【51. N 皇后 困难】

题目：

按照国际象棋的规则，皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。

n 皇后问题 研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上，并且使皇后彼此之间不能相互攻击。

给你一个整数 n ，返回所有不同的 n 皇后问题 的解决方案。

每一种解法包含一个不同的 n 皇后问题 的棋子放置方案，该方案中 ‘Q’ 和 ‘.’ 分别代表了皇后和空位。

示例 1：

输入：n = 4
输出：[[“.Q…”,“…Q”,“Q…”,“…Q.”],[“…Q.”,“Q…”,“…Q”,“.Q…”]]
解释：如上图所示，4 皇后问题存在两个不同的解法。

示例 2：

输入：n = 1
输出：[[“Q”]]

提示：
1 <= n <= 9

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思路：

都知道n皇后问题是回溯算法解决的经典问题，但是用回溯解决多了组合、切割、子集、排列问题之后，遇到这种二维矩阵还会有点不知所措。

首先来看一下皇后们的约束条件：

• 不能同行
• 不能同列
• 不能同斜线

确定完约束条件，来看看究竟要怎么去搜索皇后们的位置，其实搜索皇后的位置，可以抽象为一棵树。

下面用一个 3 * 3 的棋盘，将搜索过程抽象为一棵树，如图：

从图中，可以看出，二维矩阵中矩阵的高就是这棵树的高度，矩阵的宽就是树形结构中每一个节点的宽度。

那么我们用皇后们的约束条件，来回溯搜索这棵树，只要搜索到了树的叶子节点，说明就找到了皇后们的合理位置了。

回溯三部曲

• 递归函数参数

依然是定义全局变量二维数组result来记录最终结果。

参数n是棋盘的大小，然后用row来记录当前遍历到棋盘的第几层了。

代码如下：

vector<vector<string>> result;
void backtracking(int n, int row, vector<string>& chessboard) {

• 递归终止条件

在上述的树形结构中可以看出，当递归到棋盘最底层（也就是叶子节点）的时候，就可以收集结果并返回了。

代码如下：

if (row == n) {
    result.push_back(chessboard);
    return;
}

• 单层搜索的逻辑

递归深度就是row控制棋盘的行，每一层里for循环的col控制棋盘的列，一行一列，确定了放置皇后的位置。

每次都是要从新的一行的第一列开始填充，所以都是从0开始。

代码如下：

for (int col = 0; col < n; col++) {
    if (isValid(row, col, chessboard, n)) { // 验证合法就可以放
        chessboard[row][col] = 'Q'; // 放置皇后
        backtracking(n, row + 1, chessboard);
        chessboard[row][col] = '.'; // 回溯，撤销皇后
    }
}

• 验证棋盘是否合法

按照如下标准去重：

不能同行(这里已经在递归时完成去重,在填入时就是一行只有一个)
不能同列
不能同斜线 （45度和135度角）
代码如下：

bool isValid(int row, int col, vector<string>& chessboard, int n) {
    // 检查列
    for (int i = 0; i < row; i++) { // 这是一个剪枝
        if (chessboard[i][col] == 'Q') {
            return false;
        }
    }
    // 检查 45度角是否有皇后
    for (int i = row - 1, j = col - 1; i >=0 && j >= 0; i--, j--) {
        if (chessboard[i][j] == 'Q') {
            return false;
        }
    }
    // 检查 135度角是否有皇后
    for(int i = row - 1, j = col + 1; i >= 0 && j < n; i--, j++) {
        if (chessboard[i][j] == 'Q') {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

在这份代码中，细心的同学可以发现为什么没有在同行进行检查呢？

因为在单层搜索的过程中，每一层递归，只会选for循环（也就是同一行）里的一个元素，所以不用去重了。

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代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> result;

    bool isValid(int row, int col, int n, vector<string>& chessboard){
        //  不用检查同行，因为在填入时就是一行只有一个
        //  检查列
        for(int i = 0; i < row; i++){
            if(chessboard[i][col] == 'Q') return false;
        }

        //  因为按行填充的，所以要检查已经填充过的左上角和右上角
        //  检查45度角（左上角）是否有皇后
        for(int i = row - 1, j = col - 1; i >= 0 && j >= 0; i--, j--){
            if(chessboard[i][j] == 'Q') return false;
        }

        //  检查135度角（右上角）是否有皇后
        for(int i = row - 1, j = col + 1; i >= 0 && j < n; i--, j++){
            if(chessboard[i][j] == 'Q') return false;
        }
        return true;
    }
    
	// n 为输入的棋盘大小
	// row 是当前递归到棋盘的第几行了
    void backtracking(int n, int row, vector<string>& chessboard){
        if(row == n){
            result.push_back(chessboard);
            return;
        }

        //  每一行要从头开始填充列
        for(int col = 0; col < n; col++){
            if(isValid(row, col, n, chessboard)){   //  验证是否合法
                chessboard[row][col] = 'Q'; //  放置皇后
                backtracking(n, row + 1, chessboard);   //  递归
                chessboard[row][col] = '.'; //  回溯，撤销皇后
            }
        }
    }
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        vector<string> chessboard(n, string(n, '.'));
        backtracking(n, 0, chessboard);
        return result;
    }
};

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总结：

时间复杂度: O(n!)
空间复杂度: O(n)
可以看出，除了验证棋盘合法性的代码，省下来部分就是按照回溯法模板来的。
棋盘的宽度就是for循环的长度，递归的深度就是棋盘的高度，这样就可以套进回溯法的模板里了。

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参考：

代码随想录