迷宫问题（maze problem）——深度优先（DFS）与广度优先搜索（BFS）求解

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1.问题简介

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：

int maze[5][5]={
    {0,0,0,0,0},
    {0,1,0,1,0},
    {0,1,1,0,0},
    {0,1,1,0,1},
    {0,0,0,0,0}
};

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。

2.求解方法

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.方法详解与具体实现

3.1深度优先搜索（DFS）加回溯求解第一条可行路径

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

#include 
#include 
using namespace std;

struct Point{  
    //行与列
    int row;  
    int col;  
    Point(int x,int y){
        this->row=x;
        this->col=y;
    }

    bool operator!=(const Point& rhs){
        if(this->row!=rhs.row||this->col!=rhs.col)
            return true;
        return false;
    }
};  

//func:获取相邻未被访问的节点
//para:mark:结点标记，point：结点，m：行，n：列
//ret:邻接未被访问的结点
Point getAdjacentNotVisitedNode(bool** mark,Point point,int m,int n){
    Point resP(-1,-1);
    if(point.row-1>=0&&mark[point.row-1][point.col]==false){//上节点满足条件
        resP.row=point.row-1;
        resP.col=point.col;
        return resP;
    }
    if(point.col+1=0&&mark[point.row][point.col-1]==false){//左节点满足条件
        resP.row=point.row;
        resP.col=point.col-1;
        return resP;
    }
    return resP;
}


//func：给定二维迷宫，求可行路径
//para:maze：迷宫；m：行；n：列；startP：开始结点 endP：结束结点； pointStack：栈，存放路径结点
//ret:无
void mazePath(void* maze,int m,int n,const Point& startP,Point endP,stack& pointStack){
    //将给定的任意列数的二维数组还原为指针数组，以支持下标操作
    int** maze2d=new int*[m];
    for(int i=0;i  pointStack;
    mazePath(maze,5,5,startP,endP,pointStack);

    //没有找打可行解
    if(pointStack.empty()==true)
        cout<<"no right path"< tmpStack;
        cout<<"path:";
        while(pointStack.empty()==false){
            tmpStack.push(pointStack.top());
            pointStack.pop();
        }
        while (tmpStack.empty()==false){
            printf("(%d,%d) ",tmpStack.top().row,tmpStack.top().col);
            tmpStack.pop();
        }
    }
    getchar();
}

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改进深度优先搜索（DFS）加回溯求解最短路径

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

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

struct Point{  
    //行与列
    int row;  
    int col;  
    Point(int x,int y){
        this->row=x;
        this->col=y;
    }

    bool operator!=(const Point& rhs){
        if(this->row!=rhs.row||this->col!=rhs.col)
            return true;
        return false;
    }

    bool operator==(const Point& rhs) const{
        if(this->row==rhs.row&&this->col==rhs.col)
            return true;
        return false;
    }
};  

int maze[5][5]={
    {0, 0, 0, 0,0},
    {0,-1, 0,-1,0},
    {0,-1,-1, 0,0},
    {0,-1,-1, 0,-1},
    {0, 0, 0, 0, 0}
};

//func:获取相邻未被访问的节点
//para:mark:结点标记；point：结点；m：行；n：列;endP:终点
//ret:邻接未被访问的结点
Point getAdjacentNotVisitedNode(int** mark,Point point,int m,int n,Point endP){
    Point resP(-1,-1);
    if(point.row-1>=0){
        if(mark[point.row-1][point.col]==0||mark[point.row][point.col]+1=0){
        if(mark[point.row][point.col-1]==0||mark[point.row][point.col]+1& pointStack,vector& vecPath){
    //将给定的任意列数的二维数组还原为指针数组，以支持下标操作
    int** maze2d=new int*[m];
    for(int i=0;i visitedEndPointPreNodeVec;

    //将起点入栈
    pointStack.push(startP);
    mark[startP.row][startP.col]=true;

    //栈不空并且栈顶元素不为结束节点
    while(pointStack.empty()==false){
        Point adjacentNotVisitedNode=getAdjacentNotVisitedNode(mark,pointStack.top(),m,n,endP);
        if(adjacentNotVisitedNode.row==-1){ //没有符合条件的相邻节点
            pointStack.pop(); //回溯到上一个节点
            continue;
        }
        if(adjacentNotVisitedNode==endP){//以较短的路劲，找到了终点,
            mark[adjacentNotVisitedNode.row][adjacentNotVisitedNode.col]=mark[pointStack.top().row][pointStack.top().col]+1;
            pointStack.push(endP);
            stack pointStackTemp=pointStack;
            vecPath.clear();
            while (pointStackTemp.empty()==false){
                vecPath.push_back(pointStackTemp.top());//这里vecPath存放的是逆序路径
                pointStackTemp.pop();
            }
            pointStack.pop(); //将终点出栈

            continue;
        }
        //入栈并设置访问标志为true
        mark[adjacentNotVisitedNode.row][adjacentNotVisitedNode.col]=mark[pointStack.top().row][pointStack.top().col]+1;
        pointStack.push(adjacentNotVisitedNode);
    }
}

int main(){
    Point startP(0,0);
    Point endP(4,4);
    stack  pointStack;
    vector vecPath;
    mazePath(maze,5,5,startP,endP,pointStack,vecPath);

    if(vecPath.empty()==true)
        cout<<"no right path"<row,i->col);
    }

    getchar();
}

程序输出最短路径如下： 

如果将程序的迷宫改为如下:

int maze[5][3]={
0, -1, 0, 
0, -1 ,0,
1, -1, 0 ,
0, -1, 0,
0 ,0,  0};

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。

3.3广度优先搜索（BFS）求解迷宫的最短路径

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：

#include 
#include 
using namespace std;

struct Point{  
    //行与列
    int row;  
    int col;  

    //默认构造函数
    Point(){
        row=col=-1;
    }

    Point(int x,int y){
        this->row=x;
        this->col=y;
    }

    bool operator==(const Point& rhs) const{
        if(this->row==rhs.row&&this->col==rhs.col)
            return true;
        return false;
    }
};

int maze[5][5]={
    {0,0,0,0,0},
    {0,1,0,1,0},
    {0,1,1,1,0},
    {0,1,0,0,1},
    {0,0,0,0,0}
};

void mazePath(void* maze,int m,int n, Point& startP, Point endP,vector& shortestPath){
    int** maze2d=new int*[m];
    for(int i=0;i queuePoint;
    queuePoint.push(startP);
    //将起点的前驱节点设置为自己
    mark[startP.row][startP.col]=startP;

    while(queuePoint.empty()==false){
        Point pointFront=queuePoint.front();
        queuePoint.pop();

        if(pointFront.row-1>=0 && maze2d[pointFront.row-1][pointFront.col]==0){//上节点连通
            if(mark[pointFront.row-1][pointFront.col]==Point()){//上节点未被访问，满足条件，如队列
                mark[pointFront.row-1][pointFront.col]=pointFront;
                queuePoint.push(Point(pointFront.row-1,pointFront.col)); //入栈
                if(Point(pointFront.row-1,pointFront.col)==endP){ //找到终点
                    break;
                }
            }
        }

        if(pointFront.col+1=0 && maze2d[pointFront.row][pointFront.col-1]==0){//左节点连通
            if(mark[pointFront.row][pointFront.col-1]==Point()){//上节点未被访问，满足条件，如队列
                mark[pointFront.row][pointFront.col-1]=pointFront;
                queuePoint.push(Point(pointFront.row,pointFront.col-1));    //入栈
                if(Point(pointFront.row,pointFront.col-1)==endP){ //找到终点
                    break;
                }
            }
        }
    }
    if(queuePoint.empty()==false){
        int row=endP.row;
        int col=endP.col;
        shortestPath.push_back(endP);
        while(!(mark[row][col]==startP)){
            shortestPath.push_back(mark[row][col]);
            row=mark[row][col].row;
            col=mark[row][col].col;
        }
        shortestPath.push_back(startP);
    }
}

int main(){
    Point startP(0,0);
    Point endP(4,4);
    vector vecPath;
    mazePath(maze,5,5,startP,endP,vecPath);

    if(vecPath.empty()==true)
        cout<<"no right path"<row,i->col);
    }

    getchar();
}

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。

小结

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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参考文献

[1]http://blog.csdn.net/a1259109679/article/details/48084951 
[2]http://blog.csdn.net/bone_ace/article/details/41283585

 

 

https://blog.csdn.net/K346K346/article/details/51289478