24点经典算法

1、概述

　　给定4个整数，其中每个数字只能使用一次；任意使用 + - * / ( ) ，构造出一个表达式，使得最终结果为24，这就是常见的算24点的游戏。这方面的程序很多，一般都是穷举求解。本文介绍一种典型的算24点的程序算法，并给出两个具体的算24点的程序：一个是面向过程的C实现，一个是面向对象的java实现。

　　2、基本原理

　　基本原理是穷举4个整数所有可能的表达式，然后对表达式求值。

　　表达式的定义： expression = (expression|number) operator (expression|number)

　　因为能使用的4种运算符 + - * / 都是2元运算符，所以本文中只考虑2元运算符。2元运算符接收两个参数，输出计算结果，输出的结果参与后续的计算。

　　由上所述，构造所有可能的表达式的算法如下：

　　(1) 将4个整数放入数组中

　　(2) 在数组中取两个数字的排列，共有 P(4,2) 种排列。对每一个排列，

　　(2.1) 对 + - * / 每一个运算符，

　　(2.1.1) 根据此排列的两个数字和运算符，计算结果

　　(2.1.2) 改表数组：将此排列的两个数字从数组中去除掉，将 2.1.1 计算的结果放入数组中

　　(2.1.3) 对新的数组，重复步骤 2

　　(2.1.4) 恢复数组：将此排列的两个数字加入数组中，将 2.1.1 计算的结果从数组中去除掉

　　可见这是一个递归过程。步骤 2 就是递归函数。当数组中只剩下一个数字的时候，这就是表达式的最终结果，此时递归结束。

　　在程序中，一定要注意递归的现场保护和恢复，也就是递归调用之前与之后，现场状态应该保持一致。在上述算法中，递归现场就是指数组，2.1.2 改变数组以进行下一层递归调用，2.1.3 则恢复数组，以确保当前递归调用获得下一个正确的排列。

　　括号 () 的作用只是改变运算符的优先级，也就是运算符的计算顺序。所以在以上算法中，无需考虑括号。括号只是在输出时需加以考虑。

　　3、面向过程的C实现

　　这是 csdn 算法论坛前版主海星的代码，程序非常简练、精致：

#include　　
#include　　
#include　　
using　namespace　std;　
const　double　PRECISION　=　1E-6;　
const　int　COUNT_OF_NUMBER　　=　4;　
const　int　NUMBER_TO_BE_CAL　=　24;　
double　number[COUNT_OF_NUMBER];　
string　expression[COUNT_OF_NUMBER];　
bool　Search(int　n)　
{　
　　　 if　(n　==　1)　{　
　　　　　　　 if　(　fabs(number[0]　-　NUMBER_TO_BE_CAL)　<　PRECISION　)　{　
　　　　　　　　　　　 cout　<<　expression[0]　<<　endl;　
　　　　　　　　　　　 return　true;　
　　　　　　　 }　else　{　
　　　　　　　　　　　 return　false;　
　　　　　　　 }　
　　　 }　
　　　 for　(int　i　=　0;　i　<　n;　i++)　{　
　　　　　　　 for　(int　j　=　i　+　1;　j　<　n;　j++)　{　
　　　　　　　　　　　 double　a,　b;　
　　　　　　　　　　　 string　expa,　expb;　
　　　　　　　　　　　 a　=　number[i];　
　　　　　　　　　　　 b　=　number[j];　
　　　　　　　　　　　 number[j]　=　number[n　-　1];　
　　　　　　　　　　　 expa　=　expression[i];　
　　　　　　　　　　　 expb　=　expression[j];　
　　　　　　　　　　　 expression[j]　=　expression[n　-　1];　
　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expa　+　'+'　+　expb　+　')';　
　　　　　　　　　　　 number[i]　=　a　+　b;　
　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expa　+　'-'　+　expb　+　')';　
　　　　　　　　　　　 number[i]　=　a　-　b;　
　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expb　+　'-'　+　expa　+　')';　
　　　　　　　　　　　 number[i]　=　b　-　a;　
　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expa　+　'*'　+　expb　+　')';　
　　　　　　　　　　　 number[i]　=　a　*　b;　
　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　 if　(b　!=　0)　{　
　　　　　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expa　+　'/'　+　expb　+　')';　
　　　　　　　　　　　　　　　 number[i]　=　a　/　b;　
　　　　　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　 }　　
　　　　　　　　　　　 if　(a　!=　0)　{　
　　　　　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　'('　+　expb　+　'/'　+　expa　+　')';　
　　　　　　　　　　　　　　　 number[i]　=　b　/　a;　
　　　　　　　　　　　　　　　 if　(　Search(n　-　1)　)　return　true;　
　　　　　　　　　　　 }　
　　　　　　　　　　　 number[i]　=　a;　
　　　　　　　　　　　 number[j]　=　b;　
　　　　　　　　　　　 expression[i]　=　expa;　
　　　　　　　　　　　 expression[j]　=　expb;　
　　　　　　　 }　
　　　 }　
　　　 return　false;　
}　
void　main()　
{　
　　　 for　(int　i　=　0;　i　<　COUNT_OF_NUMBER;　i++)　{　
　　　　　　　 char　buffer[20];　
　　　　　　　 int　　x;　
　　　　　　　 cin　>>　x;　
　　　　　　　 number[i]　=　x;　
　　　　　　　 itoa(x,　buffer,　10);　
　　　　　　　 expression[i]　=　buffer;　
　　　 }　
　　　 if　(　Search(COUNT_OF_NUMBER)　)　{　
　　　　　　　 cout　<<　"Success."　<<　endl;　
　　　 }　else　{　
　　　　　　　 cout　<<　"Fail."　<<　endl;　
　　　 }　　　　　　　　　
}　

　　使用任一个 c++ 编译器编译即可。

　　这个程序的算法与 2、基本原理所述的算法基本相同。其中 bool Search(int n) 就是递归函数，double number[] 就是数组。程序中比较重要的地方解释如下：

　　(1) string expression[] 存放每一步产生的表达式，最后的输出中要用到。expression[] 与 number[] 类似，也是递归调用的现场，必须在下一层递归调用前改变、在下一层递归调用后恢复。

　　(2) number[] 数组长度只有4。在 search() 中，每次取出两个数后，使用局部变量 a, b 保存这两个数，同时数组中加入运算结果，并调整数组使得有效的数字都排列在数组前面。在下一层递归调用后，利用局部变量 a, b 恢复整个数组。对 expression[] 的处理与 number[] 类似。

　　(3) 因为 + * 满足交换率而 - / 不满足，所以程序中，从数组生成两个数的排列，

　　for (int i = 0; i < n; i++) {

　　for (int j = i + 1; j < n; j++) {

　　其内层循环 j 是从 i+1 -> n，而非从 0->n ，因为对于交换率来说，两个数字的顺序是无所谓的。当然，循环内部对 - / 做了特殊处理，计算了 a-b b-a a/b b/a 四种情况。

　　(4) 此程序只求出第一个解。当求出第一个解时，通过层层 return true 返回并输出结果，然后程序结束。

　　(5) 以 double 来进行求解，定义精度，用以判断是否为 24 。考虑 (5-1/5)*5 这个表达式就知道这么做的原因了。

　　(6) 输出时，为每个表达式都添加了括号。