DFS初入门

目录

一、前言

二、搜索与暴力法

1、概念

2、搜索的基本思路

3、BFS：一群老鼠走迷宫

4、DFS：一只老鼠走迷宫

三、DFS

1、DFS访问示例

2、DFS的常见操作

3、DFS基础：递归和记忆化搜索

4、DFS的代码框架（大量编码后回头体会）

5、DFS：保护现场、恢复现场

6、DFS：搜索和输出所有路径

（1）模拟路径过程

（2）DFS搜索所有路径

（3）路径问题：BFS 和 DFS

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一、前言

DFS 的本质就是递归，不同的是在递归的过程中加点料，由于递归的特殊操作模式，人脑很难模拟整个过程，而从我们熟知的排列数字和八皇后可以看出，基本套路是先枚举本层的所有可能，再进行递归，也就是枚举所有本层兄弟的可能，再向下走，而下一层也是这样的过程。关于是否回溯，其实只要是递归就要回溯，所以必定有返回值，有的人认为恢复现场就是回溯，其实是不正确的。关于是否需要恢复现场，如果后面操作涉及到前面的内容，则需要恢复现场，但是如果是树的重心这道题，则不需要，根本原因在于变量的作用范围，用变量记录了子树中节点的个数，每个节点遍历过程也不需要重复，所以不需要恢复现场。递归的逻辑自洽，是能够在某个节点结束递归（一般是在最后一层或者叶子结点），而且不管哪一层的操作过程都是相同的，就可以使用递归，这样理解树的重心会更加容易些。

二、搜索与暴力法

1、概念

搜索：“暴力法” 算法思想的具体实现。

搜索：“通用” 的方法。一个问题，如果比较难，那么先尝试一下搜索，或许能启发出更好的算法。

技巧：竞赛时遇到不会的难题，用搜索提交一下，说不定部分判题数据很弱，得分了!

【暴力法】

暴力法 (Brute force，又译为蛮力法)。

把所有可能性都列举出来，一一验证。简单直接！

利用计算机强大的计算能力和存储能力。

蛮力法也是一种重要的算法设计技术：

（1）理论上，蛮力法可以解决可计算领域的各种问题。

（2）蛮力法经常用来解决一些较小规模的问题。

（3）对于一些重要的问题蛮力法可以产生一些合理的算法，具备一些实用价值，而且不受问题规模的限制。

（4）蛮力法可以作为某类问题时间性能的底限，来衡量同样问题的更高效算法。

【蛮力的基本方法】⭐⭐⭐

蛮力的基本方法——扫描

关键——依次处理所有元素

基本的扫描技术——遍历

（1）集合的遍历

（2）线性表的遍历

（3）树的遍历

（4）图的遍历

2、搜索的基本思路

【BFS】

Breadth-First Search，宽度优先搜索，或称为广度优先搜索

【DFS】

Depth-First Search，深度优先搜索

3、BFS：一群老鼠走迷宫

• 老鼠无限多；
• 在每个路口，都派出部分老鼠探索所有没走过的路；
• 走某条路的老鼠，如果碰壁无法前行，就停下；
• 如果到达的路口已经有别的老鼠探索过了，也停下；
• 所有的道路都会走到，而且不会重复。

全面扩散、逐层递进

4、DFS：一只老鼠走迷宫

• 只有一只老鼠；
• 在每个路口，都选择先走右边（当然，选择先走左边也可以)，能走多远就走多远；
• 碰壁无法再继续往前走，回退一步，这一次走左边，然后继续往下走；
• 能走遍所有的路，而且不会重复 (回退不算重复)。

一路到底、逐层回退

三、DFS

1、DFS访问示例

设先访问左节点，后访问右节点

模拟老鼠走迷宫

访问顺序：{E B A D C G F I H}。

2、DFS的常见操作

DFS的代码比BFS更简短。

DFS的主要操作：

        时间戳

                DFS序

                树深度

                子树节点数

                中序输出

                先序输出

                后序输出

3、DFS基础：递归和记忆化搜索

• 形式上，递归函数是 “自己调用自己”，是一个不断 “重复” 的过程。
• 递归的思想，是把大问题逐步缩小，直到变成最小的同类问题的过程，而最后的小问题的解是已知的，一般是给定的初始条件。
• 到达最小问题后，再“回溯”，把小问题的解逐个带回给更大的问题，最终最大问题也得到了解决。
• 递归有两个过程：递归前进、递归返回（回溯）。
• 在递归的过程中，由于大问题和小问题的解决方法完全一样，那么大问题的代码和小问题的代码可以写成一样。
• 一个递归函数，直接调用自己，实现了程序的复用。

例如：斐波那契数列

递推式：f(n)=f(n-1)+f(n-2)

打印第20个数：

fib=[0]*25
fib[1]=1
fib[2]=1
for i in range(3,21):
    fib[i]=fib[i-1]+fib[i-2]
print(fib[20])

改用递归实现：

def fib(n):
    global cnt
    cnt+=1
    if n==1 or n==2:
        return 1
    return fib(n-1)+fib(n-2)    #递归调用自己2次，复杂度O(2^n)

cnt=0
print(fib(20))
print(cnt)          #递归了cnt=13529次

递推和递归两种代码，结果一样，计算量差别巨大：

递推代码：一个 for 循环，计算 20 次。

递归代码：计算第 20 个斐波那契数，共计算 cnt=13529 次。

为什么斐波那契的递归代码如此低效？

 【原因】

代码低效的原因：return fib(n-1)+fib(n-2)

递归调用了自己 2 次，倍增计算 fib(n) 时，共执行了 O(2^n) 次递归

不过，很多递归函数只调用自己一次，不会额外增加计算量。

【改进：记忆化】

递归的过程中做了重复工作，例如 fib(3) 计算了 2 次，其实只算 1 次就够了。

为避免递归时重复计算，可以在子问题得到解决时，就保存结果，再次需要这个结果时，直接返回保存的结果就行了，不继续递归下去。这种存储已经解决的子问题结果的技术称为 “记忆化（Memoization）”。

记忆化是递归的常用优化技术。动态规划也常常用递归写代码，记忆化也是动态规划的关键技术。

import sys
sys.setrecursionlimit(30000)    #设置递归深度
def fib(n):
    global cnt
    cnt+=1
    if n==1 or n==2:
        data[n]=1
        return data[n]
    if data[n]!=0:
        return data[n]
    data[n]=fib(n-1)+fib(n-2)
    return data[n]
data=[0]*3005
cnt=0
print(fib(300))
print(cnt)

递归的关键问题：递归深度不能太大。

Python 默认递归深度 1000，如果递归深度太大，提示 "maximum recursion depth exceeded in comparison"。

用 sys.setrecursionlimit() 设置递归深度。

常常有深度大于 1000 的递归题目

4、DFS的代码框架（大量编码后回头体会）

DFS的框架，请在大量编码的基础上，再回头体会这个框架的作用。

5、DFS：保护现场、恢复现场

在 DFS 框架中，最让初学者费解的是第 10 行和第 12 行。

第 10 行的 used[i]=1，称为“保存现场”，或“占有现场”。

第 12 行的 used[i]=0，称为“恢复现场”，或“释放现场”。

6、DFS：搜索和输出所有路径

【题目描述】给出一张图，输出从起点到终点的所有路径。

【输入描述】第一行是整数 n, m，分别是行数和列数。后面 n 行，每行 m 个符号。'@' 是起点， '*' 是终点，'·' 能走，'#' 是墙壁不能走。在每一步，都按 左-上-右-下 的顺序搜索。在样例中，左上角坐标 (0,0)，起点坐标(1,1)，终点坐标 (0,2)。1

【输出描述】输出所有的路径。坐标 (i, j) 用 ij 表示，例如坐标 (0,2) 表示为 02。从左到右是 i，从上到下是 j。

【输入样例】

5 3

.#.

#@.

*..

...

#.#

【输出样例】

from 11 to 02

1:11->21->22->12->02

2:11->21->22->12->13->03->02

3:11->21->22->23->13->03->02

4:11->21->22->23->13->12->02

5:11->12->02

6:11->12->22->23->13->03->02

7:11->12->13->03->02

（1）模拟路径过程

【第一条路经】

• 从起点 (1，1) 出发，查询它的 “左-上-右-下”哪个方向能走，发现 “左上” 不能走，可以走 “右”。
• 第一步走到右边的 (2，1)。然后从 (2，1) 继续走，它可以向上走到 (2，0)，但是后面就走不通了，退回来改走下面的 (2，2)。
• 逐步深入走到终点，最后得到一条从起点 (1，1) 到终点 (0，2) 的路径 ''11->21->22->12->02" 。
• 在这次DFS深入过程中，这条路径上曾经路过的点被 “保存现场”，不允许再次经过。
• 到达终点后，从终点退回，回溯寻找下一个路径。退回后 “恢复现场”。

【第二条路经】

搜到一条路径后，从终点 (0, 2) 退回到 (1, 2) ，继续走到 (1, 3)、(0, 3)、(0,  2)。

【第三条路经】

• 从终点 (0，2) 一路退回到 (2，2) 后，才找到新路径。
• 在退回的过程中，原来被 “保存现场的” (0, 3)、(1, 3)、(0, 2)，重新被 “恢复现场”，允许被经过。
• 例如 (1, 3)，在第二条路径中曾用过，这次再搜新路径时，在第三条路径中重新经过了它。
• 如果不 “恢复现场”，这个点就不能在新路径中重新用了。

【第四条路径】

（2）DFS搜索所有路径

• “保存现场” 的作用，是禁止重复使用。当搜索一条从起点到终点的路径时，这条路径上经过的点，不能重复经过，否则就兜圈子了，所以路径上的点需要“保存现场”，禁止再经过它。没有经过的点，或者碰壁后退回的点，都不能“保存现场”，这些点可能后面会进入这条路径。
• “恢复现场” 的作用。当重新搜新的路径时，方法是从终点（或碰壁的点）沿着旧路径逐步退回，每退回一个点，就对这个点“恢复现场”，允许新路径重新经过这个点。例如上图的点 (1，3)。

• 路径有很多条，需要记录每条路径然后打印，这个代码使用了 “输出最短路径的简单方法”：每到一个点，就在这个点上记录从起点到这个点的路径。
• P[][] 记录路径，p[i][j] 用字符串记录了从起点到点 (i，j) 的完整路径。
• 第 13 行把新的点 (nx, ny) 加入到这个路径。这种“简单方法”浪费空间，适用于小图。

def dfs(x,y):
    global num
    for i in range(0,4):
        dir=[(-1,0),(0,-1),(1,0),(0,1)]     #左、上、右、下
        nx,ny=x+dir[i][0],y+dir[i][1]       #新坐标
        if nx<0 or nx>=hx or ny<0 or ny>=wy:    #不在地图范围内
            continue
        if mp[nx][ny]=='*':
            num+=1
            print("%d:%s->%d%d"%(num,p[x][y],nx,ny))    #打印路径
            continue            #不退出，继续找下一个路径
        if mp[nx][ny]=='.':
            mp[nx][ny]='#'      #保存现场。这个点在这次更深的dfs中不能再用
            p[nx][ny]=p[x][y]+'->'+str(nx)+str(ny)  #记录路径
            dfs(nx,ny)
            mp[nx][ny]='.'      #恢复现场，回溯之后，这个点可以再次使用
num=0
wy,hx=map(int,input().split())      #wy行，hx列。用num统计路径数量
a=['']*10
for i in range(wy):
    a[i]=list(input())      #读迷宫
mp=[['']*(10) for i in range(10)]       #二维矩阵mp[][]表示迷宫
for x in range(hx):
    for y in range(wy):
        mp[x][y]=a[y][x]
        if mp[x][y]=='@':   #起点
            sx=x
            sy=y
        if mp[x][y]=='*':   #终点
            tx=x
            ty=y
print("from %d%d to %d%d"%(sx,sy,tx,ty))
p=[['']*10 for i in range(10)]      #记录从起点到点path[i][j]的路径
p[sx][sy]=str(sx)+str(sy)
dfs(sx,sy)                          #搜索并输出所有的路径

（3）路径问题：BFS 和 DFS

搜所有的路径，应该用DFS；如果只搜最短路径，应该用BFS。

在一张图上，从起点到终点的所有路径数量是一个天文数字，读者可以用上面的代码试试一个 8×8 的图，看看路径总数是多少。但是搜最短的路径就比较简单，并不需要把所有路径搜出来之后再比较得到最短路，用BFS可以极快地搜到最短路。DFS适合用来处理暴力搜所有情况的题目

以上，DFS初入门

祝好