[数据结构与算法] 盘点工作中常用的算法
常用算法总结 - 1. 二分查找算法(非递归)
- 2. 分治问题
- 3. 动态规划算法
- 4. KMP算法(字符串匹配问题)
- 方式一: 暴力匹配算法
- 方式二: KMP算法
- 5. 贪心算法
- 6. 普里姆算法
- 7. 克鲁斯卡尔算法
- 8. 迪杰斯特拉算法
- 9. 弗洛伊德算法
- 10. 马踏棋盘/骑士周游问题
- 方式一: 暴力匹配算法
- 方式二: KMP算法
在工作和生活中, 我们经常会遇到很多算法. 但是不同于我们之前学习的数据结构与算法, 他们更具目的性, 更加贴合我们工作需要. 下面, 就让我们一起来学习吧!
1. 二分查找算法(非递归)
介绍
- 前面我们讲过了二分查找算法，是使用递归的方式，下面我们讲解二分查找算法的非递归方式
- 二分查找法只适用于从有序的数列中进行查找(比如数字和字母等)，将数列排序后再进行查找
- 二分查找法的运行时间复杂度为对数时间O(㏒₂n) ，即查找到需要的目标位置最多只需要㏒₂n步，假设从[0,99]的队列(100个数，即n=100)中寻到目标数30，则需要查找步数为㏒₂100 , 即最多需要查找7次( 2^6 < 100 < 2^7)
案例: 数组 {1,3, 8, 10, 11, 67, 100}, 编程实现二分查找， 要求使用非递归的方式完成.
思路分析：
- 需要手动定义参数: left,right,mid,midVal (后两个需要在循环语句内定义,因为每次循环结束后都要被初始化)
- 当最左边下标小于等于最右边下标时(
left<=right>),执行如下判断 1.midVal>target//说明带查找的值位于中间值左边(将right=mid-1) 2.midVal<target//说明带查找的值位于中间值右边(将left=mid+1) 3.midVal=target,说明中间值就是需要找到的元素,直接返回即可 - 如果
left>right,说明遍历所有元素后未找到结果
代码实现：
public class BinarySearchNoRecur {
public static void main(String[] args) {
int arr[] = {1, 3, 8, 10, 11, 67, 100};
int i = binarySearch1(arr, 1);//非递归方式
//int i = binarySearch2(arr, 0,arr.length-1,1);//递归方式
if (i==-1){
System.out.println("未找到结果,请重试");
}else {
System.out.println("当前元素的下标为: "+i);
}
}
/**
* 二分查找非递归实现
* @param arr 待查数组,必须是升序
* @param target 待查找的数
* @return 如果找到则返回对应下标,否则返回-1
*/
public static int binarySearch1(int[] arr,int target){
int left=0;//最左边下标
int right = arr.length - 1;//最右边的下标
while (left<=right){
//如果这两个值在外面定义,则每次循环结束后不会被初始化,导致死循环
int mid = (left + right) / 2;//中间值下标
int midVal = arr[mid];//中间值
if (midVal>target){//说明带查找的值位于中间值左边(将right=mid-1)
right = mid - 1;
}else if (midVal<target){//说明带查找的值位于中间值右边(将left=mid+1)
left = mid + 1;
}else {
return mid;
}
}
//如果left>right,说明遍历所有元素后未找到结果
return -1;
}
/**
* 复习二分查找的递归实现
* @param arr 带查找的数组,必须是有序的
* @param left 最左边的下标,递归调用时必须有的参数(非递归可无)
* @param right 最右边的下标,递归调用时必须有的参数(非递归可无)
* @param target 目标元素
* @return 查找到返回相应的下标,否则返回-1
*/
public static int binarySearch2(int[] arr, int left, int right, int target) {
//设置中间值和中间下标
int mid = (left + right) / 2;
int midVal = arr[mid];
if (left > right) {//如果left>right,说明遍历所有元素后未找到结果
return -1;
} else {
if (midVal < target) {//说明目标值位于中间值右侧
return binarySearch2(arr, mid + 1, right, target);
} else if (midVal > target) {//说明目标值位于中间值左侧
return binarySearch2(arr, left, mid - 1, target);
} else {
return mid;
}
}
}
}结果测试
在这里插入图片描述
2. 分治问题
分治算法介绍 分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”，就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题，再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解，原问题的解即子问题的解的合并。 这个技巧是很多高效算法的基础，如排序算法(快速排序，归并排序)，傅立叶变换(快速傅立叶变换)……
分治算法可以求解的一些经典问题
- 二分搜索
- 大整数乘法
- 棋盘覆盖
- 合并排序
- 快速排序
- 线性时间选择
- 最接近点对问题
- 循环赛日程表
- 汉诺塔
由上面举例可以看出, 分治问题实质是对方法的递归调用. 通过以递归调用多占用的空间来换取运行程序所需要的时间(以空间换时间)
分治算法的基本步骤
分治法在每一层递归上都有三个步骤：
- 分解：将原问题分解为若干个规模较小，相互独立，与原问题形式相同的子问题
- 解决：若子问题规模较小而容易被解决则直接解，否则递归地解各个子问题
- 合并：将各个子问题的解合并为原问题的解。
分治(Divide-and-Conquer( P))算法设计模式如下：
在这里插入图片描述
其中|P|表示问题P的规模；n0为一阈值，表示当问题P的规模不超过n0时，问题已容易直接解出，不必再继续分解。ADHOC( P)是该分治法中的基本子算法，用于直接解小规模的问题P。因此，当P的规模不超过n0时直接用算法ADHOC( P)求解。算法MERGE(y1,y2,…,yk)是该分治法中的合并子算法，用于将P的子问题P1 ,P2 ,…,Pk的相应的解y1,y2,…,yk合并为P的解。
分治算法最佳实践-汉诺塔 点击试玩汉诺塔游戏
汉诺塔游戏的演示和思路分析:
- 如果是有一个盘， A->C 如果我们有 n >= 2 情况，我们总是可以看做是两个盘 1.最下边的盘 2. 上面的盘
- 先把 最上面的盘 A->B
- 把最下边的盘 A->C
- 把B塔的所有盘 从 B->C
public class HanoiTower {
public static void main(String[] args) {
hanoiTower(10, 'A', 'B', 'C');
}
/**
* 汉诺塔移动的方法---分治算法
* @param num 盘子的个数
* @param a 代表第一个放盘子的位置
* @param b 代表第二个放盘子的位置
* @param c 代表第三个放盘子的位置
*/
public static void hanoiTower(int num, char a, char b, char c) {
//如果只有一个盘
if(num == 1) {
System.out.println("第1个盘从 " + a + "->" + c);
} else {
//如果我们有 n >= 2 情况，我们总是可以看做是两个盘 1.最下边的一个盘 2. 上面的所有盘
//1. 先把最上面的所有盘 A->B， 移动过程会使用到 c
hanoiTower(num - 1, a, c, b);
//2. 把最下边的盘 A->C
System.out.println("第" + num + "个盘从 " + a + "->" + c);
//3. 把B塔的所有盘 从 B->C , 移动过程使用到 a塔
hanoiTower(num - 1, b, a, c);
}
}
}结果展示 调用该方法是,第一个参数代表盘的个数,我们可以通过指定这个参数运行得到下图步骤, 根据这些步骤即可破解该游戏
在这里插入图片描述
3. 动态规划算法
动态规划(Dynamic Programming)算法的核心思想是：将大问题划分为小问题进行解决，从而一步步获取最优解的处理算法
- 动态规划算法与分治算法类似，其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。
- 与分治法不同的是，适合于用动态规划求解的问题，经分解得到子问题往往不是互相独立的。 ( 即下一个子阶段的求解是建立在上一个子阶段的解的基础上，进行进一步的求解 )
- 动态规划可以通过填表的方式来逐步推进，得到最优解.
应用场景-背包问题
背包问题：有一个背包，容量为4磅 ， 现有如下物品
- 要求达到的目标为装入的背包的总价值最大，并且重量不超出
- 要求装入的物品不能重复
在这里插入图片描述
- 思路分析和图解 背包问题主要是指一个给定容量的背包、若干具有一定价值和重量的物品，如何选择物品放入背包使物品的价值最大。其中又分01背包和完全背包(完全背包指的是：每种物品都有无限件可用) 这里的问题属于01背包，即每个物品最多放一个。而无限背包可以转化为01背包。 (1) v[i][0]=v[0][j]=0; //表示 填入表 第一行和第一列是0 (2) 当w[i]> j 时：v[i][j]=v[i-1][j] // 当准备加入新增的商品的容量大于 当前背包的容量时，就直接使用上一个单元格的装入策略 (3) 当j>=w[i]时： v[i][j]=max{v[i-1][j], v[i]+v[i-1][j-w[i]]} // 当准备加入的新增的商品的容量小于等于当前背包的容量, // 装入的方式: v[i-1][j]： 就是上一个单元格的装入的最大值 v[i] : 表示当前商品的价值 v[i-1][j-w[i]] ： 装入i-1商品，到剩余空间j-w[i]的最大值 当j>=w[i]时： v[i][j]=max{v[i-1][j], v[i]+v[i-1][j-w[i]]} :
在这里插入图片描述
注意: 在求解该类问题(动态规划)时. 需要总结出公式/思路, 然后将这个思路转换成代码即可
代码实现
public class KnapsackProblem {
public static void main(String[] args) {
int[] w = {1, 4, 3};//物品的重量
int[] val = {1500, 3000, 2000}; //物品的价值 这里val[i] 就是前面讲的v[i]
int m = 4; //背包的容量
int n = val.length; //物品的个数
//创建二维数组，
//v[i][j] 表示在前i个物品中能够装入容量为j的背包中的最大价值
int[][] v = new int[n+1][m+1];
//为了记录放入商品的情况，我们定一个二维数组
int[][] path = new int[n+1][m+1];
//初始化第一行和第一列, 这里在本程序中，可以不去处理，因为默认就是0
for(int i = 0; i < v.length; i++) {
v[i][0] = 0; //将第一列设置为0
}
for(int i=0; i < v[0].length; i++) {
v[0][i] = 0; //将第一行设置0
}
//根据前面得到公式来动态规划处理
for(int i = 1; i < v.length; i++) { //不处理第一行 i是从1开始的
for(int j=1; j < v[0].length; j++) {//不处理第一列, j是从1开始的
//公式
if(w[i-1]> j) { // 因为我们程序i 是从1开始的，因此原来公式中的 w[i] 修改成 w[i-1]
v[i][j]=v[i-1][j];
} else {
//说明:
//因为我们的i 从1开始的， 因此公式需要调整成
//v[i][j]=Math.max(v[i-1][j], val[i-1]+v[i-1][j-w[i-1]]);
//v[i][j] = Math.max(v[i - 1][j], val[i - 1] + v[i - 1][j - w[i - 1]]);
//为了记录商品存放到背包的情况，我们不能直接的使用上面的公式，需要使用if-else来体现公式
if(v[i - 1][j] < val[i - 1] + v[i - 1][j - w[i - 1]]) {
v[i][j] = val[i - 1] + v[i - 1][j - w[i - 1]];
//把当前的情况记录到path
path[i][j] = 1;
} else {
v[i][j] = v[i - 1][j];
}
}
}
}
//输出一下v 看看目前的情况
for(int i =0; i < v.length;i++) {
for(int j = 0; j < v[i].length;j++) {
System.out.print(v[i][j] + " ");
}
System.out.println();
}
System.out.println("============================");
//输出最后我们是放入的哪些商品
//遍历path, 这样输出会把所有的放入情况都得到, 其实我们只需要最后的放入
// for(int i = 0; i < path.length; i++) {
// for(int j=0; j < path[i].length; j++) {
// if(path[i][j] == 1) {
// System.out.printf("第%d个商品放入到背包\n", i);
// }
// }
// }
//动脑筋
int i = path.length - 1; //行的最大下标
int j = path[0].length - 1; //列的最大下标
while(i > 0 && j > 0 ) { //从path的最后开始找
if(path[i][j] == 1) {
System.out.printf("第%d个商品放入到背包\n", i);
j -= w[i-1]; //w[i-1]
}
i--;
}
}
}结果展示
在这里插入图片描述
4. KMP算法(字符串匹配问题)
应用场景-字符串匹配问题 有一个字符串 str1= “bbc abcdab abcdabcdabdf”，和一个子串 str2 = “abcdabd” 现在要判断 str1 是否含有 str2, 如果存在，就返回第一次出现的位置, 如果没有，则返回-1
方式一: 暴力匹配算法
如果用暴力匹配的思路，并假设现在str1匹配到 i 位置，子串str2匹配到 j 位置，则有:
- 如果当前字符匹配成功（即str1[i] == str2[j]），则i++，j++，继续匹配下一个字符
- 如果失配（即str1[i]! = str2[j]），令i = i - (j - 1)，j = 0。相当于每次匹配失败时，i 回溯，j 被置为0。
- 用暴力方法解决的话就会有大量的回溯，每次只移动一位，若是不匹配，移动到下一位接着判断，浪费了大量的时间。(不可行!)
- 暴力匹配算法实现.
public class ViolenceMatch {
public static void main(String[] args) {
//测试暴力匹配算法
String str1 = "bbc abcdab abcdabcdabde";
String str2 = "abcdabd";
int index = violenceMatch(str1, str2);//返回的是匹配后s1的下标,从0开始
System.out.println("index=" + index);
}
/**
* 暴力匹配算法
* @param str1
* @param str2
* @return 如果匹配到了返回第一个字符的下标,否则返回-1
*/
public static int violenceMatch(String str1,String str2){
//将两个字符串转换成对应的字符串数组
char[] s1 = str1.toCharArray();
char[] s2 = str2.toCharArray();
//求两个字符串的长度
int s1Len = s1.length;
int s2Len = s2.length;
int i = 0;//i索引指向s1
int j = 0;//j索引指向s2
while (i<s1Len && j<s2Len){//保证匹配不越界
if (s1[i]==s2[j]){//当前字符相等时,向后继续匹配
i++;
j++;
}else {//s1[i]!=s2[j],即当前字符不相等
//精髓!相当于s2第一个字符的下标将开始与s1第二,第三个个字符下标进行匹配...
i = i - (j - 1);
j = 0;
}
}
// 对结果进行判断
if (j==s2Len){
return i - j;//这里的i是s1中包含s2的最后字符的下标, j是字符串s2的长度
}else {
return -1;
}
}
}结果展示
在这里插入图片描述
方式二: KMP算法
KMP是一个解决模式串在文本串是否出现过，如果出现过，最早出现的位置的经典算法 Knuth-Morris-Pratt 字符串查找算法，简称为 “KMP算法”，常 用于在一个文本串S内查找一个模式串P 的出现位置 ，这个算法由Donald Knuth、Vaughan Pratt、James H. Morris三人于1977年联合发表，故取这3人的姓氏命名此算法.
KMP方法算法利用之前判断过信息，通过一个next数组，保存模式串中前后最长公共子序列的长度，每次回溯时，通过next数组找到，前面匹配过的位置，省去了大量的计算时间
参考资料： 很详尽KMP算法(专业性较强) 漫画：什么是KMP算法？(适合初学者)
KMP算法最佳应用-字符串匹配问题 要求：问题同上, 使用KMP算法完成判断，不能使用简单的暴力匹配算法.
public class KMPAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
String str1 = "BBC ABCDAB ABCDABCDABDE";
String str2 = "ABCDABD";
//String str2 = "BBC";
int[] next = kmpNext("ABCDABD"); //[0, 1, 2, 0]
System.out.println("next=" + Arrays.toString(next));
int index = kmpSearch(str1, str2, next);
System.out.println("index=" + index); // 15
}
/**
*kmp搜索算法
* @param str1 原字符串
* @param str2 子串
* @param next 部分匹配表, 是子串对应的部分匹配表
* @return 如果是-1就是没有匹配到，否则返回第一个匹配的位置
*/
public static int kmpSearch(String str1, String str2, int[] next) {
//遍历
for(int i = 0, j = 0; i < str1.length(); i++) {
//需要处理 str1.charAt(i) ！= str2.charAt(j), 去调整j的大小
//KMP算法核心点, 可以验证...
while( j > 0 && str1.charAt(i) != str2.charAt(j)) {
j = next[j-1];
}
if(str1.charAt(i) == str2.charAt(j)) {
j++;
}
if(j == str2.length()) {//找到了 // j = 3 i
return i - j + 1;
}
}
return -1;
}
//获取到一个字符串(子串) 的部分匹配值表
public static int[] kmpNext(String dest) {
//创建一个next 数组保存部分匹配值
int[] next = new int[dest.length()];
next[0] = 0; //如果字符串是长度为1 部分匹配值就是0
for(int i = 1, j = 0; i < dest.length(); i++) {
//当dest.charAt(i) != dest.charAt(j) ，我们需要从next[j-1]获取新的j
//直到我们发现 有 dest.charAt(i) == dest.charAt(j)成立才退出
//这是kmp算法的核心点
while(j > 0 && dest.charAt(i) != dest.charAt(j)) {
j = next[j-1];
}
//当dest.charAt(i) == dest.charAt(j) 满足时，部分匹配值就是+1
if(dest.charAt(i) == dest.charAt(j)) {
j++;
}
next[i] = j;
}
return next;
}
}运行结果
在这里插入图片描述
5. 贪心算法
贪婪算法(贪心算法)是指在对问题进行求解时，在每一步选择中都采取最好或者最优(即最有利)的选择，从而希望能够导致结果是最好或者最优的算法
- 贪心算法所得到的结果不一定是最优的结果(有时候会是最优解)，但是都是相对近似(接近)最优解的结果
贪心算法最佳应用-集合覆盖
假设存在如下表的需要付费的广播台，以及广播台信号可以覆盖的地区。 如何选择最少的广播台，让所有的地区都可以接收到信号
在这里插入图片描述
思路一 穷举法 :
如何找出覆盖所有地区的广播台的集合呢，使用穷举法实现,列出每个可能的广播台的集合，这被称为幂集。假设总的有n个广播台，则广播台的组合总共有 2ⁿ -1 个,假设每秒可以计算10个子集， 如图:
在这里插入图片描述
思路二:使用贪心算法
- 使用贪婪算法，效率高:
- 目前并没有算法可以快速计算得到准备的值 ， 使用贪婪算法，则可以得到非常接近的解，并且效率高。选择策略上，因为需要覆盖全部地区的最小集合:
- 遍历所有的广播电台, 找到一个覆盖了最多未覆盖的地区的电台(此电台可能包含一些已覆盖的地区，但没有关系）
- 将这个电台加入到一个集合中(比如ArrayList), 想办法把该电台覆盖的地区在下次比较时去掉。 重复第1步直到覆盖了全部的地区
思路图解
在这里插入图片描述
代码实现
- 贪婪算法所得到的结果不一定是最优的结果(有时候会是最优解)，但是都是相对近似(接近)最优解的结果 比如上题的算法选出的是K1, K2, K3, K5，符合覆盖了全部的地区
- 但我们发现 K2, K3,K4,K5 也可以覆盖全部地区，如果K2 的使用成本低于K1,那么我们上题的 K1, K2, K3, K5 虽然是满足条件，但是并不是最优的.
public class GreedyAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
//创建广播电台,放入到Map
HashMap<String, HashSet<String>> broadcasts = new HashMap<String, HashSet<String>>();
//将各个电台放入到broadcasts
HashSet<String> hashSet1 = new HashSet<String>();
hashSet1.add("北京");
hashSet1.add("上海");
hashSet1.add("天津");
HashSet<String> hashSet2 = new HashSet<String>();
hashSet2.add("广州");
hashSet2.add("北京");
hashSet2.add("深圳");
HashSet<String> hashSet3 = new HashSet<String>();
hashSet3.add("成都");
hashSet3.add("上海");
hashSet3.add("杭州");
HashSet<String> hashSet4 = new HashSet<String>();
hashSet4.add("上海");
hashSet4.add("天津");
HashSet<String> hashSet5 = new HashSet<String>();
hashSet5.add("杭州");
hashSet5.add("大连");
//加入到map
broadcasts.put("K1", hashSet1);
broadcasts.put("K2", hashSet2);
broadcasts.put("K3", hashSet3);
broadcasts.put("K4", hashSet4);
broadcasts.put("K5", hashSet5);
//allAreas 存放所有的地区
HashSet<String> allAreas = new HashSet<String>();
allAreas.add("北京");
allAreas.add("上海");
allAreas.add("天津");
allAreas.add("广州");
allAreas.add("深圳");
allAreas.add("成都");
allAreas.add("杭州");
allAreas.add("大连");
//创建ArrayList, 存放选择的电台集合
ArrayList<String> selects = new ArrayList<String>();
//定义一个临时的集合， 在遍历的过程中，存放遍历过程中的电台覆盖的地区和当前还没有覆盖的地区的交集
HashSet<String> tempSet = new HashSet<String>();
//定义给maxKey ， 保存在一次遍历过程中，能够覆盖最大未覆盖的地区对应的电台的key
//如果maxKey 不为null , 则会加入到 selects
String maxKey = null;
while(allAreas.size() != 0) { // 如果allAreas 不为0, 则表示还没有覆盖到所有的地区
//每进行一次while,需要
maxKey = null;
//遍历 broadcasts, 取出对应key
for(String key : broadcasts.keySet()) {
//每进行一次for
tempSet.clear();
//当前这个key能够覆盖的地区
HashSet<String> areas = broadcasts.get(key);
tempSet.addAll(areas);
//求出tempSet 和 allAreas 集合的交集, 交集会赋给 tempSet
tempSet.retainAll(allAreas);
//如果当前这个集合包含的未覆盖地区的数量，比maxKey指向的集合地区还多
//就需要重置maxKey
// tempSet.size() >broadcasts.get(maxKey).size()) 体现出贪心算法的特点,每次都选择最优的
if(tempSet.size() > 0 &&
(maxKey == null || tempSet.size() >broadcasts.get(maxKey).size())){
maxKey = key;
}
}
//maxKey != null, 就应该将maxKey 加入selects
if(maxKey != null) {
selects.add(maxKey);
//将maxKey指向的广播电台覆盖的地区，从 allAreas 去掉
allAreas.removeAll(broadcasts.get(maxKey));
}
}
System.out.println("得到的选择结果是" + selects);//[K1,K2,K3,K5]
}
}结果展示
在这里插入图片描述
6. 普里姆算法
普利姆(Prim)算法求最小生成树，也就是在包含n个顶点的连通图中，找出只有(n-1)条边包含所有n个顶点的连通子图，也就是所谓的极小连通子图
最小生成树
- 修路问题本质就是就是最小生成树问题， 先介绍一下最小生成树(Minimum Cost Spanning Tree)，简称MST。
- 给定一个带权的无向连通图,如何选取一棵生成树,使树上所有边上权的总和为最小,这叫最小生成树
- N个顶点，一定有N-1条边,包含全部顶点
- N-1条边都在图中
在这里插入图片描述
求最小生成树的算法
- 普里姆算法
- 克鲁斯卡尔算法
普利姆的算法如下:
- 设G=(V,E)是连通网，T=(U,D)是最小生成树，V,U是顶点集合，E,D是边的集合
- 若从顶点u开始构造最小生成树，则从集合V中取出顶点u放入集合U中，标记顶点v的visited[u]=1
- 若集合U中顶点ui与集合V-U中的顶点vj之间存在边，则寻找这些边中权值最小的边，但不能构成回路，将顶- 点vj加入集合U中，将边（ui,vj）加入集合D中，标记visited[vj]=1
- 重复步骤②，直到U与V相等，即所有顶点都被标记为访问过，此时D中有n-1条边 提示: 单独看步骤很难理解，我们通过代码来讲解，比较好理解.
应用场景-修路问题
有某个乡有7个村庄(A, B, C, D, E, F, G) ，现在需要修路把7个村庄连通 各个村庄的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 5公里
问：如何修路保证各个村庄都能连通，并且总的修建公路总里程最短? 思路: 将10条边，连接即可，但是总的里程数不是最小. 正确的思路，就是尽可能的选择少的路线，并且每条路线最小，保证总里程数最少
在这里插入图片描述
代码实现
public class PrimAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
//测试看看图是否创建ok
char[] data = new char[]{'A','B','C','D','E','F','G'};
int verxs = data.length;
//邻接矩阵的关系使用二维数组表示,10000这个大数，表示两个点不联通
int [][]weight=new int[][]{
{10000,5,7,10000,10000,10000,2},
{5,10000,10000,9,10000,10000,3},
{7,10000,10000,10000,8,10000,10000},
{10000,9,10000,10000,10000,4,10000},
{10000,10000,8,10000,10000,5,4},
{10000,10000,10000,4,5,10000,6},
{2,3,10000,10000,4,6,10000},};
//创建MGraph对象
MGraph graph = new MGraph(verxs);
//创建一个MinTree对象
MinTree minTree = new MinTree();
minTree.createGraph(graph, verxs, data, weight);
//输出
minTree.showGraph(graph);
//测试普利姆算法
minTree.prim(graph, 1);//
}
}
//创建最小生成树->村庄的图
class MinTree {
//创建图的邻接矩阵
/**
*
* @param graph 图对象
* @param verxs 图对应的顶点个数
* @param data 图的各个顶点的值
* @param weight 图的邻接矩阵
*/
public void createGraph(MGraph graph, int verxs, char data[], int[][] weight) {
int i, j;
for(i = 0; i < verxs; i++) {//顶点
graph.data[i] = data[i];
for(j = 0; j < verxs; j++) {
graph.weight[i][j] = weight[i][j];
}
}
}
//显示图的邻接矩阵
public void showGraph(MGraph graph) {
for(int[] link: graph.weight) {
System.out.println(Arrays.toString(link));
}
}
//编写prim算法，得到最小生成树
/**
*
* @param graph 图
* @param v 表示从图的第几个顶点开始生成'A'->0 'B'->1...
*/
public void prim(MGraph graph, int v) {
//visited[] 标记结点(顶点)是否被访问过
int visited[] = new int[graph.verxs];
//visited[] 默认元素的值都是0, 表示没有访问过
// for(int i =0; i <graph.verxs; i++) {
// visited[i] = 0;
// }
//把当前这个结点标记为已访问
visited[v] = 1;
//h1 和 h2 记录两个顶点的下标
int h1 = -1;
int h2 = -1;
int minWeight = 10000; //将 minWeight 初始成一个大数，后面在遍历过程中，会被替换
for(int k = 1; k < graph.verxs; k++) {//因为有 graph.verxs顶点，普利姆算法结束后，有 graph.verxs-1边
//这个是确定每一次生成的子图 ，和哪两个结点的距离最近
for(int i = 0; i < graph.verxs; i++) {// i结点表示被访问过的结点
for(int j = 0; j< graph.verxs;j++) {//j结点表示还没有访问过的结点
if(visited[i] == 1 && visited[j] == 0 && graph.weight[i][j] < minWeight) {
//替换minWeight(寻找已经访问过的结点和未访问过的结点间的权值最小的边)
minWeight = graph.weight[i][j];
h1 = i;
h2 = j;
}
}
}
//找到一条边是最小
System.out.println("边<" + graph.data[h1] + "," + graph.data[h2] + "> 权值:" + minWeight);
//将当前这个结点标记为已经访问
visited[h2] = 1;
//minWeight 重新设置为最大值 10000
minWeight = 10000;
}
}
}
class MGraph {
int verxs; //表示图的节点个数
char[] data;//存放结点数据
int[][] weight; //存放边，就是我们的邻接矩阵
public MGraph(int verxs) {
this.verxs = verxs;
data = new char[verxs];
weight = new int[verxs][verxs];
}
}结果展示
在这里插入图片描述
7. 克鲁斯卡尔算法
克鲁斯卡尔(Kruskal)算法，是用来求加权连通图的最小生成树的算法。 基本思想：按照权值从小到大的顺序选择n-1条边，并 保证这n-1条边不构成回路(构图关键) 做法：首先构造一个只含n个顶点的森林，然后依权值从小到大从连通网中选择边加入到森林中，并使森林中不产生回路，直至森林变成一棵树为止
应用场景-公交站问题 某城市新增7个站点(A, B, C, D, E, F, G) ，现在需要修路把7个站点连通. 各个站点的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 12公里 问：如何修路保证各个站点都能连通，并且总的修建公路总里程最短?
在这里插入图片描述
做法
- 第1步：将边<E,F>加入R中。 边<E,F>的权值最小，因此将它加入到最小生成树结果R中。
- 第2步：将边<C,D>加入R中。 上一步操作之后，边<C,D>的权值最小，因此将它加入到最小生成树结果R中。
- 第3步：将边<D,E>加入R中。 上一步操作之后，边<D,E>的权值最小，因此将它加入到最小生成树结果R中。
- 第4步：将边<B,F>加入R中。 上一步操作之后，边<C,E>的权值最小，但<C,E>会和已有的边构成回路；因此，跳过边<C,E>。同理，跳过边<C,F>。将边<B,F>加入到最小生成树结果R中。
- 第5步：将边<E,G>加入R中。 上一步操作之后，边<E,G>的权值最小，因此将它加入到最小生成树结果R中。
- 第6步：将边<A,B>加入R中。 上一步操作之后，边<F,G>的权值最小，但<F,G>会和已有的边构成回路；因此，跳过边<F,G>。同理，跳过边<B,C>。将边<A,B>加入到最小生成树结果R中。
- 此时，最小生成树构造完成！它包括的边依次是：<E,F> <C,D> <D,E> <B,F> <E,G> <A,B>。
在这里插入图片描述
克鲁斯卡尔算法分析
根据前面介绍的克鲁斯卡尔算法的基本思想和做法，我们能够了解到，克鲁斯卡尔算法重点需要解决的以下两个问题：
- 问题一: 对图的所有边按照权值大小进行排序。
- 问题二: 将边添加到最小生成树中时，怎么样判断是否形成了回路。
问题一很好解决 ，采用排序算法进行排序 即可。 问题二的处理方式是：记录顶点在"最小生成树"中的终点，顶点的终点是"在最小生成树中与它连通的最大顶点"。然后每次需要将一条边添加到最小生存树时，判断该边的两个顶点的终点是否重合，重合的话则会构成回路。
代码实现
public class KruskalCase {
private int edgeNum; //边的个数
private char[] vertexs; //顶点数组
private int[][] matrix; //邻接矩阵
//使用 INF 表示两个顶点不能连通
private static final int INF = Integer.MAX_VALUE;//代表int数组的最大取值:2147483647,在图中表示两个顶点距离无线大(不连通)
public static void main(String[] args) {
char[] vertexs = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G'};
//克鲁斯卡尔算法的邻接矩阵
int matrix[][] = {
/*A*//*B*//*C*//*D*//*E*//*F*//*G*/
/*A*/ { 0, 12, INF, INF, INF, 16, 14},
/*B*/ { 12, 0, 10, INF, INF, 7, INF},
/*C*/ { INF, 10, 0, 3, 5, 6, INF},
/*D*/ { INF, INF, 3, 0, 4, INF, INF},
/*E*/ { INF, INF, 5, 4, 0, 2, 8},
/*F*/ { 16, 7, 6, INF, 2, 0, 9},
/*G*/ { 14, INF, INF, INF, 8, 9, 0}};
//大家可以在去测试其它的邻接矩阵，结果都可以得到最小生成树.
//创建KruskalCase 对象实例
KruskalCase kruskalCase = new KruskalCase(vertexs, matrix);
//输出构建的
kruskalCase.print();
kruskalCase.kruskal();
}
//构造器
public KruskalCase(char[] vertexs, int[][] matrix) {
//初始化顶点数和边的个数
int vlen = vertexs.length;
//初始化顶点, 复制拷贝的方式(不会影响原来属性的变更)
this.vertexs = new char[vlen];
for(int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
this.vertexs[i] = vertexs[i];
}
//初始化边, 使用的是复制拷贝的方式
this.matrix = new int[vlen][vlen];
for(int i = 0; i < vlen; i++) {
for(int j= 0; j < vlen; j++) {
this.matrix[i][j] = matrix[i][j];
}
}
//统计边的条数
for(int i =0; i < vlen; i++) {
for(int j = i+1; j < vlen; j++) {
if(this.matrix[i][j] != INF) {
edgeNum++;
}
}
}
}
public void kruskal() {
int index = 0; //表示最后结果数组的索引
int[] ends = new int[edgeNum]; //用于保存"已有最小生成树" 中的每个顶点在最小生成树中的终点
//创建结果数组, 保存最后的最小生成树
EData[] rets = new EData[edgeNum];
//获取图中 所有的边的集合 ， 一共有12边
EData[] edges = getEdges();
System.out.println("图的边的集合=" + Arrays.toString(edges) + " 共"+ edges.length); //12
//按照边的权值大小进行排序(从小到大)
sortEdges(edges);
//遍历edges 数组，将边添加到最小生成树中时，判断是准备加入的边否形成了回路，如果没有，就加入 rets, 否则不能加入
for(int i=0; i < edgeNum; i++) {
//获取到第i条边的第一个顶点(起点)
int p1 = getPosition(edges[i].start); //p1=4
//获取到第i条边的第2个顶点
int p2 = getPosition(edges[i].end); //p2 = 5
//获取p1这个顶点在已有最小生成树中的终点
int m = getEnd(ends, p1); //m = 4
//获取p2这个顶点在已有最小生成树中的终点
int n = getEnd(ends, p2); // n = 5
//是否构成回路
if(m != n) { //没有构成回路
ends[m] = n; // 设置m 在"已有最小生成树"中的终点 <E,F> [0,0,0,0,5,0,0,0,0,0,0,0]
rets[index++] = edges[i]; //有一条边加入到rets数组
}
}
//<E,F> <C,D> <D,E> <B,F> <E,G> <A,B>。
//统计并打印 "最小生成树", 输出 rets
System.out.println("最小生成树为");
for(int i = 0; i < index; i++) {
System.out.println(rets[i]);
}
}
//打印邻接矩阵
public void print() {
System.out.println("邻接矩阵为: \n");
for(int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
for(int j=0; j < vertexs.length; j++) {
System.out.printf("%12d", matrix[i][j]);
}
System.out.println();//换行
}
}
/**
* 功能：对边进行排序处理, 冒泡排序
* @param edges 边的集合
*/
private void sortEdges(EData[] edges) {
for(int i = 0; i < edges.length - 1; i++) {
for(int j = 0; j < edges.length - 1 - i; j++) {
if(edges[j].weight > edges[j+1].weight) {//交换
EData tmp = edges[j];
edges[j] = edges[j+1];
edges[j+1] = tmp;
}
}
}
}
/**
*
* @param ch 顶点的值，比如'A','B'
* @return 返回ch顶点对应的下标，如果找不到，返回-1
*/
private int getPosition(char ch) {
for(int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
if(vertexs[i] == ch) {//找到
return i;
}
}
//找不到,返回-1
return -1;
}
/**
* 功能: 获取图中边，放到EData[] 数组中，后面我们需要遍历该数组
* 是通过matrix 邻接矩阵来获取
* EData[] 形式 [['A','B', 12], ['B','F',7], .....]
* @return
*/
private EData[] getEdges() {
int index = 0;
EData[] edges = new EData[edgeNum];
for(int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
for(int j=i+1; j <vertexs.length; j++) {
if(matrix[i][j] != INF) {
edges[index++] = new EData(vertexs[i], vertexs[j], matrix[i][j]);
}
}
}
return edges;
}
/**
* 功能: 获取下标为i的顶点的终点(), 用于后面判断两个顶点的终点是否相同
* @param ends ： 数组就是记录了各个顶点对应的终点是哪个,ends 数组是在遍历过程中，逐步形成
* @param i : 表示传入的顶点对应的下标
* @return 返回的就是 下标为i的这个顶点对应的终点的下标
*/
private int getEnd(int[] ends, int i) { // i = 4 [0,0,0,0,5,0,0,0,0,0,0,0]
while(ends[i] != 0) {
i = ends[i];
}
return i;
}
}
//创建一个类EData ，它的对象实例就表示一条边
class EData {
char start; //边的一个点
char end; //边的另外一个点
int weight; //边的权值
//构造器
public EData(char start, char end, int weight) {
this.start = start;
this.end = end;
this.weight = weight;
}
//重写toString, 便于输出边信息
@Override
public String toString() {
return "EData [<" + start + ", " + end + ">= " + weight + "]";
}
}结果展示
在这里插入图片描述
8. 迪杰斯特拉算法
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路径算法，用于计算一个结点到其他结点的最短路径。 它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展(广度优先搜索思想)，直到扩展到终点为止。
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法过程 设置出发顶点为v，顶点集合V{v1,v2,vi…}，v到V中各顶点的距离构成距离集合Dis，Dis{d1,d2,di…}，Dis集合记录着v到图中各顶点的距离(到自身可以看作0，v到vi距离对应为di)
- 从Dis中选择值最小的di并移出Dis集合，同时移出V集合中对应的顶点vi，此时的v到vi即为最短路径
- 更新Dis集合，更新规则为：比较v到V集合中顶点的距离值，与v通过vi到V集合中顶点的距离值，保留值较小的一个(同时也应该更新顶点的前驱节点为vi，表明是通过vi到达的)
- 重复执行两步骤，直到最短路径顶点为目标顶点即可结束
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法最佳应用-最短路径
战争时期，胜利乡有7个村庄(A, B, C, D, E, F, G) ，现在有六个邮差，从G点出发，需要分别把邮件分别送到 A, B, C , D, E, F 六个村庄. 各个村庄的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 5公里. 问： (1)如何计算出G村庄到 其它各个村庄的最短距离? (2)如果从其它点出发到各个点的最短距离又是多少?
在这里插入图片描述
思路图
在这里插入图片描述
代码实现
public class DijkstraAlgorithm {
public static void main(String[] args) {
//字符数组用来存放每个顶点
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
//每个顶点间邻接矩阵
int[][] matrix = new int[vertex.length][vertex.length];
final int N = 65535;// 表示不可以连接(取int的最大值)
matrix[0]=new int[]{N,5,7,N,N,N,2};
matrix[1]=new int[]{5,N,N,9,N,N,3};
matrix[2]=new int[]{7,N,N,N,8,N,N};
matrix[3]=new int[]{N,9,N,N,N,4,N};
matrix[4]=new int[]{N,N,8,N,N,5,4};
matrix[5]=new int[]{N,N,N,4,5,N,6};
matrix[6]=new int[]{2,3,N,N,4,6,N};
//创建 Graph对象
Graph graph = new Graph(vertex, matrix);
//测试, 看看图的邻接矩阵是否ok
graph.showGraph();
//测试迪杰斯特拉算法
graph.dsj(2);//C
graph.showDijkstra();
}
}
class Graph {
private char[] vertex; // 顶点数组
private int[][] matrix; // 邻接矩阵
private VisitedVertex vv; //已经访问的顶点的集合
// 构造器
public Graph(char[] vertex, int[][] matrix) {
this.vertex = vertex;
this.matrix = matrix;
}
//显示结果
public void showDijkstra() {
vv.show();
}
// 显示图
public void showGraph() {
for (int[] link : matrix) {
System.out.println(Arrays.toString(link));
}
}
//迪杰斯特拉算法实现
/**
*
* @param index 表示出发顶点对应的下标
*/
public void dsj(int index) {
vv = new VisitedVertex(vertex.length, index);
update(index);//更新index顶点到周围顶点的距离和前驱顶点
for(int j = 1; j <vertex.length; j++) {
index = vv.updateArr();// 选择并返回新的访问顶点
update(index); // 更新index顶点到周围顶点的距离和前驱顶点
}
}
//更新index下标顶点到周围顶点的距离和周围顶点的前驱顶点,
private void update(int index) {
int len = 0;
//根据遍历我们的邻接矩阵的 matrix[index]行
for(int j = 0; j < matrix[index].length; j++) {
// len 含义是 : 出发顶点到index顶点的距离 + 从index顶点到j顶点的距离的和
len = vv.getDis(index) + matrix[index][j];
// 如果j顶点没有被访问过，并且 len 小于出发顶点到j顶点的距离，就需要更新
if(!vv.in(j) && len < vv.getDis(j)) {
vv.updatePre(j, index); //更新j顶点的前驱为index顶点
vv.updateDis(j, len); //更新出发顶点到j顶点的距离
}
}
}
}
// 已访问顶点集合
class VisitedVertex {
// 记录各个顶点是否访问过 1表示访问过,0未访问,会动态更新
public int[] already_arr;
// 每个下标对应的值为前一个顶点下标, 会动态更新
public int[] pre_visited;
// 记录出发顶点到其他所有顶点的距离,比如G为出发顶点，就会记录G到其它顶点的距离，会动态更新，求的最短距离就会存放到dis
public int[] dis;
//构造器
/**
*
* @param length :表示顶点的个数
* @param index: 出发顶点对应的下标, 比如G顶点，下标就是6
*/
public VisitedVertex(int length, int index) {
this.already_arr = new int[length];
this.pre_visited = new int[length];
this.dis = new int[length];
//初始化 dis数组
Arrays.fill(dis, 65535);
this.already_arr[index] = 1; //设置出发顶点被访问过
this.dis[index] = 0;//设置出发顶点的访问距离为0
}
/**
* 功能: 判断index顶点是否被访问过
* @param index
* @return 如果访问过，就返回true, 否则访问false
*/
public boolean in(int index) {
return already_arr[index] == 1;
}
/**
* 功能: 更新出发顶点到index顶点的距离
* @param index
* @param len
*/
public void updateDis(int index, int len) {
dis[index] = len;
}
/**
* 功能: 更新pre这个顶点的前驱顶点为index顶点
* @param pre
* @param index
*/
public void updatePre(int pre, int index) {
pre_visited[pre] = index;
}
/**
* 功能:返回出发顶点到index顶点的距离
* @param index
*/
public int getDis(int index) {
return dis[index];
}
/**
* 继续选择并返回新的访问顶点， 比如这里的G 完后，就是 A点作为新的访问顶点(注意不是出发顶点)
* @return
*/
public int updateArr() {
int min = 65535, index = 0;
for(int i = 0; i < already_arr.length; i++) {
if(already_arr[i] == 0 && dis[i] < min ) {
min = dis[i];
index = i;
}
}
//更新 index 顶点被访问过
already_arr[index] = 1;
return index;
}
//显示最后的结果
//即将三个数组的情况输出
public void show() {
System.out.println("==========================");
//输出already_arr
for(int i : already_arr) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//输出pre_visited
for(int i : pre_visited) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//输出dis
for(int i : dis) {
System.out.print(i + " ");
}
System.out.println();
//为了好看最后的最短距离，我们处理
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
int count = 0;
for (int i : dis) {
if (i != 65535) {
System.out.print(vertex[count] + "("+i+") ");
} else {
System.out.println("N ");
}
count++;
}
System.out.println();
}
}结果展示
在这里插入图片描述
9. 弗洛伊德算法
弗洛伊德(Floyd)算法介绍
和Dijkstra算法一样，弗洛伊德(Floyd)算法也是一种用于寻找给定的加权图中顶点间最短路径的算法。该算法名称以创始人之一、1978年图灵奖获得者、斯坦福大学计算机科学系教授罗伯特·弗洛伊德命名
- 弗洛伊德算法(Floyd)计算图中各个顶点之间的最短路径
- 迪杰斯特拉算法用于计算图中某一个顶点到其他顶点的最短路径。
- 弗洛伊德算法 VS 迪杰斯特拉算法： 迪杰斯特拉算法通过选定的被访问顶点作为出发点, 求该顶点到其他顶点的最短路径； 弗洛伊德算法中每一个顶点都是出发点和访问点，求出从每一个顶点到其他顶点的最短路径。
弗洛伊德(Floyd)算法最佳应用-最短路径
胜利乡有7个村庄(A, B, C, D, E, F, G). 各个村庄的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 5公里 问：如何计算出各村庄到 其它各村庄的最短距离?
在这里插入图片描述
弗洛伊德(Floyd)算法分析
设置顶点vi到顶点vk的最短路径已知为Lik，顶点vk到vj的最短路径已知为Lkj，顶点vi到vj的路径为Lij，则vi到vj的最短路径为：min((Lik+Lkj),Lij)，vk的取值为图中所有顶点，则可获得vi到vj的最短路径 至于vi到vk的最短路径Lik或者vk到vj的最短路径Lkj，是以同样的方式获得
图解分析
- 首先需要将各顶点之间的距离转换成邻接矩阵
在这里插入图片描述
- 其次需要初始顶点前驱的关系
在这里插入图片描述
- 第一轮循环中，以A(下标为：0)作为中间顶点(把A作为顶点的情况都进行遍历, 就会得到更新后的距离表和前驱关系)，距离表和前驱关系更新为：
在这里插入图片描述
分析如下：
- 以A顶点作为中间顶点是，C–>A->G的距离由N->9，同理G到A；C->A->B的距离由N->12，同理B到C 但是需要注意的是G->A->B的距离7大于G-B的距离3,因此不会修改距离
- 更换中间顶点，循环执行操作，直到所有顶点都作为中间顶点更新后，计算结束
代码实现
public class FloydAlgorthm {
public static void main(String[] args) {
// 测试看看图是否创建成功
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
//创建邻接矩阵
int[][] matrix = new int[vertex.length][vertex.length];
final int N = 65535;
matrix[0] = new int[] { 0, 5, 7, N, N, N, 2 };
matrix[1] = new int[] { 5, 0, N, 9, N, N, 3 };
matrix[2] = new int[] { 7, N, 0, N, 8, N, N };
matrix[3] = new int[] { N, 9, N, 0, N, 4, N };
matrix[4] = new int[] { N, N, 8, N, 0, 5, 4 };
matrix[5] = new int[] { N, N, N, 4, 5, 0, 6 };
matrix[6] = new int[] { 2, 3, N, N, 4, 6, 0 };
//创建 Graph 对象
Graph graph = new Graph(vertex.length, matrix, vertex);
//调用弗洛伊德算法
graph.floyd();
graph.show();
}
}
// 创建图
class Graph {
private char[] vertex; // 存放顶点的数组
private int[][] dis; // 保存从各个顶点出发到其它顶点的距离，最后的结果，也是保留在该数组
private int[][] pre;// 保存到达目标顶点的前驱顶点
// 构造器
/**
*
* @param length 大小
* @param matrix 邻接矩阵
* @param vertex 顶点数组
*/
public Graph(int length, int[][] matrix, char[] vertex) {
this.vertex = vertex;
this.dis = matrix;
this.pre = new int[length][length];
// 对pre数组初始化, 注意存放的是前驱顶点的下标
for (int i = 0; i < length; i++) {
Arrays.fill(pre[i], i);
}
}
// 显示pre数组和dis数组
public void show() {
//为了显示便于阅读，我们优化一下输出
char[] vertex = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G' };
for (int k = 0; k < dis.length; k++) {
// 先将pre数组输出的一行
for (int i = 0; i < dis.length; i++) {
System.out.print(vertex[pre[k][i]] + " ");
}
System.out.println();
// 输出dis数组的一行数据
for (int i = 0; i < dis.length; i++) {
System.out.print("("+vertex[k]+"到"+vertex[i]+"的最短路径是" + dis[k][i] + ") ");
}
System.out.println();
System.out.println();
}
}
//弗洛伊德算法, 比较容易理解，而且容易实现
public void floyd() {
int len = 0; //变量保存距离
//对中间顶点遍历， k 就是中间顶点的下标 [A, B, C, D, E, F, G]
for(int k = 0; k < dis.length; k++) { //
//从i顶点开始出发 [A, B, C, D, E, F, G]
for(int i = 0; i < dis.length; i++) {
//到达j顶点 // [A, B, C, D, E, F, G]
for(int j = 0; j < dis.length; j++) {
len = dis[i][k] + dis[k][j];// => 求出从i 顶点出发，经过 k中间顶点，到达 j 顶点距离
if(len < dis[i][j]) {//如果len小于 dis[i][j]
dis[i][j] = len;//更新距离
pre[i][j] = pre[k][j];//更新前驱顶点
}
}
}
}
}
}结果展示
在这里插入图片描述
10. 马踏棋盘/骑士周游问题
马踏棋盘算法也被称为骑士周游问题 将马随机放在国际象棋的8×8棋盘Board[0～7][0～7]的某个方格中，马按走棋规则(马走日字)进行移动。要求每个方格只进入一次，走遍棋盘上全部64个方格 游戏试玩
马踏棋盘问题分析
- 马踏棋盘问题(骑士周游问题)实际上是图的深度优先搜索(DFS)的应用。
- 如果使用回溯（就是深度优先搜索）来解决，假如马儿踏了53个点，如图：走到了第53个，坐标（1,0），发现已经走到尽头，没办法，那就只能回退了，查看其他的路径，就在棋盘上不停的回溯…… ，思路分析+代码实现
- 分析第一种方式的问题，并使用贪心算法（greedyalgorithm）进行优化。解决马踏棋盘问题.
- 使用前面的游戏来验证算法是否正确。
代码实现
public class HorseChessboard {
private static int X; // 棋盘的列数
private static int Y; // 棋盘的行数
//创建一个数组，标记棋盘的各个位置是否被访问过
private static boolean visited[];
//使用一个属性，标记是否棋盘的所有位置都被访问
private static boolean finished; // 如果为true,表示成功
public static void main(String[] args) {
System.out.println("骑士周游算法，开始运行~~");
/**
* 测试骑士周游算法是否正确
* 在使用时,需要输入棋盘尺寸以及马的初始位置
*/
X = 6;
Y = 6;
int row = 1; //马儿初始位置的行，从1开始编号
int column = 2 ; //马儿初始位置的列，从1开始编号
//创建棋盘
int[][] chessboard = new int[X][Y];
visited = new boolean[X * Y];//初始值都是false
//测试一下耗时
long start = System.currentTimeMillis();
traversalChessboard(chessboard, row - 1, column - 1, 1);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("共耗时: " + (end - start) + " 毫秒");
//输出棋盘的最后情况
for(int[] rows : chessboard) {
for(int step: rows) {
System.out.print(step-1 + "\t");//因为第一步是游戏指定的,不需要我们移动
}
System.out.println();
}
}
/**
* 完成骑士周游问题的算法
* @param chessboard 棋盘
* @param row 马儿当前的位置的行 从0开始
* @param column 马儿当前的位置的列 从0开始
* @param step 是第几步 ,初始位置就是第1步
*/
public static void traversalChessboard(int[][] chessboard, int row, int column, int step) {
chessboard[row][column] = step;
//row = 4 X = 8 column = 4 = 4 * 8 + 4 = 36
visited[row * X + column] = true; //标记该位置已经访问
//获取当前位置可以走的下一个位置的集合
ArrayList<Point> ps = next(new Point(column, row));
//对ps进行排序,排序的规则就是对ps的所有的Point对象的下一步的位置的数目，进行非递减排序
sort(ps);
//遍历 ps
while(!ps.isEmpty()) {
Point p = ps.remove(0);//取出下一个可以走的位置
//判断该点是否已经访问过
if(!visited[p.y * X + p.x]) {//说明还没有访问过
traversalChessboard(chessboard, p.y, p.x, step + 1);
}
}
//判断马儿是否完成了任务，使用 step 和应该走的步数比较 ，
//如果没有达到数量，则表示没有完成任务，将整个棋盘置0
//说明: step < X * Y 成立的情况有两种
//1. 棋盘到目前位置,仍然没有走完
//2. 棋盘处于一个回溯过程
if(step < X * Y && !finished ) {
chessboard[row][column] = 0;
visited[row * X + column] = false;
} else {
finished = true;
}
}
/**
* 功能： 根据当前位置(Point对象)，计算马儿还能走哪些位置(Point)，并放入到一个集合中(ArrayList), 最多有8个位置
* @param curPoint
* @return
*/
public static ArrayList<Point> next(Point curPoint) {
//创建一个ArrayList
ArrayList<Point> ps = new ArrayList<Point>();
//创建一个Point
Point p1 = new Point();
//表示马儿可以走5这个位置
if((p1.x = curPoint.x - 2) >= 0 && (p1.y = curPoint.y -1) >= 0) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走6这个位置
if((p1.x = curPoint.x - 1) >=0 && (p1.y=curPoint.y-2)>=0) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走7这个位置
if ((p1.x = curPoint.x + 1) < X && (p1.y = curPoint.y - 2) >= 0) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走0这个位置
if ((p1.x = curPoint.x + 2) < X && (p1.y = curPoint.y - 1) >= 0) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走1这个位置
if ((p1.x = curPoint.x + 2) < X && (p1.y = curPoint.y + 1) < Y) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走2这个位置
if ((p1.x = curPoint.x + 1) < X && (p1.y = curPoint.y + 2) < Y) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走3这个位置
if ((p1.x = curPoint.x - 1) >= 0 && (p1.y = curPoint.y + 2) < Y) {
ps.add(new Point(p1));
}
//判断马儿可以走4这个位置
if ((p1.x = curPoint.x - 2) >= 0 && (p1.y = curPoint.y + 1) < Y) {
ps.add(new Point(p1));
}
return ps;
}
//根据当前这个一步的所有的下一步的选择位置，进行非递减排序, 减少回溯的次数
public static void sort(ArrayList<Point> ps) {
ps.sort(new Comparator<Point>() {
@Override
public int compare(Point o1, Point o2) {
// TODO Auto-generated method stub
//获取到o1的下一步的所有位置个数
int count1 = next(o1).size();
//获取到o2的下一步的所有位置个数
int count2 = next(o2).size();
if(count1 < count2) {
return -1;
} else if (count1 == count2) {
return 0;
} else {
return 1;
}
}
});
}
}结果展示 注意: 二维数组中的数代表马儿移动的顺序!!!
在这里插入图片描述
游戏内的实践 注意: * 代表马的初始位置
在这里插入图片描述
成功通过~~~winner!!!
在这里插入图片描述
写在最后
在将马踏棋盘游戏通关后, 历时一个多月的数据结构与算法终于看完. 注意是看完而不是学习完. 因为数据结构学习作为程序员的基本素养的培养是长期的,他或许不能显著的提高我们的工作能力, 但却能够改变我们的思维方式, 给我们一个新的看世界的角度. 这些算法产生的原因都来源于生活, 它的实现又高于生活. 羡慕能够设计这些算法的大佬能够以自己的名字命名,能让自己在这个行业永垂青史! 或许这是许多程序员的终极目标吧! 不管我们掌握了多少, 既然选择了这一行业,就应该发扬卖油翁(熟能生巧)的精神和老黄牛(勤勤恳恳)的精神 不断学习, 取努力奔向成功吧! 或许, 将来在这个行业也会出现以你的名字命名的技术or算法呢? 而这谁又能说不是呢…
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原始发表：2020-03-26 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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