给定一个迷宫,指明起点和终点,找出从起点出发到终点的有效可行路径,就是迷宫问题(maze problem)。
迷宫可以以二维数组来存储表示。0表示通路,1表示障碍。注意这里规定移动可以从上、下、左、右四方方向移动。坐标以行和列表示,均从0开始,给定起点(0,0)和终点(4,4),迷宫表示如下:
那么下面的迷宫就有两条可行的路径,分别为: (1)(0,0) (0,1) (0,2) (0,3) (0,4) (1,4) (2,4) (2,3) (3,3) (4,3) (4,4); (2)(0,0) (1,0) (2,0) (3,0) (4,0) (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) ;
可见,迷宫可行路径有可能是多条,且路径长度可能不一。
迷宫问题的求解可以抽象为连通图的遍历,因此主要有两种方法。
第一种方法是:深度优先搜索(DFS)加回溯。
其优点:无需像广度优先搜索那样(BFS)记录前驱结点。 其缺点:找到的第一条可行路径不一定是最短路径,如果需要找到最短路径,那么需要找出所有可行路径后,再逐一比较,求出最短路径。
第二种方法是:广度优先搜索(BFS)。 其优点:找出的第一条路径就是最短路径。 其缺点:需要记录结点的前驱结点,来形成路径。
下面将给出上面两种方法的具体步骤和实现。
3.1.1实现步骤
(1)给定起点和终点,判断二者的合法性,如果不合法,返回; (2)如果起点和终点合法,将起点入栈; (3)取栈顶元素,求其邻接的未被访问的无障碍结点。求如果有,记其为已访问,并入栈。如果没有则回溯上一结点,具体做法是将当前栈顶元素出栈。
其中,求邻接无障碍结点的顺序可任意,本文实现是以上、右、下、左的顺序求解。 (4)重复步骤(3),直到栈空(没有找到可行路径)或者栈顶元素等于终点(找到第一条可行路径)。
3.1.2具体实现
程序输出:path:(0,0) (0,1) (0,2) (0,3) (0,4) (1,4) (2,4) (2,3) (3,3) (4,3) (4,4)。
可见该条路径不是最短路径。因为程序中给定的迷宫还有一条更短路径为:(0,0) (1,0) (2,0) (3,0) (4,0) (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) ;
如果我们调整调用寻找下一个未访问的相邻结点的顺序,可换成先左右,后上下,可能会得到更短的路径,但无法确保在任何情况下都能得到最短路径。
3.2.1改进办法
根据上面的方法我们可以在此基础之上进行改进,求出迷宫的最短的路径。具体做法如下: (1)让已经访问过的结点可以再次被访问,具体做法是将mark标记改为当前结点到起点的距离,作为当前结点的权值。即从起点开始出发,向四个方向查找,每走一步,把走过的点的值+1;
(2)寻找栈顶元素的下一个可访问的相邻结点,条件就是栈顶元素的权值加1必须小于下一个节点的权值(墙不能走,未被访问的结点权值为0);
(3)如果访问到终点,记录当前最短的路径。如果不是,则继续寻找下一个结点;
(4)重复步骤(2)和(3)直到栈空(迷宫中所有符合条件的结点均被访问)。
3.2.2具体实现
程序输出最短路径如下:
如果将程序的迷宫改为如下:
输出:
代码相关说明: 对比3.1.2的代码,根据改进的办法,可以看到上段代码修改的地方主要有三个地方: (1)mark标记改为结点权值,记录起点到结点的路径长度。因此起点的权值为0。 (2)为适应mark标记,将迷宫的墙改为-1,以免与结点权值混淆。 (3)求解下一个访问的结点,判断条件是结点的权值要小于其当前权值。
广度优先搜索的优点是找出的第一条路径就是最短路径,所以经常用来搜索最短路径,思路和图的广度优先遍历一样,需要借助于队列。
具体步骤: (1)从入口元素开始,判断它上下左右的邻边元素是否满足条件,如果满足条件就入队列; (2)取队首元素并出队列。寻找其相邻未被访问的元素,将其如队列并标记元素的前驱节点为队首元素。 (3)重复步骤(2),直到队列为空(没有找到可行路径)或者找到了终点。最后从终点开始,根据节点的前驱节点找出一条最短的可行路径。
具体实现: 以C++为例:
程序输出:
代码的几点说明: (1)BFS求迷宫最短路径,记录每个节点的前驱节点使用了mark标记。可见,三种方法中mark标记可以根据实际需求灵活为其赋予意义。 (2)特殊的,起始节点的前驱设置为其本身。
告诫。看着别人的代码去理解问题是如何求解的,对于求解算法题来说,这种方法是错误的。正确的步骤是看别人的思路,理解如何求解后,给出自己的实现,才能够真正的深刻的掌握该题的求解。经过自己思考的才能真正成为自己的东西。不然的话,看着别人的代码痛苦不说,而且每个人的实现在很多细节都不相同,即是花了很长时间,暂时弄明白了,我想过不了多久就会忘记。这样,得不偿失啊!
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