Java - 回溯算法介绍、应用场景和示例代码

原创于 2024-08-21 20:30:00 发布 · 982 阅读

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概述

回溯算法是一种试探性搜索算法，用于寻找问题的所有可能解决方案。它通过递归地构建解，并在发现某条路径不可能生成可行解时，撤回到上一步以探索其他可能性。回溯算法特别适用于组合问题、排列问题、子集问题等。

回溯算法本质上是一种深度优先搜索（DFS），适用于需要穷举所有可能的解并从中选择符合条件的解的问题。其核心思想是：

选择：在每一步，选择一个可能的选项。
探索：通过递归的方式继续探索该选项所能达到的解。
回溯：如果当前选择不可能导致可行解，则返回上一步，尝试其他选择。

回溯算法通过“撤销选择”的过程，在解空间树中进行搜索，逐步构建解，并在必要时进行回退。

应用场景

数独求解：利用回溯算法尝试填入数字并逐步验证数独的解。
八皇后问题：将皇后放置在棋盘上，使得彼此不受攻击。
组合、排列、子集问题：在集合中寻找满足特定条件的子集或排列。
图的着色问题：给定图中的顶点分配颜色，使得相邻顶点颜色不同。

示例代码

以下是解决经典的 八皇后问题 的 Java 示例代码，使用回溯算法寻找所有可能的解：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class NQueens {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 8; // 八皇后
        List<List<String>> solutions = solveNQueens(n);
        printSolutions(solutions);
    }

    // 主方法：求解N皇后问题
    public static List<List<String>> solveNQueens(int n) {
        List<List<String>> solutions = new ArrayList<>();
        int[] queens = new int[n];
        solve(solutions, queens, 0, n);
        return solutions;
    }

    // 递归求解
    private static void solve(List<List<String>> solutions, int[] queens, int row, int n) {
        if (row == n) {
            solutions.add(generateBoard(queens, n));
            return;
        }

        for (int col = 0; col < n; col++) {
            if (isValid(queens, row, col)) {
                queens[row] = col; // 放置皇后
                solve(solutions, queens, row + 1, n); // 递归调用
                queens[row] = -1; // 回溯
            }
        }
    }

    // 检查是否可以放置皇后
    private static boolean isValid(int[] queens, int row, int col) {
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            if (queens[i] == col || Math.abs(queens[i] - col) == Math.abs(i - row)) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    // 生成棋盘
    private static List<String> generateBoard(int[] queens, int n) {
        List<String> board = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            char[] row = new char[n];
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                row[j] = '.';
            }
            row[queens[i]] = 'Q';
            board.add(new String(row));
        }
        return board;
    }

    // 打印所有解决方案
    private static void printSolutions(List<List<String>> solutions) {
        for (List<String> solution : solutions) {
            for (String row : solution) {
                System.out.println(row);
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

代码解析

solveNQueens方法：初始化并调用递归求解方法solve。存储所有可能的棋盘布局解。
solve方法：递归构建解，尝试在每一行放置一个皇后。
- 检查当前列是否可行。
- 如果可以放置皇后，则递归地放置下一行的皇后。
- 回溯：如果当前选择不满足条件，则回退并尝试其他选择。
isValid方法：检查在特定位置放置皇后是否合法，主要确保无列冲突和对角线冲突。
generateBoard方法：根据皇后的位置数组生成棋盘的字符串表示。
printSolutions方法：输出所有找到的棋盘解。