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问题背景
迷宫问题是一个经典的算法问题，指标是找到从迷宫的终点到起点的 最短门路 ，在程序中能够简略的形象成一个 M * N 的二维数组矩阵，而后咱们须要从这个二维矩阵中找到 从终点到起点的最短门路。其中，通常应用 0 示意可行走的路，用 1 示意障碍物，终点和起点别离标记为 S 和 E。例如，下图是一个简略的迷宫问题：
0 0 0 0 0 0
0 1 0 1 1 0
0 1 0 0 0 0
0 0 1 1 0 0
0 1 0 1 0 0
S 0 0 0 E 0在这个迷宫中，数字 0 示意可行走的路，数字 1 示意障碍物，S 示意终点，E 示意起点。
利用场景
迷宫问题在现实生活中有很多理论利用例子：
- 机器人导航：在机器人导航中，机器人须要依据传感器获取的信息来布局门路，从终点到起点。这个过程能够应用迷宫问题的算法来实现，如应用 A* 算法来找到最短门路。
- 游戏设计：迷宫问题能够利用于各种类型的游戏中，如谜题解决游戏和角色扮演游戏。在这些游戏中，玩家须要找到一条从终点到起点的门路，同时防止遇到障碍物或危险。
- 主动驾驶：在主动驾驶汽车中，汽车须要遵循交通规则、防止障碍物并找到最短门路。这也能够应用迷宫问题的算法来实现，如应用 A* 算法来找到最短门路。
- 网络路由：网络路由器须要在各种网络拓扑中寻找最佳门路，以确保数据包在网络中传输时尽可能疾速和牢靠。这也能够应用迷宫问题的算法来实现，如应用 A* 算法来找到最短门路。
- 地图利用：在地图利用中，用户须要依据终点和起点寻找最佳门路。这能够应用迷宫问题的算法来实现，如应用 A* 算法来找到最短门路。
罕用算法
求解迷宫问题的算法有多种，其中最常见的是 深度优先搜寻（DFS）算法 、 广度优先搜寻（BFS）算法 和A* 搜索算法。本文将别离介绍这两种算法的实现形式及其优缺点。
深度优先搜寻（DFS）算法
深度优先搜寻（DFS）是一种基于栈或递归的搜索算法，从终点开始，一直地往深处遍历，直到找到起点或无奈持续往下搜寻。在迷宫问题中，DFS 会先选取一个方向往前走，直到无奈后退为止，而后返回上一个节点，尝试其余方向。
DFS 的核心思想是回溯，即在走到绝路时，返回上一个节点，从而摸索其余方向。具体实现上，能够应用递归函数或栈来保护待拜访的节点。
import java.util.*;
public class MazeSolver {
// 迷宫的行数和列数
static final int ROW = 5;
static final int COL = 5;
// 迷宫的地图，0 示意能够通过的路，1 示意墙壁，2 示意曾经走过的路
static int[][] map = new int[][]{{0, 1, 1, 1, 1},
{0, 0, 0, 1, 1},
{1, 1, 0, 0, 1},
{1, 1, 1, 0, 1},
{1, 1, 1, 0, 0}
};
// 迷宫的终点和起点
static final int startX = 0;
static final int startY = 0;
static final int endX = 4;
static final int endY = 4;
// 存储搜寻门路
static List<int[]> path = new ArrayList<>();
// DFS 搜寻迷宫
public static void dfs(int x, int y) {
// 如果以后地位是起点，则搜寻实现
if (x == endX && y == endY) {
// 打印搜寻门路
for (int[] p : path) {System.out.print("(" + p[0] + "," + p[1] + ")");
}
System.out.println("(" + x + "," + y + ")");
return;
}
// 标记以后地位曾经走过
map[x][y] = 2;
// 将以后地位退出搜寻门路
path.add(new int[]{x, y});
// 别离搜寻以后地位的上下左右四个方向
if (x > 0 && map[x-1][y] == 0) {dfs(x-1, y);
}
if (y > 0 && map[x][y-1] == 0) {dfs(x, y-1);
}
if (x < ROW-1 && map[x+1][y] == 0) {dfs(x+1, y);
}
if (y < COL-1 && map[x][y+1] == 0) {dfs(x, y+1);
}
// 如果没有找到起点，将以后地位从搜寻门路中移除
path.remove(path.size()-1);
}
public static void main(String[] args) {dfs(startX, startY);
}
}
深度优先搜寻（DFS）的长处：
- 实现简略，不须要额定的数据结构。
- 对于有解的迷宫问题，深度优先搜寻可能保障找到一条门路，且门路长度可能会比广度优先搜寻短。
- 在空间较大的状况下，深度优先搜寻能够占用更少的内存，因为它只须要保护以后门路上的节点，而不须要保护所有已拜访过的节点。
深度优先搜寻的毛病：
- 搜寻的门路可能会非常复杂，可能会陷入死循环或长时间不停的搜寻。
- 对于无解的迷宫问题，深度优先搜寻可能会有限地搜寻上来，直到栈溢出或程序解体。
- 当要求找到最短门路时，深度优先搜寻不能保障肯定能找到最短门路，因为它是基于回溯的思维，可能会跳过一些更短的门路。
- 当搜寻树的深度很大时，深度优先搜寻可能会导致栈溢出的问题。
广度优先搜寻（BFS）
广度优先搜寻（BFS）算法是一种奢侈的搜索算法，它从终点开始逐渐扩大搜寻范畴，直到找到指标节点为止。在搜寻过程中，BFS 会先拜访终点四周的所有节点，再拜访这些节点四周的所有节点，以此类推。因而，BFS 能够保障找到的门路是最短的，但它的工夫复杂度可能很高，尤其是在搜寻空间较大时。
上面是一个基于 BFS 算法的示例代码，用于在一个图中搜寻从终点到指标节点的最短门路：
import java.util.*;
public class MazeSolver {public static void main(String[] args) {
// 定义迷宫
int[][] maze = {{0, 1, 0, 0, 0},
{0, 1, 0, 1, 0},
{0, 0, 0, 0, 0},
{0, 1, 1, 1, 0},
{0, 0, 0, 1, 0}
};
// 寻找门路
List<int[]> path = solve(maze, new int[]{0, 0}, new int[]{4, 2});
// 输入门路
if (path != null) {for (int[] point : path) {System.out.println(Arrays.toString(point));
}
} else {System.out.println("No solution found.");
}
}
public static List<int[]> solve(int[][] maze, int[] start, int[] end) {
// 定义宽度优先搜寻所需的队列
Queue<int[]> queue = new LinkedList<>();
queue.add(start);
// 定义门路跟踪数组
Map<int[], int[]> trace = new HashMap<>();
trace.put(start, null);
// 定义曾经拜访过的点汇合
Set<int[]> visited = new HashSet<>();
visited.add(start);
// 定义方向数组，别离示意上下左右四个方向
int[][] directions = {{-1, 0}, {1, 0}, {0, -1}, {0, 1}};
// 开始搜寻
while (!queue.isEmpty()) {
// 取出队列中的下一个点
int[] current = queue.poll();
// 如果以后点是起点，返回门路
if (Arrays.equals(current, end)) {List<int[]> path = new ArrayList<>();
while (current != null) {path.add(current);
current = trace.get(current);
}
Collections.reverse(path);
return path;
}
// 遍历四个方向
for (int[] direction : directions) {int[] neighbor = new int[]{current[0] + direction[0], current[1] + direction[1]};
// 如果街坊在迷宫范畴内，且没有被拜访过，且不是墙，退出队列和拜访汇合，并记录门路
if (neighbor[0] >= 0 && neighbor[0] < maze.length &&
neighbor[1] >= 0 && neighbor[1] < maze[0].length &&
!visited.contains(neighbor) && maze[neighbor[0]][neighbor[1]] == 0) {queue.add(neighbor);
visited.add(neighbor);
trace.put(neighbor, current);
}
}
}
// 如果搜寻完结还没有找到门路，返回 null
return null;
}
}
广度优先搜寻（BFS）的长处：
- 找到的第一条门路肯定是最短的，因为 BFS 是依照层级逐个搜寻的，一旦搜寻到指标状态，那么就能够保障这是最短门路。
- 能够搜寻出所有可行的门路，而不是仅仅找到一条门路。这对于一些须要获取所有解的问题十分有用。
- 在搜寻树比拟小的状况下，BFS 的搜寻速度十分快。
广度优先搜寻（BFS）的毛病：
- 空间占用比拟大。在搜寻过程中，须要将所有曾经扩大出的状态都存储在内存中，所以 BFS 须要较多的内存空间，尤其是在搜寻树比拟大的状况下。
- 在搜寻树比拟大的状况下，BFS 的工夫复杂度很高。当搜寻树十分大时，BFS 须要搜寻大量的状态，因而工夫复杂度会十分高。
- 不能解决有限状态空间问题，即状态空间无限大的问题，例如无限大的图。
A* 搜索算法
A 搜索算法是一种启发式搜索算法，它在广度优先搜寻的根底上引入了启发函数，以更疾速、更精确地搜寻最短门路。启发函数能够评估每个搜寻节点到指标节点的预计间隔，从而优化搜寻方向。具体实现时，能够用一个优先队列来保留搜寻节点，并依照优先级顺次取出每个节点进行搜寻。其中，优先级的计算形式为 f(n) = g(n) + h(n)，其中 g(n) 示意从终点到节点 n 的理论间隔，h(n) 示意从节点 n 到起点的预计间隔。应用启发函数的优化可能大幅缩小搜寻工夫。
上面是一个基于 A* 算法的示例代码
import java.util.*;
public class AStar {public static int[] solve(int[][] maze, int[] start, int[] end) {
int n = maze.length;
int m = maze[0].length;
// 将终点退出 openSet 汇合中
PriorityQueue<int[]> openSet = new PriorityQueue<>((a, b) -> (a[2] + a[3]) - (b[2] + b[3]));
openSet.offer(new int[]{start[0], start[1], 0, estimateDistance(start, end)});
// 记录每个点是否曾经被拜访过
Set<Integer> visited = new HashSet<>();
visited.add(start[0] * m + start[1]);
while (!openSet.isEmpty()) {
// 取出 f 值最小的点
int[] cur = openSet.poll();
int x = cur[0];
int y = cur[1];
// 如果该点是起点，则返回门路
if (x == end[0] && y == end[1]) {return new int[]{cur[2], cur[3]};
}
// 将该点的所有街坊退出 openSet 中
int[][] neighbors = new int[][]{{x - 1, y}, {x + 1, y}, {x, y - 1}, {x, y + 1}};
for (int[] neighbor : neighbors) {int nx = neighbor[0];
int ny = neighbor[1];
// 判断街坊是否越界或者是障碍物
if (nx < 0 || nx >= n || ny < 0 || ny >= m || maze[nx][ny] == 1) {continue;}
// 如果街坊曾经被拜访过，则跳过
int code = nx * m + ny;
if (visited.contains(code)) {continue;}
// 计算街坊的 g 值和 h 值
int g = cur[2] + 1;
int h = estimateDistance(neighbor, end);
// 将街坊退出 openSet 中
openSet.offer(new int[]{nx, ny, g, h});
visited.add(code);
}
}
// 如果 openSet 汇合为空，则阐明不存在可行门路
return new int[]{-1, -1};
}
// 计算估价函数值（曼哈顿间隔）private static int estimateDistance(int[] start, int[] end) {return Math.abs(start[0] - end[0]) + Math.abs(start[1] - end[1]);
}
public static void main(String[] args) {
// 定义迷宫
int[][] maze = {{0, 1, 0, 0, 0},
{0, 1, 0, 1, 0},
{0, 0, 0, 0, 0},
{0, 1, 1, 1, 0},
{0, 0, 0, 1, 0}
};
// 寻找门路
int[] path = solve(maze, new int[]{0, 0}, new int[]{4, 2});
// 输入门路
if (path != null) {System.out.println(Arrays.toString(path));
} else {System.out.println("No solution found.");
}
solve(maze, maze[1], maze[3]);
}
}
A* 算法的长处：
- A* 算法综合思考了启发式函数和理论代价，因而搜寻效率比拟高。
- A* 算法能够找到最短门路，并且可能保障找到的第一条门路肯定是最优门路。
A* 算法的毛病：
- 启发式函数的抉择十分要害，不同的启发式函数会导致不同的搜寻后果。如果启发式函数不够精确，那么搜寻后果可能不是最优的。
- A算法须要存储 OPEN 表和 CLOSED 表，占用的内存比拟大。如果状态空间比拟大，那么 A 算法的效率会变得非常低。
- A* 算法的实现比较复杂，须要对每个状态进行估价和排序，因而算法的实现难度比拟大。
总之，A* 算法是一种十分实用的搜索算法，在门路布局、游戏 AI 等畛域失去广泛应用。在理论利用中，咱们须要依据具体问题的特点抉择适合的启发式函数，并且须要思考算法的内存占用和搜寻效率。
总结
咱们总结一下，在迷宫问题中，深度优先搜寻（DFS）、广度优先搜寻（BFS）和 A* 都能够用来寻找最短门路或最优解。
DFS 实用于以下状况：
- 空间要求低，不须要保留整个搜寻树，只须要保留以后门路；
- 所有解的门路长度差异不大，或者只须要找到其中一个解；
- 迷宫比拟大，而且有很多绝路，采纳 DFS 能够疾速摸索大面积空间。
BFS 实用于以下状况：
- 须要找到最短门路或最优解；
- 迷宫中大部分门路长度差异不大；
- 能够接受较大的空间复杂度，须要保留整个搜寻树。
A* 算法实用于以下状况：
- 须要找到最短门路或最优解；
- 须要思考迷宫中的障碍物，即寻找一条避开障碍物的门路；
- 迷宫比拟大，然而大多数门路都很长，采纳 BFS 不事实；
- 启发函数选取切当的话，搜寻效率很高。
总体来说，DFS 适宜摸索大面积空间，BFS 适宜寻找最短门路，A* 算法综合了 BFS 和启发式搜寻的长处，更适宜寻找最短门路且迷宫中有障碍物的状况。
正文完
