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Java 中的八皇后问题

作者:迹忆客 最近更新:2023/08/01 浏览次数:

本文介绍了 Java 中的八皇后问题。


Java 中的八皇后问题

八皇后问题是我们必须将八个皇后放置在 8x8 的棋盘上,并且不能互相攻击。 这意味着两个皇后不能位于同一行、同一列或同一对角线上,因为在国际象棋中皇后可以在同一行、同一列或对角线上移动。

回溯可用于解决 Java 中的八皇后或 N 皇后问题。 首先,我们来讨论一下回溯算法。

使用回溯算法解决八皇后问题

使用回溯算法解决八皇后问题的想法是从最左边的列开始将皇后单独放置在不同的列中。 我们将一个皇后放在一列中,然后检查与之前放置的其他皇后的冲突。

然后在一列中,如果一行不在冲突中,我们将列和行都标记为八皇后问题解决方案的一部分。 如果我们没有找到不冲突的情况,就会使用回溯,并且返回 false。

以下是使用回溯算法解决八皇后问题的逐步过程:

  1. 首先,从最左边的列开始。
  2. 设定一个条件,即如果所有皇后都已放置,则代码应返回 true。
  3. 现在执行以下操作并尝试列中的每一行:
    • 如果皇后安全地放置在一行中,则该行和该列将被标记为递归检查其他解决方案的解决方案的一部分。
    • 如果皇后安全地排成一行,则返回 true。
    • 如果皇后没有安全地放置在一行中,则取消标记该行和列,回溯解决方案,回到第一个选项,并将该解决方案应用于其他行。
  4. 如果我们检查了所有行并且没有解决方案,我们应该返回 false 以触发回溯算法。

现在我们尝试根据上述步骤实现一个示例:

package jiyik;

public class EightQueen {
    //Size of the board should be 8x8 for the eight queens problem
    public static final int SIZE_OF_BOARD = 8;

    boolean[][] BOARD_BOOLEAN;
    //For an empty place
    public static final boolean EMPTY_PLACE = false;
    //For a place that contains a queen
    public static final boolean QUEEN_PLACE = true;
    //The number of moves
    public static final int MOVES_NUMBER = 4;
    //The horizontal moves
    int[] Horizontal_Moves;
    //The Vertical moves
    int[] Vertical_Moves;

    public int Queens = 0;

    public EightQueen() {
        //Constructor creates an empty board
        BOARD_BOOLEAN = new boolean[SIZE_OF_BOARD][SIZE_OF_BOARD];
        for (int row = 0; row < BOARD_BOOLEAN.length; row++) {
            for (int col = 0; col < BOARD_BOOLEAN[row].length; col++) {
                BOARD_BOOLEAN[row][col] = EMPTY_PLACE;
            }
        }

        Horizontal_Moves = new int[MOVES_NUMBER];
        Vertical_Moves = new int[MOVES_NUMBER];
        //move up right
        Horizontal_Moves[0] = -1;
        Vertical_Moves[0] = 1;
        //move down left
        Horizontal_Moves[1] = 1;
        Vertical_Moves[1] = -1;
        //move up left
        Horizontal_Moves[2] = -1;
        Vertical_Moves[2] = -1;
        //move down right
        Horizontal_Moves[3] = 1;
        Vertical_Moves[3] = 1;
    }

    public boolean Queens_Placing (int Board_Column) {

        if (Board_Column >= SIZE_OF_BOARD) {
            return true;
        }
        else {
            boolean Queen_Placed = false;
            int Board_Row = 0;

            while (!Queen_Placed && Board_Row < SIZE_OF_BOARD) {
                if (Queen_UnderAttack(Board_Row, Board_Column)) {
                    ++Board_Row;
                }
                else{
                    Set_Queen(Board_Row, Board_Column);
                    Queen_Placed = Queens_Placing(Board_Column + 1);
                    if (!Queen_Placed) {
                        Remove_Queen(Board_Row,Board_Column);
                        ++Board_Row;
                    }
                }
            }
            return Queen_Placed;
        }
    }


    private void Remove_Queen(int Board_Row, int Board_Column) {
        BOARD_BOOLEAN[Board_Row][Board_Column] = EMPTY_PLACE;
        // Remove the comment from the code below to check which place the queen was removed.
        //System.out.printf("The queen is REMOVED from [%d][%d]\n", Board_Row, Board_Column);
        --Queens;
    }

    private void Set_Queen(int Board_Row, int Board_Column) {
        BOARD_BOOLEAN[Board_Row][Board_Column] = QUEEN_PLACE;
        // Remove the comments from the code below to check where the queen was placed
        //System.out.printf("The queen is PLACED in [%d][%d]\n", Board_Row, Board_Column);
        ++Queens;
    }

    public boolean Queen_UnderAttack(int Board_Row, int Board_Column) {

        boolean Queen_Condition = false;
        // check the row
        for (int Column = 0; Column < SIZE_OF_BOARD; Column++) {
            if ((BOARD_BOOLEAN[Board_Row][Column] == true)) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }

        // check the column
        for (int Row = 0; Row < BOARD_BOOLEAN.length; Row++) {
            if (BOARD_BOOLEAN[Row][Board_Column] == true) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }

        // check the diagonal
        for (int Row = Board_Row, Column = Board_Column; Row >= 0 && Column < 8; Row += Horizontal_Moves[0], Column += Vertical_Moves[0]) {
            if (BOARD_BOOLEAN[Row][Column] == true) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }
        for (int Row = Board_Row, Column = Board_Column; Row < 8 && Column >= 0; Row += Horizontal_Moves[1], Column += Vertical_Moves[1]) {
            if (BOARD_BOOLEAN[Row][Column] == true) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }
        for (int Row = Board_Row, Column = Board_Column; Row >= 0 && Column >= 0; Row += Horizontal_Moves[2], Column += Vertical_Moves[2]) {
            if (BOARD_BOOLEAN[Row][Column] == true) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }
        for (int Row = Board_Row, Column = Board_Column; Row < 8 && Column < 8; Row += Horizontal_Moves[3], Column += Vertical_Moves[3]) {
            if (BOARD_BOOLEAN[Row][Column] == true) {
                Queen_Condition = true;
            }
        }

        return Queen_Condition;
    }

    public void Display_Board () {
        int Count = 0;
        for (int Board_Row = 0; Board_Row < BOARD_BOOLEAN.length; Board_Row++) {
            for (int Board_Column = 0; Board_Column < BOARD_BOOLEAN[Board_Row].length; Board_Column++) {
               if (BOARD_BOOLEAN[Board_Row][Board_Column] == true) {
                   System.out.printf("|%s| ", " Q ");
                   Count++;
               }
               else {
                   System.out.printf("|%s| ", " X ");
                }
            }
            System.out.println();

        }

        System.out.printf("%d queens problem is solved, the queens are placed.\n", Count);
    }

    public static void main(String[] arg) {
        EightQueen EightQueen_Problem = new EightQueen();
        EightQueen_Problem.Queens_Placing(0);
        EightQueen_Problem.Display_Board();
    }
}

上面的代码使用回溯算法解决方案实现了八皇后问题。 它将把蜂后放置在不能互相残杀的地方。

查看输出,其中 Q 表示皇后:

| Q | | X | | X | | X | | X | | X | | X | | X |
| X | | X | | X | | X | | X | | X | | Q | | X |
| X | | X | | X | | X | | Q | | X | | X | | X |
| X | | X | | X | | X | | X | | X | | X | | Q |
| X | | Q | | X | | X | | X | | X | | X | | X |
| X | | X | | X | | Q | | X | | X | | X | | X |
| X | | X | | X | | X | | X | | Q | | X | | X |
| X | | X | | Q | | X | | X | | X | | X | | X |
8 queens problem is solved, the queens are placed.

上述算法的时间复杂度为O(N!),辅助空间为O(N2)。

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