十六格拼图-IDA star 简述
作者：互联网
单纯用dfs和bfs已经不能满足我们的需求了
当我们遇到搜索的数量极其庞大的问题时（十六格拼图),我们就不能单纯的dfs和bfs来进行实现。因为数量太过于庞大，所以可能会无法找出初始状态到最终状态的最短路径。因此，为了解决上述的问题，引进了一个dfs的改进算法-IDA算法。（其实还有A算法，这个可以理解为bfs的改进算法。关于这个算法，我们下一个笔记进行讨论)
IDA*算法简述
IDA*算法，ID(Iterative Deepening)指的是迭代加深，它的思想为：就是在循环执行深度受限搜索的过程中，逐步添加限制值(limit)，直到找到解为止。并且，这个解一定是所得到的最优解。可以理解为让dfs拥有了bfs的功能。它的遍历形式也更加倾向于bfs。并且，这样做的代价为：每一次进行深度受限的搜索时，都需要将之前搜索过的深度再重新搜索一遍。
IDA*算法的执行步骤
首先，我们需要对输入的示例进行启发值的评估，这个启发值作为最小的限度值，而最大的限度值为自己设定的值。
之后，我们从所得到的最小限度值到最大限度值进行遍历，且每次遍历这个最小限度值就会一直增大。并且这个值作为每次dfs的限度值，这个限度不断在有效范围内进行递增的算法就为迭代加深算法。
最后，进行深度受限的dfs,将输入的示例进行更改，得到一个新的示例，并将新的示例加入到dfs当中。（这个过程跟之前的dfs没什么区别),直到在有限的深度中找到了一个解（由于深度是随着搜索而不断增加的（迭代加深)，因此这个过程就类似与bfs。所以此解为最优解。)如果这个新的示例在有限深度内搜索不到结果的话（或者搜索超过了有限深度)，我们就需要进行回溯。搜索成功后，我们要将搜索成功的每一层递归添加到路径中。算法结束。
如果在有限的限度内没有找到解的话，就输出unsolvable
IDA*算法的注意事项
第一，即使是IDA*算法, 其局限性依然很大, 比如它需要设置一个最大限制值, 而超出这个限制的状态将无法求解出。
第二，如果说搜索超过了有限深度的话，我们就不能再往下进行搜索了，因为当前状态再往下搜索可能会出现无论如何都找不到解的情况。因此，当搜索超过了有限深度的话，我们就可以对其进行剪枝处理。(若 当前深度+当前状态的启发值 > 限制深度limit 时，我们就要对其进行剪枝，让其停止向下继续搜索)
第三，当前状态的启发值是一个预估的值，不需要十分精确。（在本例中，我们使用了曼哈顿距离来估算当前状态的启发值) 虽然估算的启发值越大，搜索的速度就越快。但是如果将启发值估算的太大就容易找不到解。因此，估算启发值是要根据一定的依据进行估算，不是随随便便拿来一个数就可以写的。
代码如下：
虽然说了这么一大堆，但自己写的话还是写不出来。虽然下面的代码我能看懂大半，但还是有些地方看不明白。还是得多多历练啊！
关于每句代码的意思，都通过注解写在了旁边。
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cassert>
using namespace std;
#define N 4
#define N2 16
#define LIMIT 1000 //代表你设置的最大限度
int MDT[N2][N2]; //代表所有节点的曼哈顿距离数组
static const int dx[4] = { 0,-1,0,1 }; //方向数组
static const int dy[4] = { 1,0,-1,0 }; //方向数组
static const char dir[4] = { 'r','u','l','d' }; //代表移动的标识，当搜索到最优解时，通常通过移动的标识长度来计算步数，同时也可以根据该标识来从输入的拼图推出最终的拼图。(r为向右，l为向左，u为向上，d为向下)
struct Puzzle { //代表拼图的结构体
int f[N2]; //代表当前的拼图
int space; //代表空位的下标(或者说是0拼图下标)
int MD; //代表当前拼图的曼哈顿距离
};
Puzzle state; //声明一个拼图(用处之后再说)
int limit; //代表最小成本的变量limit，也是IDA*中不断增加的限制值，在本题中起始值通常为输入拼图的曼哈顿距离，限制值一直增加到你设定的最大值LIMIT为止。若你的限定值limit在增加时超过了最大值，但还是没有搜索出结果的话，结果就为unsolvable
int path[LIMIT]; //代表存储搜索到的路径数组。（也就是说，当你找到了从输入拼图到最终拼图的最短路径，那么在本题中这个路径会以一串移动的标识来显示。决定移动标识的下标值就会存储在这个路径数组中。
int getAllMD(Puzzle pz) //代表求出输入拼图的曼哈顿距离的函数
{
int sum = 0; //代表各个拼图的曼哈顿距离之和就为输入拼图的曼哈顿距离
for (int i = 0; i < N2; i++)
{
if (pz.f[i] == N2) //如果进行遍历的拼图为空位，那么就直接进行返回。因为空位不算拼图，因此没有曼哈顿距离
{
continue;
}
sum += MDT[i][pz.f[i] - 1]; //通过这个式子来算出各个拼图的曼哈顿距离，并进行相加
}
return sum; //返回输入拼图的曼哈顿距离
}
bool isSolved() { //这个isSolved函数就是代表检测输入的拼图是否能有还原到最终拼图的可能。
for (int i = 0; i < N2; i++)
{
if (state.f[i] != i + 1) //判断移动之后的各个拼图跟最终的各个拼图相比是否一样
{
return false; //如果有一个拼图不一样，则移动之后的拼图跟最终拼图肯定就不一样了
}
}
return true; //如果拼图都一样，则移动之后的拼图跟最终拼图也就一样了。
}
bool dfs(int depth, int prev) //代表dfs函数，其中depth代表当前深度，prev代表进行传入的移动下标(r)
{
if (state.MD == 0) //如果刚开始搜索时曼哈顿距离就为0，则代表输入拼图=最终拼图，那么不用向下遍历，直接返回true
{
return true;
}
if (depth + state.MD > limit) //如果当前的搜索深度+当前拼图的启发值（曼哈顿距离) 大于 限制深度的话，我们就要对其进行剪枝，禁止dfs再向下搜索。
{
return false;
}
int sx = state.space / N; //根据这个式子来求出当前所在的坐标(sx,sy),老实说我也没明白这个式子是什么意思，但是我们可以暂时理解为就是当前空位的下标，之后我们要对这个空位来进行移动，从而得到拼图的不同情况。
int sy = state.space % N;
Puzzle tmp; //声明拼图tmp
for (int r = 0; r < 4; r++)
{
int tx = sx + dx[r]; //将当前空位进行上下左右四个方向的移动，得到新坐标(tx,ty)
int ty = sy + dy[r];
if (tx < 0 || ty < 0 || tx >= N || ty >= N) //如果移动的下标要是越界的话，就直接进行返回
{
continue;
}
if (max(prev, r) - min(prev, r) == 2) //这个式子非常重要，虽说我是不知道它怎么来的，但是这个式子的意思是避免重复的搜索，如果有重复的搜索就直接返回。（例如：我将输入拼图中的8向右移动了一次，那么拼图为:1 2 3 4 6 7 16 8 5 10 11 12 9 13 14 15。将移动之后的地图进行再次的dfs，那么再次dfs的话，就有可能出现将8再向左移动一位的情况。向左移动一位的话，拼图就又变回去了(1 2 3 4 6 7 8 16 5 10 11 12 9 13 14 15)。所以，为了防止这个情况的发生，有了这个式子。(不信的话可以打个断点，试一下就知道了。)
{
continue;
}
tmp = state; //将temp地图等于state拼图
state.MD -= MDT[tx * N + ty][state.f[tx * N + ty] - 1]; //代表进行拼图的移动时，有没有因为这个拼图的移动导致原先的曼哈顿距离减少。典型的例子就是将拼图移动到了规定的位置中(这里规定的位置指某块拼图在终点拼图的位置)。并且，这段话的意思就是计算移动后的新拼图的曼哈顿距离
state.MD += MDT[sx * N + sy][state.f[tx * N + ty] - 1]; //代表进行拼图的移动时，有没有因为这个拼图的移动导致原先的曼哈顿距离增加。典型的例子就是某块拼图移动到了规定的位置更远处。（举个例子：例如我将输入拼图1 2 3 4 6 7 8 16 5 10 11 12 9 13 14 15 中的4向下移动，那么原先的曼哈顿距离就会加1。（因为4向下移动并没有将原来的曼哈顿距离减少，因为除4之外的拼图都没有进行移动。而4向下移动就会让4脱离原先正确的位置，使原先的曼哈顿距离加了1)
swap(state.f[tx * N + ty], state.f[sx * N + sy]); //代表进行拼图的移动，并生成新拼图state
state.space = tx * N + ty; //重新计算新拼图的空位下标
if (dfs(depth + 1, r)) //生成新拼图后向下继续搜索
{
path[depth] = r; //如果搜索成功，那么就将最短步数中的每一步都记录在path数组中。r代表移动的具体方向下标。depth代表当前遍历的深度。其实就是第几步的意思。(例如：path[5] = 2，就代表第5步向左移动的意思,同时对应着移动标识的'l')
return true; //代表搜索成功，返回上一层
}
state = tmp; //如果在这个拼图的移动中，搜索没成功的话，那么就将当前移动之后的拼图回溯到之前没有进行移动过的状态，并尝试进行下一方向的移动。
}
return false; //如果四个方向搜索均没有成功的话，那么就代表当前限制深度(limit)中无解，需要在下一个限制深度(limit+1)中重新进行dfs。
}
string iterative_deepening(Puzzle in) //代表进行IDA*搜索的函数
{
in.MD = getAllMD(in); //计算输入拼图的启发值,同时也是输入拼图的曼哈顿距离
for (limit = in.MD; limit <= LIMIT; limit++) //进行迭代加深搜索的循环，起始限制值为输入拼图的曼哈顿距离(启发值),通过不断搜索增加限制值，实其让dfs具有bfs的功能。直到限制值增大到最大值（LIMIT)+1为止。如果限制值一直到最大值+1的期间都没有搜索到结果，则整个IDA*也就无法找到结果。
{
state = in; //把输入拼图赋值到state拼图中
if (dfs(0, -100)) //进行dfs搜索（实际上IDA*就是比dfs增加了最大搜索深度(限制值limit),通过这个最大搜索深度，我们就能让dfs具有bfs的功能，但代价是每次循环(加大深度时)都得需要将之前搜索过的深度再次搜索一遍)。除了这个之外，就跟普通的dfs没有什么区别。
{
string ans = ""; //声明移动的标识(当dfs找到最短路径时(dfs的返回值为true))
for (int i = 0; i < limit; i++) //如果找到了最短步数，那么这个最短步数的值一定等于当前的限制深度(limit)，因为初始limit变量值为输入地图的曼哈顿距离。（那也就代表了当前拼图至少得移动limit步才能移动到最终的拼图)因为每增加一层深度，就代表多走一个步数，因此若搜索出来了最短步数，那么这个最短步数一定跟当前的限制深度相等。
{
ans += dir[path[i]]; //根据遍历的下标(i)求出移动标识的下标(path[i]),根据移动标识的下标求出移动标识(dir[path[i]])
}
return ans; //返回移动的标识
}
}
return "unsolvable"; //如果说一直加深的限定值超过了最大值但还是没有搜索到结果，那么就返回unsolvable
}
int main()
{
int i, j;
for (i = 0; i < N2; i++)
{
for (j = 0; j < N2; j++)
{
MDT[i][j] = abs(i / N - j / N) + abs(i % N - j % N); //根据这个式子来计算所有拼图(0-15)分别在所有位置(0-15)上的曼哈顿距离(PS：这个式子是怎么得到的，本人也不是太清楚。不得不说，想出这个式子的人真的很厉害！)
}
}
Puzzle in; //声明一个拼图(输入拼图)
for (i = 0; i < N2; i++)
{
cin >> in.f[i]; //进行拼图的输入
if (in.f[i] == 0) //如果输入的是空位(0拼图)
{
in.f[i] = N2; //将这个空位的值标识为16(则整个拼图为:1-16 其中，16为空位置)
in.space = i; //记录一下空位的位置(下标值)
}
}
string ans = iterative_deepening(in); //进行IDA*搜索,其中ans代表移动的标识(为一串字母)
cout << ans.size() << endl; //计算标识长度(就是输入拼图还原到原拼图的最短步数)
return 0;
}
标签：star,拼图,曼哈顿,int,state,搜索,移动,IDA 来源： https://www.cnblogs.com/gao79135/p/14066131.html