很多经典的数学问题都可以用回溯算法解决,比如数独、八皇后、0-1 背包、图的着色、旅行商问题、全排列等等。
笼统地讲,回溯算法很多时候都应用在“搜索”这类问题上。不过这里说的搜索,并不是狭义的指我们前面讲过的图的搜索算法,而是在一组可能的解中,搜索满足期望的解。
回溯的处理思想,有点类似枚举搜索。我们枚举所有的解,找到满足期望的解。为了有规律地枚举所有可能的解,避免遗漏和重复,我们把问题求解的过程分为多个阶段。每个阶段,我们都会面对一个岔路口,我们先随意选一条路走,当发现这条路走不通的时候(不符合期望的解),就回退到上一个岔路口,另选一种走法继续走。
回溯算法的理论知识很容易弄懂。不过,对于新手来说,比较难的是用递归来实现。所以,我们再通过两个例子,来练习一下回溯算法的应用和实现。
0-1 背包是非常经典的算法问题,很多场景都可以抽象成这个问题模型。这个问题的经典解法是动态规划,不过还有一种简单但没有那么高效的解法,那就是今天讲的回溯算法。动态规划的解法我下一节再讲,我们先来看下,如何用回溯法解决这个问题。
0-1 背包问题有很多变体,我这里介绍一种比较基础的。我们有一个背包,背包总的承载重量是 Wkg。现在我们有 n 个物品,每个物品的重量不等,并且不可分割。我们现在期望选择几件物品,装载到背包中。在不超过背包所能装载重量的前提下,如何让背包中物品的总重量最大?
实际上,背包问题我们在贪心算法那一节,已经讲过一个了,不过那里讲的物品是可以分割的,我可以装某个物品的一部分到背包里面。今天讲的这个背包问题,物品是不可分割的,要么装要么不装,所以叫 0-1 背包问题。显然,这个问题已经无法通过贪心算法来解决了。我们现在来看看,用回溯算法如何来解决。
对于每个物品来说,都有两种选择,装进背包或者不装进背包。对于 n 个物品来说,总的装法就有 2^n 种,去掉总重量超过 Wkg 的,从剩下的装法中选择总重量最接近 Wkg 的。不过,我们如何才能不重复地穷举出这 2^n 种装法呢?
这里就可以用回溯的方法。我们可以把物品依次排列,整个问题就分解为了 n 个阶段,每个阶段对应一个物品怎么选择。先对第一个物品进行处理,选择装进去或者不装进去,然后再递归地处理剩下的物品。描述起来很费劲,我们直接看代码,反而会更加清晰一些。
这里还稍微用到了一点搜索剪枝的技巧,就是当发现已经选择的物品的重量超过 Wkg 之后,我们就停止继续探测剩下的物品。你可以看我写的具体的代码。
public int maxW = Integer.MIN_VALUE; // 存储背包中物品总重量的最大值
// cw 表示当前已经装进去的物品的重量和;i 表示考察到哪个物品了;
// w 背包重量;items 表示每个物品的重量;n 表示物品个数
// 假设背包可承受重量 100,物品个数 10,物品重量存储在数组 a 中,那可以这样调用函数:
// f(0, 0, a, 10, 100)
public void f(int i, int cw, int[] items, int n, int w) {
if (cw == w || i == n) { // cw==w 表示装满了 ;i==n 表示已经考察完所有的物品
if (cw > maxW) maxW = cw;
return;
}
f(i+1, cw, items, n, w);
if (cw + items[i] <= w) {// 已经超过可以背包承受的重量的时候,就不要再装了
f(i+1,cw + items[i], items, n, w);
}
}
看懂了 0-1 背包问题,我们再来看另外一个例子,正则表达式匹配。
对于一个开发工程师来说,正则表达式你应该不陌生吧?在平时的开发中,或多或少都应该用过。实际上,正则表达式里最重要的一种算法思想就是回溯。
正则表达式中,最重要的就是通配符,通配符结合在一起,可以表达非常丰富的语义。为了方便讲解,我假设正表达式中只包含“”和“?”这两种通配符,并且对这两个通配符的语义稍微做些改变,其中,“”匹配任意多个(大于等于 0 个)任意字符,“?”匹配零个或者一个任意字符。基于以上背景假设,我们看下,如何用回溯算法,判断一个给定的文本,能否跟给定的正则表达式匹配?
我们依次考察正则表达式中的每个字符,当是非通配符时,我们就直接跟文本的字符进行匹配,如果相同,则继续往下处理;如果不同,则回溯。
如果遇到特殊字符的时候,我们就有多种处理方式了,也就是所谓的岔路口,比如“*”有多种匹配方案,可以匹配任意个文本串中的字符,我们就先随意的选择一种匹配方案,然后继续考察剩下的字符。如果中途发现无法继续匹配下去了,我们就回到这个岔路口,重新选择一种匹配方案,然后再继续匹配剩下的字符。
有了前面的基础,是不是这个问题就好懂多了呢?我把这个过程翻译成了代码,你可以结合着一块看下,应该有助于你理解。
public class Pattern {
private boolean matched = false;
private char[] pattern; // 正则表达式
private int plen; // 正则表达式长度
public Pattern(char[] pattern, int plen) {
this.pattern = pattern;
this.plen = plen;
}
public boolean match(char[] text, int tlen) { // 文本串及长度
matched = false;
rmatch(0, 0, text, tlen);
return matched;
}
private void rmatch(int ti, int pj, char[] text, int tlen) {
if (matched) return; // 如果已经匹配了,就不要继续递归了
if (pj == plen) { // 正则表达式到结尾了
if (ti == tlen) matched = true; // 文本串也到结尾了
return;
}
if (pattern[pj] == '*') { // * 匹配任意个字符
for (int k = 0; k <= tlen-ti; ++k) {
rmatch(ti+k, pj+1, text, tlen);
}
} else if (pattern[pj] == '?') { // ? 匹配 0 个或者 1 个字符
rmatch(ti, pj+1, text, tlen);
rmatch(ti+1, pj+1, text, tlen);
} else if (ti < tlen && pattern[pj] == text[ti]) { // 纯字符匹配才行
rmatch(ti+1, pj+1, text, tlen);
}
}
}