八数码（A*算法）
运行环境
c++语言，vs2019
拆开的函数
启发函数（计算消耗资源多少的函数）
F=G+H
存储走的是第几步(层数)
int G;
存储不在位的格数(作为我们的启发式函数）
int H;
存储估价函数的值
int F;
定义结构体
struct EightNum
{
//存储八数码
int status[9];
//存储走的是第几步(层数)
int G;
//存储不在位的格数(作为我们的启发式函数）
int H;
//存储估价函数的值
int F;
//存储0数码的位置
int Zero;
//存储操作符（1左2右3上4下）
int step;
//父指针
EightNum* Parent;
};
计算不在位的字格数H
下面展示一些 内联代码片。
int CountH(int* status)
{
int H = 0;
int i;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
if (FinalStatus[i] != status[i])
{
H++;
}
}
return H;
}
判断新生成的节点是否已经存在于OPEN表或CLOSE表中
下面展示一些 内联代码片。
int Exist(EightNum* N)
{
int i, j;
//计算不在位的字格数，如果为0，则证明给函数的节点在表中已存在
int H = 0;
int status[9];
Node = new EightNum;
Node = N;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = Node->status[i];
}
//判断是否在OPEN表
for (i = 0; i <= open - 1; i++)
{
for (j = 0; j <= 8; j++)
{
if (status[j] != OPEN[i].status[j])
{
H++;
}
}
//H=0证明在表中找到该节点
if (H == 0)
{
//如果在OPEN表中，返回i（节点在OPEN的位置）+ 1（在OPEN找到该节点）
return i + 1;
}
//扫描完一个节点后重置H
H = 0;
}
//判断是否在CLOSE表
for (i = 0; i <= close - 1; i++)
{
for (j = 0; j <= 8; j++)
{
if (status[j] != CLOSE[i].status[j])
{
H++;
}
}
//H=0证明在表中找到该节点
if (H == 0)
{
//如果在CLOSE表中，返回-i（i为节点在CLOSE的位置）- 1（在CLOSE找到该节点）
return (-i) - 1;
}
//扫描完一个节点后重置H
H = 0;
}
return 0;
}
初始化节点
下面展示一些 内联代码片。
EightNum* EightNumInit(int status[10], int zero, int g, EightNum* parent, int step)
{
int i;
Node = new EightNum;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
Node->status[i] = status[i];
}
Node->Zero = zero;
Node->G = g;
Node->H = CountH(Node->status);
Node->F = Node->G + Node->H;
Node->Parent = parent;
Node->step = step;
return Node;
}
对数组操作
int* Left(int* s, int z)
int* Right(int* s, int z)
int* Up(int* s, int z)
int* Down(int* s, int z)
判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
void ExistAndOperate(EightNum* N)
{
int i;
//定义表示新生成节点是否在OPEN表或CLOSE表中, 值为0 均不在，值>0 只在OPEN表，值<0 只在CLOSE表
int inList;
Node = new EightNum;
Node = N;
//如果是第一层的节点，直接加入OPEN中，返回
if (Node->G == 1)
{
OPEN[open] = *Node;
open++;
return;
}
//判断新节点是否在OPEN或CLOSE中
inList = Exist(Node);
//如果均不在两个表中，将节点加入OPEN表中
if (inList == 0)
{
//将拓展出的新结点加入到OPEN表中
OPEN[open] = *Node;
open++;
}
//如果在OPEN中，说明从初始节点到该节点找到了不同路径，保留耗散值短的那条路径
else if (inList > 0)
{
//如果表内节点F值大于新节点F值，用新节点代替表内节点
if (OPEN[inList - 1].F > Node->F)
{
OPEN[inList - 1] = *Node;
}
}
//如果在CLOSE中，说明初始节点到该节点有两条路径，如果新找到的路径耗散值大，什么都不做，如果较小，将其从CLOSE中取出放入OPEN中
else if (inList < 0)
{
inList = -inList;
//如果较小
if (CLOSE[inList - 1].F > Node->F)
{
//将其取出放入OPEN
OPEN[open] = *Node;
open++;
}
//将其在CLOSE中释放
for (i = inList - 1; i <= close - 1; i++)
{
CLOSE[i] = CLOSE[i + 1];
}
close--;
}
}
全部代码
下面展示一些 内联代码片。
#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
/*
定义结构体
*/
struct EightNum
{
//存储八数码
int status[9];
//存储走的是第几步(层数)
int G;
//存储不在位的格数(作为我们的启发式函数）
int H;
//存储估价函数的值
int F;
//存储0数码的位置
int Zero;
//存储操作符（1左2右3上4下）
int step;
//父指针
EightNum* Parent;
};
#define MAXLISTSIZE 10000
#define MAXSTEPSIZE 100
//声明最终状态
int FinalStatus[9];
//定义OPEN表和CLOSE表,open和close是表中最后一个内容的下一位序号
EightNum OPEN[MAXLISTSIZE];
EightNum CLOSE[MAXLISTSIZE];
int open = 0;
int close = 0;
EightNum* Node;
/*
计算不在位的字格数H
返回 H
*/
int CountH(int* status)
{
int H = 0;
int i;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
if (FinalStatus[i] != status[i])
{
H++;
}
}
return H;
}
/*
判断新生成的节点是否已经存在于OPEN表或CLOSE表中
返回 表征是否存在于OPEN或CLOSE的值，值为0 均不在，值>0 只在OPEN表，值<0 只在CLOSE表，|值|-1表示所在列表中的位置
*/
int Exist(EightNum* N)
{
int i, j;
//计算不在位的字格数，如果为0，则证明给函数的节点在表中已存在
int H = 0;
int status[9];
Node = new EightNum;
Node = N;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = Node->status[i];
}
//判断是否在OPEN表
for (i = 0; i <= open - 1; i++)
{
for (j = 0; j <= 8; j++)
{
if (status[j] != OPEN[i].status[j])
{
H++;
}
}
//H=0证明在表中找到该节点
if (H == 0)
{
//如果在OPEN表中，返回i（节点在OPEN的位置）+ 1（在OPEN找到该节点）
return i + 1;
}
//扫描完一个节点后重置H
H = 0;
}
//判断是否在CLOSE表
for (i = 0; i <= close - 1; i++)
{
for (j = 0; j <= 8; j++)
{
if (status[j] != CLOSE[i].status[j])
{
H++;
}
}
//H=0证明在表中找到该节点
if (H == 0)
{
//如果在CLOSE表中，返回-i（i为节点在CLOSE的位置）- 1（在CLOSE找到该节点）
return (-i) - 1;
}
//扫描完一个节点后重置H
H = 0;
}
return 0;
}
/*
初始化节点
返回 初始化后的节点Node
*/
EightNum* EightNumInit(int status[10], int zero, int g, EightNum* parent, int step)
{
int i;
Node = new EightNum;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
Node->status[i] = status[i];
}
Node->Zero = zero;
Node->G = g;
Node->H = CountH(Node->status);
Node->F = Node->G + Node->H;
Node->Parent = parent;
Node->step = step;
return Node;
}
/*
左移后的变化
返回 左移后的状态
*/
int* Left(int* s, int z)
{
int temp, i;
static int status[9];
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = s[i];
}
//左移则是下标减1，需要与前一个位置进行值的交换
temp = status[z - 1];
status[z - 1] = 0;
status[z] = temp;
return status;
}
/*
右移后的变化
返回 右移后的状态
*/
int* Right(int* s, int z)
{
int temp, i;
static int status[9];
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = s[i];
}
//右移则是下表加一，需要与后一个位置的值交换
temp = status[z + 1];
status[z + 1] = 0;
status[z] = temp;
return status;
}
/*
上移后的变化
返回 上移后的状态
*/
int* Up(int* s, int z)
{
int temp, i;
static int status[9];
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = s[i];
}
//上移则是下标减三
temp = status[z - 3];
status[z - 3] = 0;
status[z] = temp;
return status;
}
/*
下移后的变化
返回 下移后的状态
*/
int* Down(int* s, int z)
{
int temp, i;
static int status[9];
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
status[i] = s[i];
}
//加三
temp = status[z + 3];
status[z + 3] = 0;
status[z] = temp;
return status;
}
/*
判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
返回值 NULL
*/
void ExistAndOperate(EightNum* N)
{
int i;
//定义表示新生成节点是否在OPEN表或CLOSE表中, 值为0 均不在，值>0 只在OPEN表，值<0 只在CLOSE表
int inList;
Node = new EightNum;
Node = N;
//如果是第一层的节点，直接加入OPEN中，返回
if (Node->G == 1)
{
OPEN[open] = *Node;
open++;
return;
}
//判断新节点是否在OPEN或CLOSE中
inList = Exist(Node);
//如果均不在两个表中，将节点加入OPEN表中
if (inList == 0)
{
//将拓展出的新结点加入到OPEN表中
OPEN[open] = *Node;
open++;
}
//如果在OPEN中，说明从初始节点到该节点找到了不同路径，保留耗散值短的那条路径
else if (inList > 0)
{
//如果表内节点F值大于新节点F值，用新节点代替表内节点
if (OPEN[inList - 1].F > Node->F)
{
OPEN[inList - 1] = *Node;
}
}
//如果在CLOSE中，说明初始节点到该节点有两条路径，如果新找到的路径耗散值大，什么都不做，如果较小，将其从CLOSE中取出放入OPEN中
else if (inList < 0)
{
inList = -inList;
//如果较小
if (CLOSE[inList - 1].F > Node->F)
{
//将其取出放入OPEN
OPEN[open] = *Node;
open++;
}
//将其在CLOSE中释放
for (i = inList - 1; i <= close - 1; i++)
{
CLOSE[i] = CLOSE[i + 1];
}
close--;
}
}
/*
寻找最佳路径函数
返回 最后的节点Node
*/
EightNum* Search()
{
int* status;
int i, j;
EightNum* Temp;
//一直循环知道找到解结束
while (1)
{
Temp = new EightNum;
//用冒泡排序给OPEN表里面的f大小进行排序
for (i = open - 1; i > 0; i--)
{
for (j = 0; j < i; j++)
{
if (OPEN[j].F > OPEN[j + 1].F)
{
*Temp = OPEN[j + 1];
OPEN[j + 1] = OPEN[j];
OPEN[j] = *Temp;
}
}
}
Node = new EightNum;
//从OPEN表中取出第一个元素（F值最小）
*Node = OPEN[0];
//判断该节点是否是目标节点，若是，则不在位的格数为0，算法结束，若不是，则将该结点进行扩展
if (!CountH(Node->status))
{
break;
}
Temp = Node;
//将扩展过的节点放入CLOSE
CLOSE[close] = *Node;
close++;
//将扩展的节点从OPEN中释放
for (i = 0; i <= open - 1; i++)
{
//相当于是出栈
OPEN[i] = OPEN[i + 1];
}
open--;
//如果能左移，则进行左移创造新结点，下标为0，3，6则不能进行左移
if ((Temp->Zero) % 3 >= 1)
{
//创造新结点
Node = new EightNum;
//得到新的状态
status = Left(Temp->status, Temp->Zero);
//初始化新结点
Node = EightNumInit(status, Temp->Zero - 1, (Temp->G) + 1, Temp, 1);
//判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
ExistAndOperate(Node);
}
//如果能右移，则进行右移创造新结点 ，下标为2，5，8则不能
if ((Temp->Zero) % 3 <= 1)
{
//创造新结点
Node = new EightNum;
//得到新的状态
status = Right(Temp->status, Temp->Zero);
//初始化新结点
Node = EightNumInit(status, Temp->Zero + 1, (Temp->G) + 1, Temp, 2);
//判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
ExistAndOperate(Node);
}
//如果能上移，则进行上移创造新结点 ，下标为0，1，2则不可以
if (Temp->Zero >= 3)
{
Node = new EightNum;
//得到新的状态
status = Up(Temp->status, Temp->Zero);
//初始化新结点
Node = EightNumInit(status, Temp->Zero - 3, (Temp->G) + 1, Temp, 3);
//判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
ExistAndOperate(Node);
}
//如果能下移，则进行下移创造新结点 ，下标为6，7，8则不可以
if (Temp->Zero <= 5)
{
Node = new EightNum; //创造新结点
status = Down(Temp->status, Temp->Zero); //得到新的状态
Node = EightNumInit(status, Temp->Zero + 3, (Temp->G) + 1, Temp, 4); //初始化新结点
ExistAndOperate(Node); //判断子节点是否在OPEN或CLOSE中，并进行对应的操作
}
//如果open=0， 证明算法失败， 没有解
if (open == 0)
return NULL;
}
return Node;
}
void ShowStep(EightNum* Node)
{
int STEP[MAXSTEPSIZE];
int STATUS[MAXSTEPSIZE][9];
int step = 0;
int i, j;
int totalStep = Node->G;
while (Node)
{
STEP[step] = Node->step;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
STATUS[step][i] = Node->status[i];
}
step++;
Node = Node->Parent;
}
cout << "----------------------" << endl;
cout << "总步数：" << totalStep << endl;
cout << "----------------------" << endl;
for (i = step - 1; i >= 0; i--)
{
if (STEP[i] == 1)
cout << "向左走一步" << endl;
else if (STEP[i] == 2)
cout << "向右走一步" << endl;
else if (STEP[i] == 3)
cout << "向上走一步" << endl;
else if (STEP[i] == 4)
cout << "向下走一步" << endl;
else if (STEP[i] == 0)
cout << "开始：" << endl;
for (j = 0; j <= 8; j++)
{
cout << STATUS[i][j] << " ";
//换行输出
if (j == 2 || j == 5 || j == 8)
cout << endl;
}
cout << "----------------------" << endl;
}
}
/*
主函数
*/
int main()
{
int fstatus[9];
int i, beginTime, endTime;
EightNum* FNode;
EightNum* EndNode;
//输入初始状态
cout << "请输入初始状态：" << endl;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
cin >> fstatus[i];
}
cout << endl;
//输入最终状态
cout << "请输入最终状态：" << endl;
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
cin >> FinalStatus[i];
}
beginTime = clock();
//判断0数码的位置
for (i = 0; i <= 8; i++)
{
if (fstatus[i] == 0)
break;
}
//获得初始节点
FNode = EightNumInit(fstatus, i, 0, NULL, 0);
//将初始节点放入OPEN中
OPEN[open] = *FNode;
open++;
//寻找最佳路径
EndNode = Search();
if (!EndNode)
cout << "无解" << endl;
else
ShowStep(EndNode); //展示步骤
endTime = clock();
cout << "Run Time:" << endTime - beginTime << "ms" << endl;
return 0;
}