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如何用Java数据结构与算法实现递归和回溯?

1.什么是递归?简单的说:递归就是方法自己调用自己,每次调用时传入不同的变量.递归有助于编程者解决复杂的问题,同时可以让代码变得简洁。看个实际应用场景,迷宫问题(回溯),递归(Recursion)我列举两个小案例,来帮助大家理解递归,这里在给大家回顾一下递归调用机制打印问题阶乘问题publicstaticvoidtest(intn){if(n>2){test(n-1);}System.out.println("n="+n);}publicstaticintfactorial(intn){if(n==1){

本文目录

    1.什么是递归?

    简单的说: 递归就是方法自己调用自己,每次调用时传入不同的变量.递归有助于编程者解决复杂的问题,同时可以让代码变得简洁。

    看个实际应用场景,迷宫问题(回溯), 递归(Recursion)

    如何用Java数据结构与算法实现递归和回溯?

    我列举两个小案例,来帮助大家理解递归,这里在给大家回顾一下递归调用机制

    • 打印问题

    • 阶乘问题

    public static void test(int n) {
        if (n > 2) {
    	    test(n - 1);
        }
        System.out.println("n=" + n);
    }
     
    public static int factorial(int n) {
        if (n == 1) {
            return 1;
        } else {
            return factorial(n - 1) * n;
        }
    }

    递归用于解决什么样的问题

    • 各种数学问题如: 8皇后问题 , 汉诺塔, 阶乘问题, 迷宫问题, 球和篮子的问题(google编程大赛)。

    • 各种算法中也会使用到递归,比如快排,归并排序,二分查找,分治算法等。

    • 将用栈解决的问题-->第归代码比较简洁。

    递归需要遵守的重要规则

    • 执行一个方法时,就创建一个新的受保护的独立空间(栈空间)。

    • 方法的局部变量是独立的,不会相互影响, 比如n变量。

    • 如果方法中使用的是引用类型变量(比如数组),就会共享该引用类型的数据。

    • 递归必须向退出递归的条件逼近,否则就是无限递归,出现StackOverflowError,死龟了:)。

    • 当一个方法执行完毕,或者遇到return,就会返回,遵守谁调用,就将结果返回给谁,同时当方法执行完毕或者返回时,该方法也就执行完毕。

    2.代码案例一——迷宫问题

    说明:  小球得到的路径,和程序员 设置的找路策略有关即:找 路的上下左右的顺序相关再得到小球路径时,可以先 使用(下右上左),再改成(上 右下左),看看路径是不是有变化。测试回溯现象。

    package com.szh.recursion;
     
    /**
     * 走迷宫问题
     */
    public class MiGong {
     
        //使用递归回溯来给小球找路, 说明:
        //1. map 表示地图
        //2. i,j 表示从地图的哪个位置开始出发 (1,1)
        //3. 如果小球能到 map[6][5] 位置,则说明通路找到.
        //4. 约定:当 map[i][j] 为 0 表示该点没有走过; 当为 1 表示墙; 2 表示通路可以走;
        //5. 在走迷宫时,需要确定一个策略(方法) 下->右->上->左 , 如果该点走不通,再回溯
        public static boolean setWay(int[][] map, int i, int j) {
            //此时走到了迷宫终点
            if (map[6][5] == 2) {
                return true;
            } else {
                if (map[i][j] == 0) { //如果当前这个点还没有走过
                    //按照策略 下->右->上->左  走
                    map[i][j] = 2;
                    if (setWay(map, i + 1, j)) { //下
                        return true;
                    } else if (setWay(map, i, j + 1)) { //右
                        return true;
                    } else if (setWay(map, i - 1, j)) { //上
                        return true;
                    } else { //左
                        return true;
                    }
                } else { //map[i][j] != 0, 即只能为1、2。 1表示墙(无法走),2表示已经走过了,所以此时直接返回false
                    return false;
                }
            }
        }
     
        //修改找路的策略,改成 上->右->下->左
        public static boolean setWay2(int[][] map, int i, int j) {
            if(map[6][5] == 2) { // 通路已经找到ok
                return true;
            } else {
                if(map[i][j] == 0) { //如果当前这个点还没有走过
                    //按照策略 上->右->下->左
                    map[i][j] = 2;
                    if(setWay2(map, i - 1, j)) { //上
                        return true;
                    } else if (setWay2(map, i, j + 1)) { //右
                        return true;
                    } else if (setWay2(map, i + 1, j)) { //下
                        return true;
                    } else { //左
                        return true;
                    }
                } else {
                    return false;
                }
            }
        }
     
        public static void main(String[] args) {
            //先创建一个二维数组,模拟迷宫 (地图)
            int[][] map = new int[8][7];
            //使用迷宫中的部分格子表示墙体(置1)
            //第一行和最后一行置为1
            for (int i = 0; i < 7; i++) {
                map[0][i] = 1;
                map[7][i] = 1;
            }
            //第一列和最后一列置为1
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                map[i][0] = 1;
                map[i][6] = 1;
            }
            //多添加两块墙体
            map[3][1] = 1;
            map[3][2] = 1;
    //      map[1][2] = 1;
    //		map[2][2] = 1;
            //输出地图查看
            System.out.println("原始迷宫地图为:");
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                for (int j = 0; j < 7; j++) {
                    System.out.print(map[i][j] + " ");
                }
                System.out.println();
            }
     
            //使用递归回溯走迷宫
            setWay(map, 1, 1);
    //        setWay2(map, 1, 1);
            System.out.println("小球走过,并标识过的地图的情况:");
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
                for (int j = 0; j < 7; j++) {
                    System.out.print(map[i][j] + " ");
                }
                System.out.println();
            }
        }
    }

    如何用Java数据结构与算法实现递归和回溯?

    3.代码案例二——八皇后问题

    八皇后问题,是一个古老而著名的问题,是回溯算法的典型案例。该问题是国际西洋棋棋手马克斯·贝瑟尔于1848年提出:在8×8格的国际象棋上摆放八个皇后,使其不能互相攻击,即:任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上,问有多少种摆法。

    如何用Java数据结构与算法实现递归和回溯?

    第一个皇后先放第一行第一列。

    第二个皇后放在第二行第一列、然后判断是否OK, 如果不OK,继续放在第二列、第三列、依次把所有列都放完,找到一个合适。

    继续第三个皇后,还是第一列、第二列……直到第8个皇后也能放在一个不冲突的位置,算是找到了一个正确解。

    当得到一个正确解时,在栈回退到上一个栈时,就会开始回溯,即将第一个皇后,放到第一列的所有正确解,全部得到。

    然后回头继续第一个皇后放第二列,后面继续循环执行 1,2,3,4的步骤。

    package com.szh.recursion;
     
    /**
     * 八皇后问题
     */
    public class Queue8 {
     
        //定义max表示共有多少个皇后
        private int max = 8;
        //定义数组,保存皇后放置的位置结果,比如 arr = {0, 4, 7, 5, 2, 6, 1, 3}
        int[] array = new int[max];
        //共有多少种解法
        private static int count = 0;
        //共有多少次冲突
        private static int judgeCount = 0;
     
        //编写一个方法,放置第n个皇后
        //特别注意: check 是 每一次递归时,进入到check中都有  for(int i = 0; i < max; i++),因此会有回溯
        private void check(int n) {
            if (n == max) { //n = 8 , 表示这8个皇后已经全部放好了
                print();
                return;
            }
            //依次放入皇后,并判断是否冲突
            for (int i = 0; i < max; i++) {
                //先把当前这个皇后 n , 放到该行的第1列
                array[n] = i;
                //判断当放置第n个皇后到i列时,是否冲突
                if (judge(n)) { // 不冲突
                    //接着放n+1个皇后,即开始递归
                    check(n + 1);
                }
                //如果冲突,就继续执行 array[n] = i; 即将第n个皇后,放置在本行第i列向后的那一列
            }
        }
     
        //查看当我们放置第n个皇后, 就去检测该皇后是否和前面已经摆放的n-1个皇后冲突
        private boolean judge(int n) {
            //每摆放一个皇后,就循环去和之前摆好的皇后位置相比较,看是否冲突
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                //1. array[i] == array[n]  表示判断 第n个皇后是否和前面的n-1个皇后在同一列
                //2. Math.abs(n-i) == Math.abs(array[n] - array[i]) 表示判断第n个皇后是否和第i皇后是否在同一斜线
                //3. 判断是否在同一行, 没有必要,n 表示第几个皇后,这个值每次都在递增,所以必然不在同一行
                if (array[i] == array[n] || Math.abs(n - i) == Math.abs(array[n] - array[i])) {
                    judgeCount++;
                    return false;
                }
            }
            return true;
        }
     
        //打印皇后摆放的具体位置
        private void print() {
            count++;
            for (int i = 0; i < array.length; i++) {
                System.out.print(array[i] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
     
        public static void main(String[] args) {
            Queue8 queue8 = new Queue8();
            queue8.check(0);
            System.out.printf("一共有%d解法\n", count);
            System.out.printf("一共判断冲突的次数%d次", judgeCount);
        }
    }

    如何用Java数据结构与算法实现递归和回溯?

    这里其实对代码进行Debug就可以看出回溯的过程,我就不多说了。

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