.             nextY = startY + next[posible][1];  
    39.             if(nextX < 0 || nextX >= width || nextY < 0 || nextY >= height) {  //超出边界  
    40.                 continue;  
    41.             }  
    42.             if(maze[nextX][nextY] == 0 && mark[nextX][nextY] == 0) {  //非障碍且未标记走过  
    43.                 map.push(nextX);  
    44.                 map.push(nextY);  
    45.                 mark[nextX][nextY] = 1;  
    46.                 dfs(nextX, nextY, step + 1);  //递归调用, 移动到下一格  
    47.                 mark[nextX][nextY] = 0;  
    48.                 map.pop();  
    49.                 map.pop();  
    50.             }  
    51.         }  
    52.     }  
    53.   
    54.     /* 
    55.      * 初始化迷宫 
    56.      */  
    57.     public void initMaze() {  
    58.         this.maze = new int[width][height];  
    59.         this.mark = new int[width][height];  
    60.   
    61.         this.maze[2][0] = 1;  
    62.         this.maze[1][2] = 1;  
    63.         this.maze[2][2] = 1;  
    64.         this.maze[3][2] = 1;  
    65.         this.mark[0][0] = 1;  
    66.   
    67.         //打印迷宫 _表示可通行 *表示障碍 !表示目标  
    68.         for(int y = 0; y < height; y++) {  
    69.             for(int x = 0; x < width; x++) {  
    70.                 if(x == endX && y == endY) {  
    71.                     System.out.print("!  ");  
    72.                 }  else if(this.maze[x][y] == 1) {  
    73.                     System.out.print("*  ");  
    74.                 } else {  
    75.                     System.out.print("_  ");  
    76.                 }  
    77.             }  
    78.             System.out.println();  
    79.         }  
    80.         System.out.println();  
    81.     }  
    82.   
    83.     public static void main(String[] args) {  
    84.         int startX = 0;  
    85.         int startY = 0;  
    86.         DfsRatMaze d = new DfsRatMaze();  
    87.         d.initMaze();  
    88.         d.dfs(startX, startY, 0);  
    89.         if(d.min < Integer.MAX_VALUE)  
    90.             System.out.println("最少需要" + d.min + "步");  
    91.         else  
    92.             System.out.println("目标地点无法到达");  
    93.     }  
    94. }  

    运行后输出:

    [java] view plain copy
     
     print?在CODE上查看代码片派生到我的代码片
    1. [1,0]->[1,1]->[2,1]->[3,1]->[4,1]->[4,2]->[4,3]->[3,3]  
    2. [1,0]->[1,1]->[2,1]->[3,1]->[3,0]->[4,0]->[4,1]->[4,2]->[4,3]->[3,3]  
    3. [1,0]->[1,1]->[0,1]->[0,2]->[0,3]->[1,3]->[2,3]->[3,3]  
    4. [0,1]->[1,1]->[2,1]->[3,1]->[4,1]->[4,2]->[4,3]->[3,3]  
    5. [0,1]->[1,1]->[2,1]->[3,1]->[3,0]->[4,0]->[4,1]->[4,2]->[4,3]->[3,3]  
    6. [0,1]->[0,2]->[0,3]->[1,3]->[2,3]->[3,3]  
    7. 最少需要6步  

    可以看到,程序计算出了所有路线,并找到了最短的路线。而整个代码还不到100行,真是神奇的算法。

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