有八数码问题的源代码吗？可以发给我吗 865488021@qq.com
最新回答
偶尔动情
2024-11-26 19:59:58
八数码问题一般使用搜索法来解。搜索法有广度优先搜索法、深度优先搜索法、A*算法等。这里通过用不同方法解八数码问题来比较一下不同搜索法的效果。
二.搜索算法基类
1.八数码问题的状态表示
八数码问题的一个状态就是八个数字在棋盘上的一种放法。每个棋子用它上面所标的数字表示，并用0表示空格，这样就可以将棋盘上棋子的一个状态存储在一个一维数组p[9]中，存储的顺序是从左上角开始，自左至右，从上到下。也可以用一个二维数组来存放。
2.结点
搜索算法中，问题的状态用结点描述。结点中除了描述状态的数组p[9]外，还有一个父结点指针last，它记录了当前结点的父结点编号，如果一个结点v是从结点u经状态变化而产生的，则结点u就是结点v的父结点，结点v的last记录的就是结点u的编号。在到达目标结点后，通过last 可以找出搜索的路径。
3.类的结构
在C++中用类来表示结点，类将结点有关的数据操作封装在一起。
不同的搜索算法具有一定共性，也有各自的个性，因此这里将不同搜索算法的共有的数据和功能封装在一个基类中，再通过继承方式实现不同的搜索算法。
4.结点扩展规则
搜索就是按照一定规则扩展已知结点，直到找到目标结点或所有结点都不能扩展为止。
八数码问题的结点扩展应当遵守棋子的移动规则。按照棋子移动的规则，每一次可以将一个与空格相邻棋子移动到空格中，实际上可以看作是空格作相反移动。空格移动的方向可以是右、下、左、上，当然不能移出边界。棋子的位置，也就是保存状态的数组元素的下标。空格移动后，它的位置发生变化，在不移出界时，空格向右、下、左和上移动后，新位置是原位置分别加上1、3、-1、-3，如果将空格向右、下、左和上移动分别用0、1、2、3表示，并将-3、3、-1、1放在静态数组d[4]中，空格位置用spac表示，那么空格向方向i移动后，它的位置变为spac+d[i]。空格移动所产生的状态变化，反映出来则是将数组p[]中，0的新位置处的数与0交换位置。
5.八数码问题的基类
八数码问题的基类及其成员函数的实现如下：
#define Num 9
class TEight
{
public:
TEight(){}
TEight(char *fname); //用文件数据构造节点
virtual void Search()=0; //搜索
protected:
int p[Num];
int last,spac;
static int q[Num],d[],total;
void Printf();
bool operator==(const TEight &T);
bool Extend(int i);
};
int TEight::q[Num];//储存目标节点
int TEight::d[]=;//方向
int TEight::total=0;//步数
TEight::TEight(char *fname)
{
ifstream fin;
fin.open(fname,ios::in);
if(!fin)
{
cout<<"不能打开数据文件!"<<endl;
return;
}
int i;
for(i=0;i<Num;)//得到源节点
fin>>p[i++];
fin>>spac;
for(i=0;i<Num;)//得到目标节点
fin>>q[i++];
fin.close();
last=-1;
total=0;
}
void TEight::Printf()//把路径打印到结果文件
{
ofstream fout;
fout.open("eight_result.txt",ios::ate|ios::app);
fout<<total++<<"t";
for(int i=0;i<Num;)
fout<<" "<<p[i++];
fout<<endl;
fout.close();
}
bool TEight::operator==(const TEight &T)//判断两个状态是否相同
{
for(int i=0;i<Num;)
if(T.p[i]!=p[i++])
return 0;
return 1;
}
bool TEight::Extend(int i)//扩展
{
if(i==0 && spac%3==2 || i==1 && spac>5
|| i==2 && spac%3==0 || i==3 && spac<3)
return 0;
int temp=spac;
spac+=d[i];
p[temp]=p[spac];
p[spac]=0;
return 1;
}
数据文件的结构：
一共三行，第一行是用空格隔开的九个数字0~8，这是初始状态。第二行是一个数字，空格（数字0）的位置，第三行也是用空格隔开的九个数字0~8，这是目标状态。
三.线性表
搜索法在搜索过程中，需要使用一个队列存储搜索的中间结点，为了在找到目标结点后，能够找到从初始结点到目标结点的路径，需要保留所有搜索过的结点。另一方面，不同问题甚至同一问题的不同搜索方法中，需要存储的结点数量相差很大，所以这里采用链式线性表作为存储结构，同时，为适应不同问题，线性表设计成类模板形式。
template<class Type> class TList; //线性表前视定义
template<class Type> class TNode //线性表结点类模板
{
friend class TList<Type>;
public:
TNode(){}
TNode(const Type& dat);
private:
TNode<Type>* Next;
Type Data;
};
template<class Type> class TList
{
public:
TList() //构造函数
int Getlen()const //成员函数，返回线性表长度
int Append(const Type& T); //成员函数，从表尾加入结点
int Insert(const Type& T,int k); //成员函数，插入结点
Type GetData(int i); //成员函数，返回结点数据成员
void SetData(const Type& T,int k); //成员函数，设置结点数据成员
private:
TNode<Type> *First,*Last; //数据成员，线性表首、尾指针
int Length; //数据成员，线性表长度
};
template<class Type> int TList<Type>::Append(const Type& T)
{
Insert(T,Length);
return 1;
}
template<class Type> int TList<Type>::Insert(const Type& T,int k)
{
TNode<Type> *p=new TNode<Type>;
p->Data=T;
if(First)
{
if(k<=0)
{
p->Next=First;
First=p;
}
if(k>Length-1)
{
Last->Next=p;
Last=Last->Next;
Last->Next=0;
}
if(k>0 && k<Length)
{
k--;
TNode<Type> *q=First;
while(k-->0)
q=q->Next;
p->Next=q->Next;
q->Next=p;
}
}
else
{
First=Last=p;
First->Next=Last->Next=0;
}
Length++;
return 1;
}
template<class Type> Type TList<Type>::GetData(int k)
{
TNode<Type> *p=First;
while(k-->0)
p=p->Next;
return p->Data;
}
template<class Type> void TList<Type>::SetData(const Type& T,int k)
{
TNode<Type> *p=First;
while(k-->0)
p=p->Next;
p->Data=T;
}
线性表单独以头文件形式存放。
四.广度优先搜索法
在搜索法中，广度优先搜索法是寻找最短路经的首选。
1.广度优先搜索算法的基本步骤
1）建立一个队列，将初始结点入队，并设置队列头和尾指针
2）取出队列头（头指针所指）的结点进行扩展，从它扩展出子结点，并将这些结点按扩展的顺序加入队列。
3）如果扩展出的新结点与队列中的结点重复，则抛弃新结点，跳至第六步。
4）如果扩展出的新结点与队列中的结点不重复，则记录其父结点，并将它加入队列，更新队列尾指针。
5）如果扩展出的结点是目标结点，则输出路径，程序结束。否则继续下一步。
6）如果队列头的结点还可以扩展，直接返回第二步。否则将队列头指针指向下一结点，再返回第二步。
2.搜索路径的输出
搜索到目标结点后，需要输出搜索的路径。每个结点有一个数据域last，它记录了结点的父结点，因此输出搜索路径时，就是从目标结点Q出发，根据last找到它的父结点，再根据这个结点的last找到它的父结点，....,最后找到初始结点。搜索的路径就是从初始结点循相反方向到达目标结点的路径。
3.广度优先搜索法TBFS类的结构
广度优先搜索法TBFS类是作为TEight类的一个子类。其类的结构和成员函数的实现如下：
class TBFS:public TEight
{
public:
TBFS(){}
TBFS(char *fname):TEight(fname){}
virtual void Search();
private:
void Printl(TList<TBFS> &L);
int Repeat(TList<TBFS> &L);
int Find();
};
void TBFS::Printl(TList<TBFS> &L)
{
TBFS T=*this;
if(T.last==-1)
return;
else
{
T=L.GetData(T.last);
T.Printl(L);
T.Printf();
}
}
int TBFS::Repeat(TList<TBFS> &L)
{
int n=L.Getlen();
int i;
for(i=0;i<n;i++)
if(L.GetData(i)==*this)
break;
return i;
}
int TBFS::Find()
{
for(int i=0;i<Num;)
if(p[i]!=q[i++])
return 0;
return 1;
}
void TBFS::Search()
{
TBFS T=*this;
TList<TBFS> L;
L.Append(T);
int head=0,tail=0;
while(head<=tail)
{
for(int i=0;i<4;i++)
{
T=L.GetData(head);
if(T.Extend(i) && T.Repeat(L)>tail)
{
T.last=head;
L.Append(T);
tail++;
}
if(T.Find())
{
T.Printl(L);
T.Printf();
return;
}
}
head++;
}
}
4.广度优先搜索法的缺点
广度优先搜索法在有解的情形总能保证搜索到最短路经，也就是移动最少步数的路径。但广度优先搜索法的最大问题在于搜索的结点数量太多，因为在广度优先搜索法中，每一个可能扩展出的结点都是搜索的对象。随着结点在搜索树上的深度增大，搜索的结点数会很快增长，并以指数形式扩张，从而所需的存储空间和搜索花费的时间也会成倍增长。
五、A*算法
1.启发式搜索
广度优先搜索和双向广度优先搜索都属于盲目搜索，这在状态空间不大的情况下是很合适的算法，可是当状态空间十分庞大时，它们的效率实在太低，往往都是在搜索了大量无关的状态结点后才碰到解答，甚至更本不能碰到解答。
搜索是一种试探性的查寻过程，为了减少搜索的盲目性引，增加试探的准确性，就要采用启发式搜索了。所谓启发式搜索就是在搜索中要对每一个搜索的位置进行评估，从中选择最好、可能容易到达目标的位置，再从这个位置向前进行搜索，这样就可以在搜索中省略大量无关的结点，提高了效率。
2.A*算法
A*算法是一种常用的启发式搜索算法。
在A*算法中，一个结点位置的好坏用估价函数来对它进行评估。A*算法的估价函数可表示为：
f'(n) = g'(n) + h'(n)
这里，f'(n)是估价函数，g'(n)是起点到终点的最短路径值（也称为最小耗费或最小代价），h'(n)是n到目标的最短路经的启发值。由于这个f'(n)其实是无法预先知道的，所以实际上使用的是下面的估价函数：
f(n) = g(n) + h(n)
其中g(n)是从初始结点到节点n的实际代价，h(n)是从结点n到目标结点的最佳路径的估计代价。在这里主要是h(n)体现了搜索的启发信息，因为g(n)是已知的。用f(n)作为f'(n)的近似，也就是用g(n)代替g'(n)，h(n)代替h'(n)。这样必须满足两个条件：（1）g(n)>=g'(n)（大多数情况下都是满足的，可以不用考虑），且f必须保持单调递增。（2）h必须小于等于实际的从当前节点到达目标节点的最小耗费h(n)<=h'(n)。第二点特别的重要。可以证明应用这样的估价函数是可以找到最短路径的。
3.A*算法的步骤
A*算法基本上与广度优先算法相同，但是在扩展出一个结点后，要计算它的估价函数，并根据估价函数对待扩展的结点排序，从而保证每次扩展的结点都是估价函数最小的结点。
A*算法的步骤如下：
1）建立一个队列，计算初始结点的估价函数f，并将初始结点入队，设置队列头和尾指针。
2）取出队列头（队列头指针所指）的结点，如果该结点是目标结点，则输出路径，程序结束。否则对结点进行扩展。
3）检查扩展出的新结点是否与队列中的结点重复，若与不能再扩展的结点重复（位于队列头指针之前），则将它抛弃；若新结点与待扩展的结点重复（位于队列头指针之后），则比较两个结点的估价函数中g的大小，保留较小g值的结点。跳至第五步。
4）如果扩展出的新结点与队列中的结点不重复，则按照它的估价函数f大小将它插入队列中的头结点后待扩展结点的适当位置，使它们按从小到大的顺序排列，最后更新队列尾指针。
5）如果队列头的结点还可以扩展，直接返回第二步。否则将队列头指针指向下一结点，再返回第二步。
4.八数码问题的A*算法的估价函数
估价函数中，主要是计算h，对于不同的问题，h有不同的含义。那么在八数码问题中，h的含意是各什么？八数码问题的一个状态实际上是数字0~8的一个排列，用一个数组p[9]来存储它，数组中每个元素的下标，就是该数在排列中的位置。例如，在一个状态中，p[3]=7，则数字7的位置是3。如果目标状态数字3的位置是8，那么数字7对目标状态的偏移距离就是3，因为它要移动3步才可以回到目标状态的位置。
八数码问题中，每个数字可以有9个不同的位置，因此，在任意状态中的每个数字和目标状态中同一数字的相对距离就有9*9种，可以先将这些相对距离算出来，用一个矩阵存储，这样只要知道两个状态中同一个数字的位置，就可查出它们的相对距离，也就是该数字的偏移距离：
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 0 1 2 1 2 3 2 3 4
1 1 0 1 2 1 2 3 2 3
2 2 1 0 3 2 1 4 3 2
3 1 2 3 0 1 2 1 2 3
4 2 1 2 1 0 1 2 1 2
5 3 2 1 2 1 0 3 2 1
6 2 3 4 1 2 3 0 1 2
7 3 2 3 2 1 2 1 0 1
8 4 3 2 3 2 1 2 1 0
例如在一个状态中，数字8的位置是3，在另一状态中位置是7，那么从矩阵的3行7列可找到2，它就是8在两个状态中的偏移距离。
估价函数中的h就是全体数字偏移距离之和。显然，要计算两个不同状态中同一数字的偏移距离，需要知道该数字在每个状态中的位置，这就要对数组p[9]进行扫描。由于状态发生变化，个数字的位置也要变化，所以每次计算h都沿线扫描数组，以确定每个数字在数组中的位置。为了简化计算，这里用一个数组存储状态中各个数字的位置，并让它在状态改变时随着变化，这样就不必在每次计算h时，再去扫描状态数组。
例如，某个状态中，数字5的位置是8，如果用数组r[9]存储位置，那么就有r[5]=8。
现在用数组r[9]存储当前状态的数字位置，而用s[9]存储目标状态的数字位置，那么当前状态数字i对目标状态的偏移距离就是矩阵中r[i]行s[i]列对应的值。
5.A*算法的类结构
A*算法的类声明如下：
class TAstar:public TEight
{
public:
TAstar(){} //构造函数
TAstar(char *fname); //带参数构造函数
virtual void Search(); //A*搜索法
private:
int f,g,h; //估价函数
int r[Num]; //存储状态中各个数字位置的辅助数组
static int s[Num]; //存储目标状态中各个数字位置的辅助数组
static int e[]; //存储各个数字相对距离的辅助数组
void Printl(TList<TAstar> L); //成员函数，输出搜索路径
int Expend(int i); //成员函数，A*算法的状态扩展函数
int Calcuf(); //成员函数，计算估价函数
void Sort(TList<TAstar>& L,int k); //成员函数，将新扩展结点按f从小到大顺序插入待扩展结点队列
int Repeat(TList<TAstar> &L); //成员函数，检查结点是否重复
};
int TAstar::s[Num],TAstar::e[Num*Num];
TAstar::TAstar(char *fname):TEight(fname)
{
for(int i=0;i<Num;)
{
r[p[i]]=i; //存储初始状态个个数字的位置
s[q[i]]=i++; //存储目标状态个个数字的位置
}
ifstream fin;
fin.open("eight_dis.txt",ios::in); //打开数据文件
if(!fin)
{
cout<<"不能打开数据文件!"<<endl;
return;
}
for(int i=0;i<Num*Num;i++) //读入各个数字相对距离值
fin>>e[i];
fin.close();
f=g=h=0; //估价函数初始值
}
void TAstar::Printl(TList<TAstar> L)
{
TAstar T=*this;
if(T.last==-1) return;
else
{
T=L.GetData(T.last);
T.Printl(L);
T.Printf();
}
}
int TAstar::Expend(int i)
{
if(Extend(i)) //结点可扩展
{
int temp=r[p[r[0]]]; //改变状态后数字位置变化，存储改变后的位置
r[p[r[0]]]=r[0];
r[0]=temp;
return 1;
}
return 0;
}
int TAstar::Calcuf()
{
h=0;
for(int i=0;i<Num;i++) //计算估价函数的 h
h+=e[Num*r[i]+s[i]];
return ++g+h;
}
void TAstar::Sort(TList<TAstar>& L,int k)
{
int n=L.Getlen();
int i;
for(i=k+1;i<n;i++)
{
TAstar T=L.GetData(i);
if(this->f<=T.f)
break;
}
L.Insert(*this,i);
}
int TAstar::Repeat(TList<TAstar> &L)
{
int n=L.Getlen();
int i;
for(i=0;i<n;i++)
if(L.GetData(i)==*this)
break;
return i;
}
void TAstar::Search()
{
TAstar T=*this; //初始结点
T.f=T.Calcuf(); //初始结点的估价函数
TList<TAstar> L; //建立队列
L.Append(T); //初始结点入队
int head=0,tail=0; //队列头和尾指针
while(head<=tail) //队列不空则循环
{
for(int i=0;i<4;i++) //空格可能移动方向
{
T=L.GetData(head); //去队列头结点
if(T.h==0) //是目标结点
{
T.Printl(L);//输出搜索路径
T.Printf(); //输出目标状态
return; //结束
}
if(T.Expend(i)) //若结点可扩展
{
int k=T.Repeat(L); //返回与已扩展结点重复的序号
if(k<head) //如果是不能扩展的结点
continue; //丢弃
T.last=head; //不是不能扩展的结点，记录父结点
T.f=T.Calcuf(); //计算f
if(k<=tail) //新结点与可扩展结点重复
{
TAstar Temp=L.GetData(k);
if(Temp.g>T.g) //比较两结点g值
L.SetData(T,k); //保留g值小的
continue;
}
T.Sort(L,head) ; //新结点插入可扩展结点队列
tail++; //队列尾指针后移
}
}
head++; //一个结点不能再扩展，队列头指针指向下一结点
}
}
六、测试程序
A*算法的测试：
int main()
{
TAstar aStar("eight.txt");
aStar.Search();
system("pauze");
return 0;
}
eight.txt文件中的数据（初始态和目标态）：
一共三行，第一行是用空格隔开的九个数字0~8，这是初始状态。第二行是一个数字，空格（数字0）的位置，第三行也是用空格隔开的九个数字0~8，这是目标状态。
8 3 5 1 2 7 4 6 0
8
1 2 3 4 5 6 7 8 0
eight_dis.txt中的数据（估计函数使用）
0 1 2 1 2 3 2 3 4
1 0 1 2 1 2 3 2 3
2 1 0 3 2 1 4 3 2
1 2 3 0 1 2 1 2 3
2 1 2 1 0 1 2 1 2
3 2 1 2 1 0 3 2 1
2 3 4 1 2 3 0 1 2
3 2 3 2 1 2 1 0 1
4 3 2 3 2 1 2 1 0
eight_Result.txt中的结果（运行后得到的结果）
七、算法运行结果
1.BFS算法只能适用于到达目标结点步数较少的情况，如果步数超过15步，运行时间太长，实际上不再起作用。
2.对于随机生成的同一个可解状态，BFS算法最慢，DBFS算法较慢，A*算法较快。但在15步以内，DBFS算法与A*算法相差时间不大，超过15步后，随步数增加，A*算法的优势就逐渐明显，A*算法要比DBFS算法快5倍以上，并随步数增大而增大。到25步以上，DBFS同样因运行时间过长而失去价值。
3.一般来说，解答的移动步数每增加1，程序运行时间就要增加5倍以上。由于八数码问题本身的特点，需要检查的节点随步数增大呈指数形式增加，即使用A*算法，也难解决移动步数更多的问题。
八、问题可解性
八数码问题的一个状态实际上是0~9的一个排列，对于任意给定的初始状态和目标，不一定有解，也就是说从初始状态不一定能到达目标状态。因为排列有奇排列和偶排列两类，从奇排列不能转化成偶排列或相反。
如果一个数字0~8的随机排列871526340，用F(X)表示数字X前面比它小的数的个数，全部数字的F(X)之和为Y=∑(F(X))，如果Y为奇数则称原数字的排列是奇排列，如果Y为偶数则称原数字的排列是偶排列。
例如871526340这个排列的
Y=0+0+0+1+1+3+2+3+0=10
10是偶数，所以他偶排列。871625340
Y=0+0+0+1+1+2+2+3+0=9
9是奇数，所以他奇排列。
因此，可以在运行程序前检查初始状态和目标状态的窘是否相同，相同则问题可解，应当能搜索到路径。否则无解。
PS:整理自网络
另外,团IDC网上有许多产品团购,便宜有口碑
热门标签
