寻路问题--如何找到一条从起点坐标到终点坐标的路径？
一，寻路问题介绍
正如组合问题与动态规划的联系之应用提到的从起点(0,0)到终点(X,Y)一共有多少种走法。与之相似的另一个问题是如何找到从(0,0)到(X,Y)的路径？
首先对问题建模。使用一个矩阵(二维数组)的下标 表示 各个点的坐标。矩阵元素只取 0 或者 1，0 表示此坐标是一个可达的正常顶点；而 1 则表示这是一个不可达的障碍顶点。比如 如下矩阵：
{0,0,1,1,0}
{1,0,0,0,0}
{0,1,0,0,0}
{0,0,1,1,0}
{0,1,0,0,0}
从最右上角的顶点(坐标是（0，4）) 到左下的顶点（坐标是(4,0)）是 没有 路径的，因为路径不能穿过障碍顶点（4个）
而从最左上角的顶点(坐标是(0,0))到最右下的顶点(坐标是(4,4))是可达的。比如，如下就是顶点坐标就构成了一条可达的路径：
<0,0> <0,1> <1,1> <1,2> <2,2> <2,3> <2,4> <3,4> <4,4>
而本文讨论的是：如何 寻找一条从起点(0,0)到终点(X,Y)的可达路径？为了简便起见，每步只允许向右走，或者向下走。
在这里，默认(X,Y)是可达顶点，因为若(X,Y)是不可达顶点(坐标(x,y)处元素值为1)，就没有太大的讨论意义了。
此外，看到了上面的矩阵，是不是想到了图的邻接矩阵表示法？虽然二者的表达的意思有点不一样，但图的基本操作如判断一个顶点到另一个顶点的最短路径问题 与本文中的问题还是很相似的。
二，思路分析
提到寻路算法，不得不提到A*算法。由于对A*算法不是太了解，就不详细介绍了。但是A*算法肯定也是可以解决本文的寻路问题的。
在本文中，起点是(0,0)；终点是(X,Y)。
①由于每步只能向右走或者向下走，对于(X,Y)而言，只有两种情况到达它。一种是从(X-1,Y)向右走一步到达；另一种是(X,Y-1)向下走一步到达。
这个分析，和组合问题与动态规划的联系之应用的分析一样。唯一的不同是，我们需要记录已经走过的顶点。
因此，类似地也有两种编程实现方式：递归方式和动态规划。
对于动态规划而言，其实就是把已经走过的顶点的“状态”保存起来，这里的顶点的“状态”表示的是：是否存在一条路径，能够从该顶点到达终点。
这也是为什么动态规划要比递归解运行得快 的本质原因。因为，递归求解该问题时，会有大量的重叠子问题。但是递归还是一 一地计算这些重叠的子问题，也就是说递归没有“记忆性”，对于同一个问题出现了若干次，递归解法是每出现一次，就计算一次。而动态规划则是只计算一次，并把计算的结果保存起来，后面再碰到该问题时，直接“查表”找出上次计算保存的结果即可。另外可参考：从 活动选择问题 看动态规划和贪心算法的区别与联系
首先来看递归解：
1 //寻找起点(0,0)到终点(x,y)的一条路径 2 public boolean findPath(int x, int y, ArrayList<Point> paths) 3 { 4 Point p = new Point(x, y); 5 paths.add(p);//默认终点p的坐标对应的 数组值不是1 6 7 //base condition 8 if(x == 0 && y == 0) 9 return true; 10 11 boolean isSuccess = false; 12 if(y >= 1 && checkFree(x, y - 1)) 13 isSuccess = findPath(x, y - 1, paths); 14 if(!isSuccess && x >= 1 && checkFree(x - 1, y)) 15 isSuccess = findPath(x - 1, y, paths); 16 17 if(!isSuccess) 18 paths.remove(p);//O(N) 19 return isSuccess; 20 }
Point类封装了点的坐标(横坐标和纵坐标)，ArrayList<Point> paths 用来 保存走过的各个顶点的坐标，从而将整个路径记录下来。
第5行首先就把终点(x,y)添加到路径中去--这里默认了终点是可达的，即终点坐标的矩阵值为0
第8-9行是递归的基准条件。也就是说：到了起点(0,0)时，递归就结束了。
第12-13行是判断是否可以从(x,y-1)向下走一步到达(x,y)。if 条件中 y>=1，因为若 y < 1，说明已经不能再往下走了，再往下走，y坐标(纵坐标)就小于0了。
如果12-13行递归返回false，说明：最终未找到一条路径到达终点。故在第14-15行，变换寻找方向：判断是否可以从(x-1,y)到达(x,y)
第17行，表示：不存在路径使得：当前顶点p 到终点(X,Y)是可达的。因此，需要将 p 从ArrayList中删除。（理解递归）
再来看看动态规划的实现：
1 //另一种动态规划解决方案,它用HashMap缓存已经检查过的顶点是否可达终点 2 public boolean findPath_dp2(int x, int y, ArrayList<Point> paths, HashMap<Point, Boolean> cache) 3 { 4 Point p = new Point(x, y); 5 6 //先查表. 7 if(cache.containsKey(p)) 8 return cache.get(p); 9 10 paths.add(p); 11 12 if(x == 0 && y == 0) 13 return true; 14 boolean isSuccess = false; 15 if(x >= 1 && checkFree(x - 1, y)) 16 isSuccess = findPath_dp2(x - 1, y, paths, cache); 17 if(!isSuccess && y >= 1 && checkFree(x, y - 1)) 18 isSuccess = findPath_dp2(x, y - 1, paths, cache); 19 20 if(!isSuccess) 21 paths.remove(p); 22 cache.put(p, isSuccess); 23 return isSuccess; 24 }
①使用HashMap<Point,Boolean>保存顶点Point是否至少存在一条路径可以到达终点。假设顶点<p1,true>，则表示顶点p1到终点(X,Y)是可达的。
②这里的动态规划实现，也是方法的递归调用。但是，与上面的递归实现中的递归调用有本质不同。
这里在第7-8行，如果cache已经保存某个顶点，则直接返回结果。这就是动态规划中的“查表”。其它代码的实现与递归差不多。需要注意的是：
在第22行，不管isSuccess为true还是False，只要访问了顶点p，就把该顶点 p的结果保存起来。从而使得下一次碰到顶点p时，可直接查表。
比如说：要找到一条到达 (x,y)的路径，就要找出到它的相邻点(x-1,y) 和 (x,y-1)的路径。再看看与(x-1,y) 和 (x,y-1) 相邻的顶点坐标是：
(x-2,y)、(x-1,y-1)、(x-1,y-1)、(x,y-2)。（x-1,y-1）出现了两次，这就是重叠子问题。
当第一次访问(x-1,y-1)时，计算出了该顶点是否可达(x,y)，当下次再访问 (x-1,y-1)时，动态规划就直接查表获得结果了，而递归实现则是又执行了一次递归调用。
另外，还有一种动态规划的实现方式。它不是用HashMap来保存已经访问过的顶点的结果，而是使用一个二维数组来保存某个顶点是否可达终点(x,y)
并根据状态方程： path(X,Y)=hasPath{path(X-1,Y) , path(X,Y-1)} 判断某顶点是否可到达(x,y)
1 public boolean findPath_DP(int x, int y, ArrayList<Point> paths){ 2 //if dp[i][j]=true, exist at least one path from <i,j> to <x,y>(destination) 3 boolean[][] dp = new boolean[x+1][y+1];//"状态矩阵"保存 各点的可达情况 4 // //init 5 // for(int i = x - 1; i >= 0; i--){ 6 // for(int j = y - 1; j >= 0; j--){ 7 // dp[i][j] = false; 8 // } 9 // } 10 dp[x][y] = true;//init,初始时终点坐标肯定是可达的.因为 martix[x][y]==0 11 12 for(int i = x; i >= 0; i--){ 13 for(int j = y; j >= 0; j--){ 14 if(dp[i][j])//只有 从可达的点开始(初始时为终点)判断前面一个顶点是否可以到达本顶点 15 { 16 if(i >= 1 && checkFree(i-1, j)) 17 dp[i-1][j] = true; 18 if(j >= 1 && checkFree(i, j-1)) 19 dp[i][j-1] = true; 20 } 21 } 22 } 23 24 /* 25 * findPath recursively using dp "state martix" 26 * 它是通过查表 而不是 递归调用 判断 从某个顶点到终点是否可达 27 */ 28 return getPath(x, y, dp, paths); 29 } 30 private boolean getPath(int x, int y, boolean[][] dp, ArrayList<Point> paths){ 31 Point p = new Point(x, y); 32 paths.add(p); 33 34 if(dp[x][y] == false)//查表 判断 从<x,y>是否可达终点 35 return false; 36 37 //base condition 38 if(x == 0 && y == 0) 39 return true; 40 41 boolean isSuccess = false; 42 if(x >= 1 && (dp[x - 1][y] == true)) 43 isSuccess = getPath(x-1, y, dp, paths); 44 if(!isSuccess && y >= 1 && dp[x][y-1] == true) 45 isSuccess = getPath(x, y-1, dp, paths); 46 if(!isSuccess) 47 paths.remove(p); 48 return isSuccess; 49 }
①状态矩阵dp[][]对应每个顶点的坐标，第12行-22行检查每个顶点是否存在路径可以到达终点。
②检查完后，在第28行，调用getPath()来找出一条从起点到达终点的路径。可以看出，getPath()寻找路径时，是直接“查表”判断出该顶点是否可达终点的(第34-35行)
而且可以看出，第12-22行的时间复杂度为O(N^2)，而递归调用的时间复杂度为O(2^N)
三，整个完整代码实现如下：
import java.util.ArrayList; import java.util.HashMap; public class FinaPath { private int[][] martix; private class Point{ int x;//横坐标 int y;//纵坐标 public Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } } public FinaPath(int[][] martix) { this.martix = martix; } //寻找起点(0,0)到终点(x,y)的一条路径 public boolean findPath(int x, int y, ArrayList<Point> paths) { Point p = new Point(x, y); paths.add(p);//默认终点p的坐标对应的 数组值不是1 //base condition if(x == 0 && y == 0) return true; boolean isSuccess = false; if(y >= 1 && checkFree(x, y - 1)) isSuccess = findPath(x, y - 1, paths); if(!isSuccess && x >= 1 && checkFree(x - 1, y)) isSuccess = findPath(x - 1, y, paths); if(!isSuccess) paths.remove(p);//O(N) return isSuccess; } private boolean checkFree(int x, int y){ return martix[x][y] == 0;//0 表示有路 } public boolean findPath_DP(int x, int y, ArrayList<Point> paths){ //if dp[i][j]=true, exist at least one path from <i,j> to <x,y>(destination) boolean[][] dp = new boolean[x+1][y+1];//"状态矩阵"保存 各点的可达情况 // //init // for(int i = x - 1; i >= 0; i--){ // for(int j = y - 1; j >= 0; j--){ // dp[i][j] = false; // } // } dp[x][y] = true;//init for(int i = x; i >= 0; i--){ for(int j = y; j >= 0; j--){ if(dp[i][j])//只有 从可达的点开始(初始时为终点)判断前面一个顶点是否可以到达本顶点 { if(i >= 1 && checkFree(i-1, j)) dp[i-1][j] = true; if(j >= 1 && checkFree(i, j-1)) dp[i][j-1] = true; } } } /* * findPath recursively using dp "state martix" * 它是通过查表 而不是 递归调用 判断 从某个顶点到终点是否可达 */ return getPath(x, y, dp, paths); } private boolean getPath(int x, int y, boolean[][] dp, ArrayList<Point> paths){ Point p = new Point(x, y); paths.add(p); if(dp[x][y] == false)//查表 判断 从<x,y>是否可达终点 return false; //base condition if(x == 0 && y == 0) return true; boolean isSuccess = false; if(x >= 1 && (dp[x - 1][y] == true)) isSuccess = getPath(x-1, y, dp, paths); if(!isSuccess && y >= 1 && dp[x][y-1] == true) isSuccess = getPath(x, y-1, dp, paths); if(!isSuccess) paths.remove(p); return isSuccess; } //另一种动态规划解决方案,它用HashMap缓存已经检查过的顶点 public boolean findPath_dp2(int x, int y, ArrayList<Point> paths, HashMap<Point, Boolean> cache) { Point p = new Point(x, y); //先查表. if(cache.containsKey(p)) return cache.get(p); paths.add(p); if(x == 0 && y == 0) return true; boolean isSuccess = false; if(x >= 1 && checkFree(x - 1, y)) isSuccess = findPath_dp2(x - 1, y, paths, cache); if(!isSuccess && y >= 1 && checkFree(x, y - 1)) isSuccess = findPath_dp2(x, y - 1, paths, cache); if(!isSuccess) paths.remove(p); cache.put(p, isSuccess); return isSuccess; } //test public static void main(String[] args) { //0表示有路,1表示障碍 int[][] martix = { {0,0,1,1,0}, {1,0,0,0,0}, {0,1,0,0,0}, {0,0,1,1,0}, {0,1,0,0,0} }; FinaPath fp = new FinaPath(martix); ArrayList<Point> paths = new ArrayList<FinaPath.Point>(martix.length + martix[0].length); int endPivot_x = 4; int endPivot_y = 4; boolean hasPath = fp.findPath(endPivot_x, endPivot_y, paths); if(hasPath) printPath(paths); else System.out.println("recursive finds no path"); System.out.println(); ArrayList<Point> paths_dp = new ArrayList<FinaPath.Point>(); boolean hasPath_DP = fp.findPath_DP(endPivot_x, endPivot_y, paths_dp); if(hasPath_DP) printPath(paths_dp); else System.out.println("dp finds no path"); System.out.println(); ArrayList<Point> paths_dp2 = new ArrayList<FinaPath.Point>(); HashMap<Point, Boolean> cache = new HashMap<FinaPath.Point, Boolean>(endPivot_y + endPivot_x); boolean hasPath_DP2 = fp.findPath_dp2(endPivot_x, endPivot_y, paths_dp2, cache); if(hasPath_DP2) printPath(paths_dp2); else System.out.println("dp2 finds no path"); } private static void printPath(ArrayList<Point> paths){ for(int i = paths.size() - 1; i >= 0; i--) { System.out.print("<" + paths.get(i).x + "," + paths.get(i).y + ">"); System.out.print(" "); } } }
