12. 栈与队列 - 3. 深度优先搜索 - 《Linux C编程一站式学习》

3. 深度优先搜索
- 习题

3. 深度优先搜索

现在我们用堆栈解决一个有意思的问题，定义一个二维数组：

int maze[5][5] = {
    0, 1, 0, 0, 0,
    0, 1, 0, 1, 0,
    0, 0, 0, 0, 0,
    0, 1, 1, 1, 0,
    0, 0, 0, 1, 0,
};

它表示一个迷宫，其中的1表示墙壁，0表示可以走的路，只能横着走或竖着走，不能斜着走，要求编程序找出从左上角到右下角的路线。程序如下：

例 12.3. 用深度优先搜索解迷宫问题

#include <stdio.h>
 
#define MAX_ROW 5
#define MAX_COL 5
 
struct point { int row, col; } stack[512];
int top = 0;
 
void push(struct point p)
{
    stack[top++] = p;
}
 
struct point pop(void)
{
    return stack[--top];
}
 
int is_empty(void)
{
    return top == 0;
}
 
int maze[MAX_ROW][MAX_COL] = {
    0, 1, 0, 0, 0,
    0, 1, 0, 1, 0,
    0, 0, 0, 0, 0,
    0, 1, 1, 1, 0,
    0, 0, 0, 1, 0,
};
 
void print_maze(void)
{
    int i, j;
    for (i = 0; i < MAX_ROW; i++) {
        for (j = 0; j < MAX_COL; j++)
            printf("%d ", maze[i][j]);
        putchar('\n');
    }
    printf("*********\n");
}
 
struct point predecessor[MAX_ROW][MAX_COL] = {
    {{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
    {{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
    {{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
    {{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
    {{-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}, {-1,-1}},
};
 
void visit(int row, int col, struct point pre)
{
    struct point visit_point = { row, col };
    maze[row][col] = 2;
    predecessor[row][col] = pre;
    push(visit_point);
}
 
int main(void)
{
    struct point p = { 0, 0 };
 
    maze[p.row][p.col] = 2;
    push(p);    
 
    while (!is_empty()) {
        p = pop();
        if (p.row == MAX_ROW - 1  /* goal */
            && p.col == MAX_COL - 1)
            break;
        if (p.col+1 < MAX_COL     /* right */
            && maze[p.row][p.col+1] == 0)
            visit(p.row, p.col+1, p);
        if (p.row+1 < MAX_ROW     /* down */
            && maze[p.row+1][p.col] == 0)
            visit(p.row+1, p.col, p);
        if (p.col-1 >= 0          /* left */
            && maze[p.row][p.col-1] == 0)
            visit(p.row, p.col-1, p);
        if (p.row-1 >= 0          /* up */
            && maze[p.row-1][p.col] == 0)
            visit(p.row-1, p.col, p);
        print_maze();
    }
    if (p.row == MAX_ROW - 1 && p.col == MAX_COL - 1) {
        printf("(%d, %d)\n", p.row, p.col);
        while (predecessor[p.row][p.col].row != -1) {
            p = predecessor[p.row][p.col];
            printf("(%d, %d)\n", p.row, p.col);
        }
    } else
        printf("No path!\n");
 
    return 0;
}

运行结果如下：

这次堆栈里的元素是结构体类型的，用来表示迷宫中一个点的x和y座标。我们用一个新的数据结构保存走迷宫的路线，每个走过的点都有一个前趋（Predecessor）点，表示是从哪儿走到当前点的，比如predecessor[4][4]是座标为(3, 4)的点，就表示从(3, 4)走到了(4, 4)，一开始predecessor的各元素初始化为无效座标(-1, -1)。在迷宫中探索路线的同时就把路线保存在predecessor数组中，已经走过的点在maze数组中记为2防止重复走，最后找到终点时就根据predecessor数组保存的路线从终点打印到起点。为了帮助理解，我把这个算法改写成伪代码（Pseudocode）如下：

将起点标记为已走过并压栈;
while (栈非空) {
    从栈顶弹出一个点p;
    if (p这个点是终点)
        break;
    否则沿右、下、左、上四个方向探索相邻的点
    if (和p相邻的点有路可走，并且还没走过)
        将相邻的点标记为已走过并压栈，它的前趋就是p点;
}
if (p点是终点) {
    打印p点的座标;
    while (p点有前趋) {
        p点 = p点的前趋;
        打印p点的座标;
    }
} else
    没有路线可以到达终点;

我在while循环的末尾插了打印语句，每探索一步都打印出当前迷宫的状态（标记了哪些点），从打印结果可以看出这种搜索算法的特点是：每次探索完各个方向相邻的点之后，取其中一个相邻的点走下去，一直走到无路可走了再退回来，取另一个相邻的点再走下去。这称为深度优先搜索（DFS，Depth First Search）。探索迷宫和堆栈变化的过程如下图所示。

图 12.2. 深度优先搜索

图中各点的编号表示探索顺序，堆栈中保存的应该是座标，我在画图时为了直观就把各点的编号写在堆栈里了。可见正是堆栈后进先出的性质使这个算法具有了深度优先的特点。如果在探索问题的解时走进了死胡同，则需要退回来从另一条路继续探索，这种思想称为回溯（Backtrack），一个典型的例子是很多编程书上都会讲的八皇后问题。

最后我们打印终点的座标并通过predecessor数据结构找到它的前趋，这样顺藤摸瓜一直打印到起点。那么能不能从起点到终点正向打印路线呢？在上一节我们看到，数组支持随机访问也支持顺序访问，如果在一个循环里打印数组，既可以正向打印也可以反向打印。但predecessor这种数据结构却有很多限制：

不能随机访问一条路线上的任意点，只能通过一个点找到另一个点，通过另一个点再找第三个点，因此只能顺序访问。
每个点只知道它的前趋是谁，而不知道它的后继（Successor）是谁，所以只能反向顺序访问。

可见，有什么样的数据结构就决定了可以用什么样的算法。那为什么不再建一个successor数组来保存每个点的后继呢？从DFS算法的过程可以看出，虽然每个点的前趋只有一个，后继却不止一个，如果我们为每个点只保存一个后继，则无法保证这个后继指向正确的路线。由此可见，有什么样的算法就决定了可以用什么样的数据结构。设计算法和设计数据结构这两件工作是紧密联系的。

习题

1、修改本节的程序，要求从起点到终点正向打印路线。你能想到几种办法？

2、本节程序中predecessor这个数据结构占用的存储空间太多了，改变它的存储方式可以节省空间，想想该怎么改。

3、上一节我们实现了一个基于堆栈的程序，然后改写成递归程序，用函数调用的栈帧替代自己实现的堆栈。本节的DFS算法也是基于堆栈的，请把它改写成递归程序，这样改写可以避免使用predecessor数据结构，想想该怎么做。