八皇后问题的JavaScript解法

摘要：关于八皇后问题的解法，总觉得是需要学习一下算法的，哪天要用到的时候发现真不会就尴尬了背景八皇后问题是一个以国际象棋为背景的问题如何能够在的国际象棋棋盘上放置八个皇后，使得任何一个皇后都无法直接吃掉其他的皇后为了达到此目的，任两个皇后都不能处

关于八皇后问题的 JavaScript 解法，总觉得是需要学习一下算法的，哪天要用到的时候发现真不会就尴尬了

八皇后问题是一个以国际象棋为背景的问题：如何能够在 8×8 的国际象棋棋盘上放置八个皇后，使得任何一个皇后都无法直接吃掉其他的皇后？为了达到此目的，任两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上

八皇后问题可以推广为更一般的n皇后摆放问题：这时棋盘的大小变为 n×n ，而皇后个数也变成n 。当且仅当n = 1或n ≥ 4时问题有解

通过N重循环，枚举满足约束条件的解（八重循环代码好多，这里进行四重循环），找到四个皇后的所有可能位置，然后再整个棋盘里判断这四个皇后是否会直接吃掉彼此，程序思想比较简单

function check1(arr, n) {
    for(var i = 0; i < n; i++) {
        for(var j = i + 1; j < n; j++) {
            if((arr[i] == arr[j]) || Math.abs(arr[i] - arr[j]) == j - i) {
                return false;
            }
        }
    }
    return true;
}
function queen1() {
    var arr = [];

    for(arr[0] = 1; arr[0] <= 4; arr[0]++) {
        for(arr[1] = 1; arr[1] <= 4; arr[1]++) {
            for(arr[2] = 1; arr[2] <= 4; arr[2]++) {
                for(arr[3] = 1; arr[3] <= 4; arr[3]++) {
                    if(!check1(arr, 4)) {
                        continue;
                    } else {
                        console.log(arr);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

queen1();
//[ 2, 4, 1, 3 ]
//[ 3, 1, 4, 2 ]

关于结果，在 4*4 的棋盘里，四个皇后都不可能是在一排， arr[0] 到 arr[3] 分别对应四个皇后，数组的下标与下标对应的值即皇后在棋盘中的位置

『走不通，就回头』，在适当节点判断是否符合，不符合就不再进行这条支路上的探索

function check2(arr, n) {
    for(var i = 0; i <= n - 1; i++) {
        if((Math.abs(arr[i] - arr[n]) == n - i) || (arr[i] == arr[n])) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

function queen2() {
    var arr = [];

    for(arr[0] = 1; arr[0] <= 4; arr[0]++) {
        for(arr[1] = 1; arr[1] <= 4; arr[1]++) {
            if(!check2(arr, 1)) continue; //摆两个皇后产生冲突的情况
            for(arr[2] = 1; arr[2] <= 4; arr[2]++) {
                if(!check2(arr, 2)) continue; //摆三个皇后产生冲突的情况
                for(arr[3] = 1; arr[3] <= 4; arr[3]++) {
                    if(!check2(arr, 3)) {
                        continue;
                    } else {
                        console.log(arr);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

queen2();
//[ 2, 4, 1, 3 ]
//[ 3, 1, 4, 2 ]

算法框架

while(k > 0 『有路可走』 and 『未达到目标』) { // k > 0 有路可走
    if(k > n) { // 搜索到叶子节点
        // 搜索到一个解，输出
    } else {
        //a[k]第一个可能的值
        while(『a[k]在不满足约束条件且在搜索空间内』) {
            // a[k]下一个可能的值
        }
        if(『a[k]在搜索空间内』) {
            // 标示占用的资源
            // k = k + 1;
        } else {
            // 清理所占的状态空间
            // k = k - 1;
        }
    }
}

具体代码如下，最外层while下面包含两部分，一部分是对当前皇后可能值的遍历，另一部分是决定是进入下一层还是回溯上一层

function backdate(n) {
    var arr = [];

    var k = 1; // 第n的皇后
    arr[0] = 1;

    while(k > 0) {

        arr[k-1] = arr[k-1] + 1;
        while((arr[k-1] <= n) && (!check2(arr, k-1))) {
            arr[k-1] = arr[k-1] + 1;
        }
        // 这个皇后满足了约束条件，进行下一步判断

        if(arr[k-1] <= n) {
            if(k == n) { // 第n个皇后
                console.log(arr);
            } else {
                k = k + 1; // 下一个皇后
                arr[k-1] = 0;
            }
        } else {
            k = k - 1; // 回溯，上一个皇后
        }
    }
}

backdate(4);
//[ 2, 4, 1, 3 ]
//[ 3, 1, 4, 2 ]

递归调用大大减少了代码量，也增加了程序的可读性

var arr = [], n = 4;
function backtrack(k) {
    if(k > n) {
        console.log(arr);
    } else {
        for(var i = 1;i <= n; i++) {
            arr[k-1] = i;
            if(check2(arr, k-1)) {
                backtrack(k + 1);
            }
        }
    }
}

backtrack(1);
//[ 2, 4, 1, 3 ]
//[ 3, 1, 4, 2 ]

什么是 amb ？给它一个数据列表，它能返回满足约束条件的成功情况的一种方式，没有成功情况就会失败，当然，它可以返回所有的成功情况。笔者写了上面那么多的重点，就是为了在这里推荐这个amb算法，它适合处理简单的回溯场景，很有趣，让我们来看看它是怎么工作的

首先来处理一个小问题，寻找相邻字符串：拿到几组字符串数组，每个数组拿出一个字符串，前一个字符串的末位字符与后一个字符串的首位字符相同，满足条件则输出这组新取出来的字符串

ambRun(function(amb, fail) {

    // 约束条件方法
    function linked(s1, s2) {
        return s1.slice(-1) == s2.slice(0, 1);
    }

    // 注入数据列表
    var w1 = amb(["the", "that", "a"]);
    var w2 = amb(["frog", "elephant", "thing"]);
    var w3 = amb(["walked", "treaded", "grows"]);
    var w4 = amb(["slowly", "quickly"]);

    // 执行程序
    if (!(linked(w1, w2) && linked(w2, w3) && linked(w3, w4))) fail();

    console.log([w1, w2, w3, w4].join(" "));
    // "that thing grows slowly"
});

看起来超级简洁有没有！不过使用的前提是，你不在乎性能，它真的是很浪费时间！

下面是它的 javascript 实现，有兴趣可以研究研究它是怎么把回溯抽出来的

function ambRun(func) {
    var choices = [];
    var index;

    function amb(values) {
        if (values.length == 0) {
            fail();
        }
        if (index == choices.length) {
            choices.push({i: 0,
                count: values.length});
        }
        var choice = choices[index++];
        return values[choice.i];
    }

    function fail() { throw fail; }

    while (true) {
        try {
            index = 0;
            return func(amb, fail);
        } catch (e) {
            if (e != fail) {
                throw e;
            }
            var choice;

            while ((choice = choices.pop()) && ++choice.i == choice.count) {}
            if (choice == undefined) {
                return undefined;
            }
            choices.push(choice);
        }
    }
}

以及使用 amb 实现的八皇后问题的具体代码

ambRun(function(amb, fail){
    var N = 4;
    var arr = [];
    var turn = [];
    for(var n = 0; n < N; n++) {
        turn[turn.length] = n + 1;
    }
    while(n--) {
        arr[arr.length] = amb(turn);
    }
    for (var i = 0; i < N; ++i) {
        for (var j = i + 1; j < N; ++j) {
            var a = arr[i], b = arr[j];
            if (a == b || Math.abs(a - b) == j - i) fail();
        }
    }
    console.log(arr);
    fail();
});

这是八皇后问题的JavaScript解法，整个程序都没用for循环，都是靠递归来实现的，充分运用了Array对象的map, reduce, filter, concat, slice方法

"use strict";
var queens = function (boarderSize) {
  // 用递归生成一个start到end的Array
  var interval = function (start, end) {
    if (start > end) { return []; }
    return interval(start, end - 1).concat(end);
  };
  // 检查一个组合是否有效
  var isValid = function (queenCol) {
    // 检查两个位置是否有冲突
    var isSafe = function (pointA, pointB) {
      var slope = (pointA.row - pointB.row) / (pointA.col - pointB.col);
      if ((0 === slope) || (1 === slope) || (-1 === slope)) { return false; }
      return true;
    };
    var len = queenCol.length;
    var pointToCompare = {
      row: queenCol[len - 1],
      col: len
    };
    // 先slice出除了最后一列的数组，然后依次测试每列的点和待测点是否有冲突，最后合并测试结果
    return queenCol
      .slice(0, len - 1)
      .map(function (row, index) {
        return isSafe({row: row, col: index + 1}, pointToCompare);
      })
      .reduce(function (a, b) {
        return a && b;
      });
  };
  // 递归地去一列一列生成符合规则的组合
  var queenCols = function (size) {
    if (1 === size) {
      return interval(1, boarderSize).map(function (i) { return [i]; });
    }
    // 先把之前所有符合规则的列组成的集合再扩展一列，然后用reduce降维，最后用isValid过滤掉不符合规则的组合
    return queenCols(size - 1)
      .map(function (queenCol) {
        return interval(1, boarderSize).map(function (row) {
          return queenCol.concat(row);
        });
      })
      .reduce(function (a, b) {
        return a.concat(b);
      })
      .filter(isValid);
  };
  // queens函数入口
  return queenCols(boarderSize);
};

console.log(queens(8));
// 输出结果:
// [ [ 1, 5, 8, 6, 3, 7, 2, 4 ],
//   [ 1, 6, 8, 3, 7, 4, 2, 5 ],
//   ...
//   [ 8, 3, 1, 6, 2, 5, 7, 4 ],
//   [ 8, 4, 1, 3, 6, 2, 7, 5 ] ]

回溯算法是很常用的基本算法，认真掌握是没有错的，笔者也是一边学习一边写下本篇，学习内容来源

八皇后问题
五大常用算法之四：回溯法
回溯法——八皇后问题
Amb() in JavaScript
八皇后问题的 JavaScript 解法

文章转载自笔者个人博客 Gaoxuefeng"s Blog