回溯法应用之矩阵中的路径

题目:请设计一个函数,用来判断在一个矩阵中是否存在一条包含某字符串所有字符的路径。路径可以从矩阵中任意一格开始,每一步可以在矩阵中间向左、右、上、下移动一格。如果一条路径经过了矩阵的某一格,那么该路径不能再次进入该格子。


举例分析

  例如在下面的3*4的矩阵中包含一条字符串”bcced”的路径。但矩阵中不包含字符串“abcb”的路径,因为字符串的第一个字符b占据了矩阵中的第一行第二格子之后,路径不能再次进入这个格子。 
a b c e 
s f c s 
a d e e

解题思路

  这是一个可以用回朔法解决的典型题。关于回溯法的基本思想请参考五大常用算法之四:回溯法首先,在矩阵中任选一个格子作为路径的起点。假设矩阵中某个格子的字符为ch,那么这个格子不可能处在路径上的第i个位置。如果路径上的第i个字符不是ch,那么这个格子不可能处在路径上的第i个位置。如果路径上的第i个字符正好是ch,那么往相邻的格子寻找路径上的第i+1个字符。除在矩阵边界上的格子之外,其他格子都有4个相邻的格子。重复这个过程知道路径上的所有字符都在矩阵中找到相应的位置。 
  由于回朔法的递归特性,路径可以被开成一个栈。当在矩阵中定位了路径中前n个字符的位置之后,在与第n个字符对应的格子的周围都没有找到第n+1个字符,这个时候只要在路径上回到第n-1个字符,重新定位第n个字符。 
  由于路径不能重复进入矩阵的格子,还需要定义和字符矩阵大小一样的布尔值矩阵,用来标识路径是否已经进入每个格子。 
当矩阵中坐标为(row,col)的格子和路径字符串中下标为pathLength的字符一样时,从4个相邻的格子(row,col-1),(row-1,col),(row,col+1)以及(row+1,col)中去定位路径字符串中下标为pathLength+1的字符。 
  如果4个相邻的格子都没有匹配字符串中下标为pathLength+1的字符,表明当前路径字符串中下标为pathLength的字符在矩阵中的定位不正确,我们需要回到前一个字符(pathLength-1),然后重新定位。 
  一直重复这个过程,直到路径字符串上所有字符都在矩阵中找到合适的位置

代码实现

package com.point.offer;

public class qq {
	
	/**
     * 题目:请设计一个函数。用来推断在一个矩阵中是否存在一条包括某字符串全部字符的路径。
     * 路径能够从矩阵中随意一格開始。每一步能够在矩阵中间向左、右、上、下移动一格。
     * 假设一条路径经过了矩阵的某一格,那么该路径不能再次进入该格子。
     *
     * @param matrix 输入矩阵
     * @param rows   矩阵行数
     * @param cols   矩阵列数
     * @param str    要搜索的字符串
     * @return 是否找到 true是。false否
     */
	public static boolean hasPath(char [] matrix, int rows, int cols, char [] str) {
		//参数校验
		if(matrix ==null && matrix.length != rows*cols || str == null || str.length < 1) {
			return false;
		}
		//初始化变量
		boolean [] flag = new boolean[rows*cols];
		for (int i = 0; i < flag.length; i++) {
			flag[i] = false;
		}
		//记录结果的数组
		int [] pathLength = {0};
		//以每个点为起点进行搜索
		for (int i = 0; i < rows; i++) {
			for (int j = 0; j < cols; j++) {
				if (hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, i, j, pathLength)) {
					return true;
				}
			}
		}
		return false;
	}

	/**
     * 回溯搜索算法
     *
     * @param matrix     输入矩阵
     * @param rows       矩阵行数
     * @param cols       矩阵列数
     * @param str        要搜索的字符串
     * @param flag       訪问标记数组
     * @param row        当前处理的行号
     * @param col        当前处理的列号
     * @param pathLength 已经处理的str中字符个数
     * @return 是否找到 true是,false否
     */
	private static boolean hasPathCore(char [] matrix, int rows, int cols, char[] str, boolean[] flag, int row, int col,int[] pathLength) {
		if (pathLength[0] == str.length) {
			return true;
		}
		boolean hasPath = false;
		//判断位置是否合法
		if(row >= 0 && row < rows && col >=0 && col < cols && matrix[row* cols +col] == str[pathLength[0]] && !flag[row* cols +col]) {
			flag[row* cols +col] = true;
			pathLength[0] ++;
			// 按左上右下进行回溯	
			hasPath = hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, row, col - 1, pathLength)
					||hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, row - 1, col, pathLength)
					||hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, row, col + 1, pathLength)
					||hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, row, col + 1, pathLength)
					||hasPathCore(matrix, rows, cols, str, flag, row + 1, col, pathLength);
			if (!hasPath) {
				pathLength[0]--;
				flag[row* cols +col] = false;
			}
		}
		return hasPath;
	}
	
	
	 public static void main(String[] args) {
	        //ABCE  //ABCCED
	        //SFCS
	        //ADEE
	        System.out.println(hasPath("ABCESFCSADEE".toCharArray(), 3, 4,
	                "ABCCED".toCharArray()) + "[true]");// true

	        //ABCE  //SEE
	        //SFCS
	        //ADEE
	        System.out.println(hasPath("ABCESFCSADEE".toCharArray(), 3, 4,
	                "SEE".toCharArray()) + "[true]");// true

	        //ABCE  //ABCB
	        //SFCS
	        //ADEE
	        System.out.println(hasPath("ABCESFCSADEE".toCharArray(), 3, 4,
	                "ABCB".toCharArray()) + "[false]");// false

	        //ABCEHJIG  //SLHECCEIDEJFGGFIE
	        //SFCSLOPQ
	        //ADEEMNOE
	        //ADIDEJFM
	        //VCEIFGGS
	        System.out.println(hasPath("ABCEHJIGSFCSLOPQADEEMNOEADIDEJFMVCEIFGGS".toCharArray(), 5, 8,
	                "SLHECCEIDEJFGGFIE".toCharArray()) + "[true]");// true


	        //ABCEHJIG  //SGGFIECVAASABCEHJIGQEM
	        //SFCSLOPQ  //
	        //ADEEMNOE
	        //ADIDEJFM
	        //VCEIFGGS
	        System.out.println(hasPath("ABCEHJIGSFCSLOPQADEEMNOEADIDEJFMVCEIFGGS".toCharArray(), 5, 8,
	                "SGGFIECVAASABCEHJIGQEM".toCharArray()) + "[true]");// true

	        //ABCEHJIG  //SGGFIECVAASABCEEJIGOEM
	        //SFCSLOPQ
	        //ADEEMNOE
	        //ADIDEJFM
	        //VCEIFGGS
	        System.out.println(hasPath("ABCEHJIGSFCSLOPQADEEMNOEADIDEJFMVCEIFGGS".toCharArray(), 5, 8,
	                "SGGFIECVAASABCEEJIGOEM".toCharArray()) + "[false]");// false


	        //ABCEHJIG  //SGGFIECVAASABCEHJIGQEMS
	        //SFCSLOPQ
	        //ADEEMNOE
	        //ADIDEJFM
	        //VCEIFGGS
	        System.out.println(hasPath("ABCEHJIGSFCSLOPQADEEMNOEADIDEJFMVCEIFGGS".toCharArray(), 5, 8,
	                "SGGFIECVAASABCEHJIGQEMS".toCharArray()) + "[false]");// false

	        //AAAA  //AAAAAAAAAAAA
	        //AAAA
	        //AAAA
	        System.out.println(hasPath("AAAAAAAAAAAA".toCharArray(), 3, 4,
	                "AAAAAAAAAAAA".toCharArray()) + "[true]");// true

	        //AAAA  //AAAAAAAAAAAAA
	        //AAAA
	        //AAAA
	        System.out.println(hasPath("AAAAAAAAAAAA".toCharArray(), 3, 4,
	                "AAAAAAAAAAAAA".toCharArray()) + "[false]");// false

	    }	
}

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