【搜索算法】DFS与BFS(深度优先搜索与广度优先搜索)

最近笔者在学习的过程中接触了两种搜索算法,并为此困惑了非常久,就在这里分享下心得吧。

先大概讲下两个算法的思想:

DFS是遍历与递归的嵌套回溯算法,而BFS是遍历与队列的组合算法

说简单一点,DFS就是一条路走到黑,而BFS是每一层都走一遍再往下一楼走。

在学习过程中笔者深感单独看概念没有用,接下来笔者用几道比较经典的问题来讲一下;

深度优先搜索(BFS)

第一题是跳马(一道题可以讲深搜和广搜)(题目来源:洛谷)

# 马的遍历

## 题目描述

有一个 n *m 的棋盘,在某个点 (x, y)上有一个马,要求你计算出马到达棋盘上任意一个点最少要走几步。

## 输入格式

输入只有一行四个整数,分别为 n, m, x, y。

## 输出格式

一个 n * m 的矩阵,代表马到达某个点最少要走几步(不能到达则输出 -1)。

## 样例 #1

### 样例输入 #1

```
3 3 1 1
```

### 样例输出 #1

```
0    3    2    
3    -1   1    
2    1    4
```

## 提示

### 数据规模与约定

对于全部的测试点,保证 1 ≤ x ≤ n ≤ 400,1 ≤ y ≤ m ≤ 400

——————DFS题解———————————————————————————————————————

对于dfs搜索下的数据结构,这里用一张图来描述下

到达节点的底端则返回到上一个节点

文字描述为根-->子1-->子x-->子X-->子y-->子2-->子A-->子B-->子C-->子3;

从而对整个图(树)遍历

众所周知,根节点是子节点1的子节点,因为图的两个节点具有双向性,所以通过对根节点的标记可使双向性变成单向性,从而使图的搜索变为树结构。

大概知道DFS的运行结构了,那么我们可以开始着手写这道题了;

应该没有人没玩过象棋吧?马走日应该是人尽皆知的了,那么我们就看看在地图(棋盘)上应该怎么走吧:

马在红点可以走到所有的紫色点上。

所以我们可以用两个数组用于存放对应的移动的坐标的操作

int dx[8]={2,1, 2, 1,-2,-1,-1,-2};
int dy[8]={1,2,-1,-2,-1,-2, 2, 1};

我们还需要创建两个一个二维数组用于记录步数与标记(在走过的地方势必不为0)

那我们就开始写dfs函数吧!

void dfs(int x,int y)
{
    for(int i=0;i<=8;i++)
    {
        int a=x+dx[i],b=y+dy[i];//a与b为在移动后的坐标
        if(a>=1 && b>=1 && a<=n &&b<=m && (cb[a][b]==0 || cb[a][b]>cb[x][y]+1))
        {
            //如果数组越界或者走过则不标记,除非走后的最新纪录步数更小
            //if语句中判断(a,b)在界内且位置为空或者更新步数后更小
            cb[a][b]= cb[x][y]+1;
            dfs(a,b);//将该节点的子节点引入深搜
        }
    }
}

完整代码如下

#include <iostream>
using namespace std;
int m=0,n=0,x=0,y=0,ans=0;
int dx[8]={ 1, 2,2,1,-1,-2,-2,-1};
int dy[8]={-2,-1,1,2, 2, 1,-1,-2};
int c[405][405]={-1};
void dfs(int x,int y)
{
    for(int i=0;i<=8;i++)
    {
        int a=x+dx[i],b=y+dy[i];
        if(a>=1 && b>=1 && a<=n &&b<=m && (c[a][b]==0 || c[a][b]>c[x][y]+1))
        {
            c[a][b]= c[x][y]+1;
            dfs(a,b);
        }
    }
}

int main()
{
cin>>n>>m>>x>>y;
c[x][y]=1;
dfs(x,y);
for(int l=0;l<=n;l++)
    for(int r=0;r<=m;r++)
        {
            cout<<c[l][r]-1<<"    ";
            if(r==m)cout<<endl;
        }
    return 0;
}

但是时间一定是会超过的,因为该走完第一个子节点的时候基本已经将所有位置标记过了,走完第二个子节点的时候又走遍了整个棋盘,数据一旦大了的话时间将非常长;

那就应该用BFS了

——————BFS题解——————————————————————————————————————

BFS 的结构在文章开头就说过了是每层走下去

但是依然存在遍历的结构所以在子节点123间依然是存在一定的顺序结构的,这点需要注意,但是目前阶段貌似没有什么影响(

既然知道了BFS的结构的话那我们就需要考虑怎么去实现这个结构了。

我们可以用到STL容器库中的<queue>,在这里就简单介绍下几个需要用到的语句吧:

#include <queue>//此容器需要包含的文件
int x=0;
queue<int>q;//创建类型为int,名称为q的队列
q.push(x);//将变量x插入队尾
int y=q.front();//将队首的值赋给y,此时因为队列中只有x一个元素,所以此时y==x
q.pop();//将队首取出
q.size();//求队列长度
q.empty();//检测队列是否为空

详细内容可参考https://zh.cppreference.com/w/cpp/container/queue

棋盘是一个二维的空间,我们可以使用结构体或者make_pair来将两个坐标值变为一个变量

这里就不介绍结构体了,相信大家都对结构体有了解,只介绍make_pair的用法

queue<pair<int,int>>q;//创建两个值都为int类型的队列
q.push(make_pair(x,y));//将x,y成组放入队列
int a=q.front().first;//将组中的第一个元素(x)赋给a
int b=q.front().second;//将组中的第二个元素(y)赋给b

有了这些知识基础我们就可以开始写bfs函数了,对于标记的思路与DFS函数中是通用的

void bfs(int x,int y)
{
	q.push(make_pair(x,y));
	c[x][y]=1;
	while(q.size())//队列非空时则循环,直至队列为空
    //也可写成while(!q.empty())
	{
		int kx=q.front().first;
		int ky=q.front().second;
		q.pop();//在取出队首的值后将其推出,防止卡循环
		for(int i=0;i<8;i++)
		{
			int ix =kx + dx[i];
			int iy =ky + dy[i];
			if(ix>=1&&iy>=1&&ix<=n&&iy<=m&&!vis[ix][iy])
			{
				q.push(make_pair(ix,iy));//符合条件则将该点推入队列
				c[ix][iy]=c[kx][ky]+1;
			}
		}
	}
	
}

将根节点推入后将根节点的值取出,将根节点推出并且将符合条件的子节点推入,在下一个循环里子节点将作为新的根节点。来看看完整的代码示例

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;
int dx[8]={2,1, 2, 1,-2,-1,-1,-2};
int dy[8]={1,2,-1,-2,-1,-2, 2, 1};
int c[405][405]={0};
int vis[405][405]={0};
int n,m,x,y;
queue<pair<int,int>>q;
void bfs(int x,int y)
{
	q.push(make_pair(x,y));
	vis[x][y]=1;
	c[x][y]=1;
	while(q.size())
	{
		int kx=q.front().first;
		int ky=q.front().second;

		q.pop();
		for(int i=0;i<8;i++)
		{
			int ix =kx + dx[i];
			int iy =ky + dy[i];
			if(ix>=1&&iy>=1&&ix<=n&&iy<=m&&!vis[ix][iy])
			{
				q.push(make_pair(ix,iy));
				vis[ix][iy]=1;
				c[ix][iy]=c[kx][ky]+1;
			}
		}
	}
	
}

int main()
{
	cin>>n>>m>>x>>y;

	bfs(x,y);
	for(int l=1;l<=n;l++)
		for(int r=1;r<=m;r++)
		{cout<<c[l][r]-1<<" ";if(r==m)cout<<endl;}
	return 0;
}

通过两个解题的方式可以理解DFS与BFS的大致思路,后续有空的话笔者还会写其他的题解

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