人工智能经典问题，八数码问题求解，DFS（深度优先搜索法），C语言版，保证看懂，分析到位，注释详细，没有bug

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Great Macro

5533人浏览 · 2022-10-15 22:52:21

Great Macro · 2022-10-15 22:52:21 发布

一、问题描述

3*3的方格棋盘上，摆放着1到8这八个数码，有1个方格是空。
要求对空格执行空格左移、空格右移、空格上移和空格下移这四个操作使得棋盘从初始状态（图左）到目标状态（图右）。

二、迟来的代码

第一个版本（存储棋盘状态）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define N 	3	// 阶数，可以改为更高阶

// 定义一个结构体来表示棋盘状态
typedef struct node
{
    int data[N][N];		// 存放棋盘状态
	struct node *prev;	// 链表中的前指针
    struct node *next;	// 链表中的后指针
    struct node *father;// 搜索树的父节点
}node;

node *open;			// open表，存放未拓展的节点
node *close;		// close表，存放已经拓展的节点
static int n = 0;	// 用来记录总共搜索的次数

int src[N][N] = {2, 8, 3, 1, 0, 4, 7, 6, 5};	// 初始状态
int cur[N][N];	// 当前状态
int dest[N][N] = {1, 2, 3, 8, 0, 4, 7, 6, 5};	// 目标状态

// 生成一个节点
node *initList()
{
    int i, j;
	node *p = malloc(sizeof(node));

	if(!p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		return NULL;
	}

    p->prev = p;
    p->next = p;
    p->father = NULL;
    
	// 初始化棋盘状态
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        for(j = 0; j < N; j++)
        {
            p->data[i][j] = -1;
        }
    }

	return p;
}

// 头插法，把节点插入到链表头部
void head_insert(node *head, node *p)
{
	p->next = head->next;
	p->prev = head;
	head->next->prev = p;
	head->next = p;
}

// 尾插法，把节点插入到链表尾部
void tail_insert(node *head, node *p)
{
	p->prev = head->prev;
	head->prev->next = p;
	p->next = head;
	head->prev = p;
}

// 弹出节点
void Remove(node *p)
{
	p->prev->next = p->next;
	p->next->prev = p->prev;
	p->next = p;
	p->prev = p;
}

// 初始化棋盘
void init()
{
	int i, j, k;
	int a[N*N] = {1, 2, 3, 8, 0, 4, 7, 6, 5};
	int flag[N*N] = {0};	// 用来标记0~8中哪个数字已经出现过

	srand(time(0));
	
 	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			// 尝试生成一个0~8间的数字
			k = rand()%(N*N);
			while(1)
			{
				// 如果该数字未出现
				if(flag[k] == 0)	
				{
					flag[k] = 1;	// 修改标志位
					src[i][j] = a[k]; // 初始化对应src的位置
					break;
				}
				// 重新生成数字
				k = rand()%(N*N);
			}
		}	
	}
}

// 复制棋盘状态
void copy(int source[N][N], int dest1[N][N])
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			dest1[i][j] = source[i][j];
		}
	}
}

// 打印棋盘状态
void display(int s[N][N])
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			// 把0当做空格输出
			if(s[i][j] > 0)
			{
				printf("%d ", s[i][j]);
			}
			else if(s[i][j] == 0)
			{
				printf("  ");
			}
		}

		printf("\n");
	}
}

// 寻找出棋盘中的空格键
void findSpace(int s[N][N], int *x, int *y)
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			if(s[i][j] == 0)	// 找到空格
			{
				*x = i;
				*y = j;
			}
		}
	}
}

// 空格上移
void up(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第2行或者第3行，才能上移
	if(x >= 1)
	{
		s[x][y] = s[x-1][y];
		s[x-1][y] = 0;
	}
}

// 空格下移
void down(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第1行或者第2行，才能下移
	if(x <= 1)
	{
		s[x][y] = s[x+1][y];
		s[x+1][y] = 0;
	}
}

// 空格左移
void left(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第2列或者第3列，才能左移
	if(y >= 1)
	{
		s[x][y] = s[x][y-1];
		s[x][y-1] = 0;
	}
}

// 空格右移
void right(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第1列或者第2列，才能右移
	if(y <= 1)
	{
		s[x][y] = s[x][y+1];
		s[x][y+1] = 0;
	}
}

// 检查close表中是否有重复的状态
int checkSame(int cmp[N][N])
{
    int i, j;
    node *p;
    for(p = close->next; p != close; p = p->next)
    {
        for(i = 0; i < N; i++)
        {
            for(j = 0; j < N; j++)
            {
                if(p->data[i][j] != cmp[i][j])
                {
                    i = N + 1;
                    break;
                }
            }
        }

        if(i == N && j == N)
        {
            return 1;
        }
    }

    return 0;
}

// 检查当前棋盘状态是否为目标状态
int checkWin()
{
    int i, j;
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        for(j = 0; j < N; j++)
        {
			// 检测到有不同的就立马返回，节省时间
            if(cur[i][j] != dest[i][j])
            {
                return 0;
            }
        }
    }

    return 1;
}

// 打印从初始状态到目标状态的路径
void showWin()
{
	int i = 1;
    node *p, *win;

	// 创建一个win表，用来存放路径
    win = initList();	
    if(!win)
    {
        printf("win malloc fail\n");
        return;
    }

	// 由于节点中只有father(父节点)，而打印路径是从父节点开始的
	// 所以必须先从close表选择出正确的路径，因为close中可能存放不是正确路径的节点
	// 可以唯一确定的是 close->prev 一定是目的状态，由此循环往上寻找其父节点
    for(p = close->prev; p && p != close; p = p->father)
    {
        Remove(p);	// 从close表中弹出p节点
        head_insert(win, p);	// 把p节点用头插法插入到win表中
    }

	printf("the solution as follow:\n");
	// 经过头插法创建的win表，一定是按从初始状态到目标状态的排序的
    for(p = win->next; p != win; p = p->next, i++)
    {
		printf("step %d:\n", i);
        display(p->data);
        printf("\n");
    }
}

// 把当前节点(tmp) 的后继节点插入到open表中
void add(node *tmp, int cmp[N][N])
{
	node *p = initList();
				
	if(!p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		return;
	}

	copy(cmp, p->data);	// 复制棋盘状态
	p->father = tmp;	// 修改父节点指针
	head_insert(open, p);	// BFS用尾插法，DFS用头插法
}

// 深度优先搜索法
void DFS()
{
	printf("start BFS\n");
	node *tmp;
	int x, y, k, cmp[N][N];
	
	add(NULL, src);	// 把初始状态加入到open表中
	
	while(1)
	{
		// 如果open表为空，就可以退出了
		if(open->next == open)
		{
			printf("fail\n");
			return ;
		}
		
		// 从open表中取出首元节点，插入到close表的末尾
		tmp = open->next;
		Remove(tmp);
		tail_insert(close, tmp);
		
		printf("now go :%d\n", ++n);

		// 打印当前搜索出的棋盘状态
        copy(tmp->data, cur);
		printf("current:\n");
		display(cur);
		
		// 检测当前棋盘状态是否为目标状态
		if(checkWin())
		{
			printf("success\n\n");
			printf("solution as follow:\n");
			showWin();
			return;
		}

		k = 0;	// 记录当前节点的后继节点个数
		findSpace(cur, &x, &y);	// 寻找当前棋盘状态的空格坐标
		
		printf("try up\n");
		// 空格必须是处于第2行或者第3行，才能上移
		if(x >= 1)
		{
			copy(cur, cmp);	// 先复制当前状态cur到cmp中
			up(cmp, x, y);	// cmp尝试向上移
			
			// 判断cmp上移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can up\n");
			}
		}

		printf("try down\n");
		// 空格必须是处于第1行或者第2行，才能下移
		if(x <= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			down(cmp, x, y);	// cmp尝试向下移
			
			// 判断cmp下移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can down\n");
			}
		}

		printf("try left\n");
		// 空格必须是处于第2列或者第3列，才能左移
		if(y >= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			left(cmp, x, y);	// cmp尝试向左移
			
			// 判断cmp左移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can left\n");
			}
		}

		printf("try right\n");
		// 空格必须是处于第1列或者第2列，才能右移
		if(y <= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			right(cmp, x, y);	// cmp尝试向右移
		
			// 判断cmp右移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can right\n");
			}
		}

		// 如果当前状态没有后继节点，应该从close表中删除该状态
		if(k == 0)
		{
            Remove(tmp);	// 弹出当前状态
            free(tmp);		// 释放当前状态
			printf("del done\n\n");
		}
	}
}

int main()
{
	open = initList();	// 初始化open表
	close = initList(); // 初始化close表

	if(!open || !close)
	{
		printf("初始化状态失败\n");
		return  -1;
	}

	// 测试阶段建议直接定义src, init()后的src很大程度上无解
	// init();	
	printf("src:\n");
	display(src);
	
	DFS();

   return 0;
}

第二个版本（存储空格操作）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define N 	3	// 阶数，可以改为更高阶

// 定义一个结构体来表示棋盘状态
typedef struct node
{
    int data[N][N];		// 存放棋盘状态
	struct node *prev;	// 链表中的前指针
    struct node *next;	// 链表中的后指针
    struct node *father;// 搜索树的父节点
}node;

node *open;			// open表，存放未拓展的节点
node *close;		// close表，存放已经拓展的节点
static int n = 0;	// 用来记录总共搜索的次数

int src[N][N] = {2, 8, 3, 1, 0, 4, 7, 6, 5};	// 初始状态
int cur[N][N];	// 当前状态
int dest[N][N] = {1, 2, 3, 8, 0, 4, 7, 6, 5};	// 目标状态

// 生成一个节点
node *initList()
{
    int i, j;
	node *p = malloc(sizeof(node));

	if(!p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		return NULL;
	}

    p->prev = p;
    p->next = p;
    p->father = NULL;
    
	// 初始化棋盘状态
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        for(j = 0; j < N; j++)
        {
            p->data[i][j] = -1;
        }
    }

	return p;
}

// 头插法，把节点插入到链表头部
void head_insert(node *head, node *p)
{
	p->next = head->next;
	p->prev = head;
	head->next->prev = p;
	head->next = p;
}

// 尾插法，把节点插入到链表尾部
void tail_insert(node *head, node *p)
{
	p->prev = head->prev;
	head->prev->next = p;
	p->next = head;
	head->prev = p;
}

// 弹出节点
void Remove(node *p)
{
	p->prev->next = p->next;
	p->next->prev = p->prev;
	p->next = p;
	p->prev = p;
}

// 初始化棋盘
void init()
{
	int i, j, k;
	int a[N*N] = {1, 2, 3, 8, 0, 4, 7, 6, 5};
	int flag[N*N] = {0};	// 用来标记0~8中哪个数字已经出现过

	srand(time(0));
	
 	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			// 尝试生成一个0~8间的数字
			k = rand()%(N*N);
			while(1)
			{
				// 如果该数字未出现
				if(flag[k] == 0)	
				{
					flag[k] = 1;	// 修改标志位
					src[i][j] = a[k]; // 初始化对应src的位置
					break;
				}
				// 重新生成数字
				k = rand()%(N*N);
			}
		}	
	}
}

// 复制棋盘状态
void copy(int source[N][N], int dest1[N][N])
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			dest1[i][j] = source[i][j];
		}
	}
}

// 打印棋盘状态
void display(int s[N][N])
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			// 把0当做空格输出
			if(s[i][j] > 0)
			{
				printf("%d ", s[i][j]);
			}
			else if(s[i][j] == 0)
			{
				printf("  ");
			}
		}

		printf("\n");
	}
}

// 寻找出棋盘中的空格键
void findSpace(int s[N][N], int *x, int *y)
{
	int i, j;
	for(i = 0; i < N; i++)
	{
		for(j = 0; j < N; j++)
		{
			if(s[i][j] == 0)	// 找到空格
			{
				*x = i;
				*y = j;
			}
		}
	}
}

// 空格上移
void up(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第2行或者第3行，才能上移
	if(x >= 1)
	{
		s[x][y] = s[x-1][y];
		s[x-1][y] = 0;
	}
}

// 空格下移
void down(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第1行或者第2行，才能下移
	if(x <= 1)
	{
		s[x][y] = s[x+1][y];
		s[x+1][y] = 0;
	}
}

// 空格左移
void left(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第2列或者第3列，才能左移
	if(y >= 1)
	{
		s[x][y] = s[x][y-1];
		s[x][y-1] = 0;
	}
}

// 空格右移
void right(int s[N][N], int x, int y)
{
	// 空格必须是处于第1列或者第2列，才能右移
	if(y <= 1)
	{
		s[x][y] = s[x][y+1];
		s[x][y+1] = 0;
	}
}

// 检查close表中是否有重复的状态
int checkSame(int cmp[N][N])
{
    int i, j;
    node *p;
    for(p = close->next; p != close; p = p->next)
    {
        for(i = 0; i < N; i++)
        {
            for(j = 0; j < N; j++)
            {
                if(p->data[i][j] != cmp[i][j])
                {
                    i = N + 1;
                    break;
                }
            }
        }

        if(i == N && j == N)
        {
            return 1;
        }
    }

    return 0;
}

// 检查当前棋盘状态是否为目标状态
int checkWin()
{
    int i, j;
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        for(j = 0; j < N; j++)
        {
			// 检测到有不同的就立马返回，节省时间
            if(cur[i][j] != dest[i][j])
            {
                return 0;
            }
        }
    }

    return 1;
}

// 打印从初始状态到目标状态的路径
void showWin()
{
	int i = 1;
    node *p, *win;

	// 创建一个win表，用来存放路径
    win = initList();	
    if(!win)
    {
        printf("win malloc fail\n");
        return;
    }

	// 由于节点中只有father(父节点)，而打印路径是从父节点开始的
	// 所以必须先从close表选择出正确的路径，因为close中可能存放不是正确路径的节点
	// 可以唯一确定的是 close->prev 一定是目的状态，由此循环往上寻找其父节点
    for(p = close->prev; p && p != close; p = p->father)
    {
        Remove(p);	// 从close表中弹出p节点
        head_insert(win, p);	// 把p节点用头插法插入到win表中
    }

	printf("the solution as follow:\n");
	// 经过头插法创建的win表，一定是按从初始状态到目标状态的排序的
    for(p = win->next; p != win; p = p->next, i++)
    {
		printf("step %d:\n", i);
        display(p->data);
        printf("\n");
    }
}

// 把当前节点(tmp) 的后继节点插入到open表中
void add(node *tmp, int cmp[N][N])
{
	node *p = initList();
				
	if(!p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		return;
	}

	copy(cmp, p->data);	// 复制棋盘状态
	p->father = tmp;	// 修改父节点指针
	head_insert(open, p);	// BFS用尾插法，DFS用头插法
}

// 深度优先搜索法
void DFS()
{
	printf("start BFS\n");
	node *tmp;
	int x, y, k, cmp[N][N];
	
	add(NULL, src);	// 把初始状态加入到open表中
	
	while(1)
	{
		// 如果open表为空，就可以退出了
		if(open->next == open)
		{
			printf("fail\n");
			return ;
		}
		
		// 从open表中取出首元节点，插入到close表的末尾
		tmp = open->next;
		Remove(tmp);
		tail_insert(close, tmp);
		
		printf("now go :%d\n", ++n);

		// 打印当前搜索出的棋盘状态
        copy(tmp->data, cur);
		printf("current:\n");
		display(cur);
		
		// 检测当前棋盘状态是否为目标状态
		if(checkWin())
		{
			printf("success\n\n");
			printf("solution as follow:\n");
			showWin();
			return;
		}

		k = 0;	// 记录当前节点的后继节点个数
		findSpace(cur, &x, &y);	// 寻找当前棋盘状态的空格坐标
		
		printf("try up\n");
		// 空格必须是处于第2行或者第3行，才能上移
		if(x >= 1)
		{
			copy(cur, cmp);	// 先复制当前状态cur到cmp中
			up(cmp, x, y);	// cmp尝试向上移
			
			// 判断cmp上移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can up\n");
			}
		}

		printf("try down\n");
		// 空格必须是处于第1行或者第2行，才能下移
		if(x <= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			down(cmp, x, y);	// cmp尝试向下移
			
			// 判断cmp下移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can down\n");
			}
		}

		printf("try left\n");
		// 空格必须是处于第2列或者第3列，才能左移
		if(y >= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			left(cmp, x, y);	// cmp尝试向左移
			
			// 判断cmp左移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can left\n");
			}
		}

		printf("try right\n");
		// 空格必须是处于第1列或者第2列，才能右移
		if(y <= 1)
		{
			copy(cur, cmp);		// 先复制当前状态cur到cmp中
			right(cmp, x, y);	// cmp尝试向右移
		
			// 判断cmp右移后close表中是否有重复状态
			// 没有重复才可以把cmp状态加入到close表中
			if(checkSame(cmp) == 0)
			{
				k++;	// 当前节点的后继节点数加一
				add(tmp, cmp); // 把后继节点加入到open表中
				printf("can right\n");
			}
		}

		// 如果当前状态没有后继节点，应该从close表中删除该状态
		if(k == 0)
		{
            Remove(tmp);	// 弹出当前状态
            free(tmp);		// 释放当前状态
			printf("del done\n\n");
		}
	}
}

int main()
{
	open = initList();	// 初始化open表
	close = initList(); // 初始化close表

	if(!open || !close)
	{
		printf("初始化状态失败\n");
		return  -1;
	}

	// 测试阶段建议直接定义src, init()后的src很大程度上无解
	// init();	
	printf("src:\n");
	display(src);
	
	DFS();

   return 0;
}

运行截图：（其他例子自己举）

三、简单分析

如果认真且仔细看完代码的程序猿同学，根据注释的讲解，可以说基本上可以看懂了，下面再来讲解一下算法的流程图和关键易错点。

流程图如下：

关键易错点：

1、open表用来存放未拓展的节点，close表用来存放已经拓展的节点，所以说，解的路径存放在close表中，但并不一定完全是close表中的节点，因为有些是其他不符合的节点。

2、注意区分节点中的数据结构，一个版本中father指针的作用是保留父节点的指针，方便打印解的路径，而prev和next的作用是用来方便节点在链表中的操作，所以说，可以采用数组的方式来存储，此时就不需要prev和next指针了，这里不详细展开。另外一个版本的的op存放的是本状态的空格操作，x和y存放父节点空格的坐标，。

3、算法结束的条件是：open表为空，即不存在任何后继节点了，此时为无解；或者当前状态就是目标状态，即找到了正确的解。

4、空格操作的选择顺序：算法中对上移，下移，左移，右移的先后顺序要统一，不同的上下左右移动顺序会影响解的路径的长度，这点需要程序猿同学自己画图理解一下，这里比较难说明。

5、如果存在解，则解的路径可能有多条，而使用BFS一定可以打印出一条最优解，注意用词是打印，不是搜索的过程是最优，而如果使用DFS则不一定可以打印出一条最优解，如果使用A*算法（启发式搜索）则可以保证搜索过程是最优的，自然就可以打印出一条最优解。

6、如果有更加细心的程序猿同学，上面的代码有一个内存泄露的问题，最后没有对open表和close表等表中存放的节点进行内存回收，其实不然，因为程序执行完这个算法后，就会结束，此时操作系统就会自己回收该进程（程序）的所有空间，所以这步写不写都无所谓。但是如果在调用完该算法后还有别的算法调用，此时就需要进行内存回收了。

7、深度优先搜索算法可以存在进行多次搜索后，即使存在解，但仍然无法搜索到，因为搜索的深度太深，而无法回头，此时可以采用有界深度优先搜索算法或者迭代加深搜索算法来加快找到解，提高效率，但是这样可能无法找到解，当解的深度比设定的界限值大时，就无法搜索到解。

8、有界深度优先搜索算法这里不给出详细展开的代码，这里给出了两个版本，一个是节点直接存放的棋盘状态的（跟上一期的BFS的相似），另外一个是节点存放节点的空格操作，用节点的操作来推出其当前节点的状态，一个优先考虑时间，另一个优先考虑空间。