学习笔记——双向BFS

简介

双向BFS就是在一直当前状态和期望状态时，从当前和期望两个状态同时出发，直到某个状态同时被访问到两次，那么当前状态->被访问两次的状态->目标状态就是当前状态到目标状态的解。那具体会有多块呢？加入每一次搜索都有n个新的状态（比如迷宫问题就是上下左右四个状态），从起点到目标路径长为m，那就要搜索 $n+n^{2}+n^{3}+......+n^{m}$个状态，状态数就是 $n^{m+1}$数量级的，若是双向广搜呢？在路径中点就能相遇，状态数是 $2*n^{m/2+1}$数量级的，比起朴素的BFS，枚举状态数少了很多，所以对于从起始状态和目标状态已知的情况，我们可以使用双向BFS来优化程序的时间复杂度。下面通过一个例子来看看优化的效果。

Q1八数码难题

原题传送门->洛谷P1379
搜先看一下朴素的单搜

#include<iostream>
#include<vector>
#include<climits>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional>
#include<set>
#include<algorithm>
#include<map>
using namespace std;
#define il inline
#define min(a,b) (a<b?a:b)
#define max(a,b) (a>b?a:b)
#define MAX ((int)1e9)
struct node {
    int map[3][3];
    int x, y, val;
    node(int ma[3][3], int x, int y, int val) :x(x), y(y), val(val)
    {
        for (int i = 0; i < 3; i++)
            for (int j = 0; j < 3; j++)
                map[i][j] = ma[i][j];
    }
};
int dr[][2]{ 1,0,0,1,-1,0,0,-1 };
int ans[3][3]{ 1,2,3,8,0,4,7,6,5 };
il bool check(const int map[3][3])
{
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        for (int j = 0; j < 3; j++)
            if (map[i][j] != ans[i][j])
                return false;
    return true;
}
il int get(int map[3][3])
{
    int ans = 0, bs = 1;
    for (int i = 2; i >= 0; i--)
        for (int j = 2; j >= 0; j--)
        {
            ans += bs * map[i][j];
            bs *= 10;
        }
    return ans;
}
map<int,bool> vis;
int main()
{
    int mapp[3][3];
    int g; cin >> g;
    int x, y;
    for (int i = 2; i >= 0; i--)
        for (int j = 2; j >= 0; j--)
        {
            mapp[i][j] = g % 10;
            g /= 10;
            if (mapp[i][j] == 0)
                x = i, y = j;
        }
    queue<node> Q;
    Q.push({ mapp,x,y,0 });
    while (!Q.empty())
    {
        node noww = Q.front(); Q.pop();
        if (vis[get(noww.map)])continue;
        vis[get(noww.map)] = true;
        if (check(noww.map))
        {
            cout << noww.val;
            return 0;
        }
        for (int k = 0; k < 4; k++)
        {
            node now = noww;
            x = now.x + dr[k][0], y = now.y + dr[k][1];
            if (x >= 0 && x <= 2 && y >= 0 && y <= 2)
            {
                int t = now.map[x][y];
                now.map[now.x][now.y] = t;
                now.map[x][y] = 0;
                now.x = x, now.y = y;
                now.val++;
                if (!vis[get(now.map)])
                    Q.push(now);
            }
        }
    }
    return 0;
}

就是很朴素的模拟，然后暴力搜索。判重用并查集会快，可是蒟蒻当时不会
时间：8802ms
内存：9.61MB
虽然AC了数据太水 ，但是我们看看双向BFS的表现

#include<iostream>
#include<vector>
#include<climits>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional>
#include<set>
#include<algorithm>
#include<map>
using namespace std;
#define il inline
#define min(a,b) (a<b?a:b)
#define max(a,b) (a>b?a:b)
#define MAX ((int)1e9)
int ans = 123804765;
int dr[][2] = { 0,1,0,-1,1,0,-1,0 };
il int getInt(int map[3][3])
{
    int ans = 0, bs = 1;
    for (int i = 2; i >= 0; i--)
        for (int j = 2; j >= 0; j--)
        {
            ans += bs * map[i][j];
            bs *= 10;
        }
    return ans;
}
queue<int> Q1, Q2;
map<int, int> cc;
map<int, int> res;
int main()
{
    int mapp[3][3];
    int g; cin >> g;
    int x, y;
    if (ans == g)
    {
        cout << 0;
        return 0;
    }
    Q1.push(g); cc[g] = 1; res[g] = 0;//两个队列，一个向前，一个向后
    Q2.push(ans); cc[ans] = 2; res[ans] = 0;
    bool is;
    while (!Q1.empty()||!Q2.empty())
    {
        int now, x, y;
        if (Q1.size() < Q2.size() || Q1.size() > Q2.size() && Q2.empty())
        {//那个队列状态数少就拓展那个，让总状态数更少
            now = Q1.front(); Q1.pop(); is = true;
        }
        else
        {
            now = Q2.front(); Q2.pop(); is = false;
        }
        for (int i = 2, g = now; i >= 0; i--)
            for (int j = 2; j >= 0; j--)
            {
                mapp[i][j] = g % 10;
                g /= 10;
                if (mapp[i][j] == 0)
                    x = i, y = j;
            }
        for (int k = 0; k < 4; k++)
        {
            int x_ = x + dr[k][0], y_ = y + dr[k][1];
            if (x_ >= 0 && x_ < 3 && y_ >= 0 && y_ < 3)
            {
                swap(mapp[x][y], mapp[x_][y_]);
                int temp = getInt(mapp);
                if (cc[temp] == cc[now])
                {
                    swap(mapp[x][y], mapp[x_][y_]);
                    continue;
                }
                if (cc[now] + cc[temp] == 3)
                {
                    cout << res[now] + 1 + res[temp]; 
                    return 0;
                }
                res[temp] = res[now] + 1;
                cc[temp] = cc[now]; 
                if(is)Q1.push(temp);
                else Q2.push(temp);
                swap(mapp[x][y], mapp[x_][y_]);
            }
        }
    }
    return 0;
}

时间：379ms
内存：1.2MB
效率++++有木有，内存只用了八分之一，时间更是只用了二十分之一还快。但是不是什么时候都能用。比如若果题目要求输出最短方案中字典序最小的移动方案之类的，依据单向BFS的访问顺序可以从步骤A开始顺序执行，得到字典序最小的，但是双向的话虽然先相遇的是最短的，但不一定是字典序最小的。