Python 对 BFS(广度优先算法)讲解

Posted 2021-04-14 hresh

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概述

BFS 算法像是近视的小明的眼镜掉在了地上，小明肯定是先摸索离手比较近的位置，然后手慢慢向远方延伸，直至摸到眼镜，像是以小明为中心搜索圈不断扩大的过程。

通常用队列（先进先出，FIFO）实现
初始化队列Q；
Q = {起点s}；标记s为已访问；
while(Q非空):
    取Q队首元素u；u出队；
    if u == 目标状态 {...}
    所有与u相邻且未被访问的点进入队列；
    标记u为已访问；

如图所示：

实例讲解

“一马当先”

下过象棋的人都知道，马只能走'日'字形（包括旋转90°的日），现在想象一下，给你一个n行m列网格棋盘， 棋盘的左下角有一匹马，请你计算至少需要几步可以将它移动到棋盘的右上角，若无法走到，则输出-1. 如n=1，m=2,则至少需要1步；若n=1，m=3,则输出-1。

首先我们直接按照上面的程序流程来进行代码实现。

代码一：

from collections import deque

n = 3
m = 5

def steps_count2():
    '''
   BFS算法求解，广度优先搜索算法
   通常用队列（先进先出，FIFO）实现
       初始化队列Q；
       Q = {起点s}；标记s为已访问；
       while(Q非空):
           取Q队首元素u；u出队；
           if u == 目标状态 {...}
           所有与u相邻且未被访问的点进入队列；
           标记u为已访问；
   :return:
   '''
    global m,n
    dx = [-1, -2, -2, -1, +1, +2, +2, +1]
    dy = [+2, +1, -1, -2, -2, -1, +1, +2]
    v = {(x, y): False for x in range(0, n + 1) for y in range(0, m + 1)}
    v[(0, 0)] = True
    q = deque([(0, 0, 0)])
    while len(q) > 0:
        p = q.popleft()
        for i in range(8):
            x = p[0] + dx[i]
            y = p[1] + dy[i]
            if x < 0 or x > n or y < 0 or y > m:
                continue
            if v[(x, y)]:
                continue
            v[(x, y)] = True
            q.append((x, y, p[2] + 1))
            if x == n and y == m:
                return p[2] + 1
    return -1

元素定义

• dx、dy 分别指的是棋子下一步移动的可能性，这里采用枚举的方法给出了所有符合规则的移动策略，根据 i 值获得不同的移动的策略。

• v 表示 n 行 m 列的坐标图，其中设定 (0,0)为坐标起点（左下角的起点），(n,m)为坐标终点（即右上角的终点）。声明 v时，将每个坐标置为 False，即为未走过；将 v[(0,0)]置为起点，状态改为 True。

• q 表示队列，初始值为(0,0,0)，其中前面两位指的是起点坐标，第三位指的是移动的步数。

• p 表示从 q 左侧取出的第一个值，取出后并删除队列中的记录。

流程分析

1. 从 q 中取值，得到 p(0,0,0)，q 暂时为空。遍历 dx,dy，选择(0,0)的移动的策略，将移动后的结果值(x,y)进行大小比较，若不合适，则更换移动策略。判断(x,y)状态值是否为 True，如果为 True，则跳过（因为避免兜圈，导致步数过大，我们要求的是最小步数）。设置(x,y)状态值为 True，步数（p[2]）加 1，放入队列中去。判断(x,y)与(n,m)是否相等，若相同则返回最小步数。

2. 对(0,0)进行不同的移动后，获得的值都放入到 q 队列，接着对 q 队列进行取值判断。此时 q 队列值为[(2,1,1),(1,2,1)]，取出最左侧的值(2,1,1)，重复上述操作，最后 q 队列值为[(1,2,1),(3,3,2),(1,3,2),(0,2,2)]，依次类推，直到(x,y)与(n,m)值相同，则返回步数。

代码二：

n = 3
m = 5

def steps_count4():
    global m, n
    dx = [+2, +1, -1, -2, -2, -1, +1, +2]
    dy = [-1, -2, -2, -1, +1, +2, +2, +1]
    temp = [set(), set([(0, 0)]), set()]
    t = 1
    f = True
    while f:
        f = False
        for loc in temp[1]:
            for i in range(8):
                x = loc[0] + dx[i]
                y = loc[1] + dy[i]
                if (x,y) == (m, n):
                    return t
                elif x >= 0 and y >= 0 and x <= m and y <= n and not ((x,y) in temp[0] or (x,y) in temp[1] or (x,y) in temp[2]):
                    temp[2].add((x,y))
                    f = True
        t += 1
        del temp[0]
        temp.append(set())
    return -1

元素定义

• temp：用来存储不同层的坐标，其中 temp[0] 表示上一层，temp[1] 表示当前层，temp[2] 表示下一层。

• f：逻辑型值，用来记录是否有新的坐标被丢入 temp[2] 中。

• t：用于记录层数。

流程解析

1. 创建一个序列 temp=[[],[[0,0]],[]],分别表示上一层、当前层、下一层；

2. 初始化 t=1，f=True；

3. 若 f 为 True 进入以下流程，否则输出 -1；

4. 令 f=False，依次遍历 temp[1] 里的每一个坐标，对每一个坐标采取全部 8 种移动方式，若移动到了 [m,n] 则输出层数 t；

5. 若移动后仍在棋盘内且不存在 temp 里任何一层中，则将这个坐标加入到 temp[2] 中，且令 f=True；

6. 遍历完成后，del temp[0] 以控制数据量，这个操作同时使 temp[1] 顶替temp[0]，temp[2] 顶替 temp[1]，然后使用 append 方法插入一个新的空序列作为 temp[2]，t+=1；

7. 回到第三步并重复。