首页 > 文章列表 > Java如何使用深度优先搜索和广度优先搜索算法解决迷宫问题

Java如何使用深度优先搜索和广度优先搜索算法解决迷宫问题

java
391 2023-05-03

Java怎么利用深度优先和广度优先求解迷宫路径

    深度优先

    实现效果

    示例代码

    import java.awt.*;
    
    import javax.swing.*;
    
     
    
    public class AlgoFrame extends JFrame{
    
     
    
        private int canvasWidth;
    
        private int canvasHeight;
    
     
    
        public AlgoFrame(String title, int canvasWidth, int canvasHeight){
    
     
    
            super(title);
    
     
    
            this.canvasWidth = canvasWidth;
    
            this.canvasHeight = canvasHeight;
    
     
    
            AlgoCanvas canvas = new AlgoCanvas();
    
            setContentPane(canvas);
    
            pack();
    
     
    
            setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    
            setResizable(false);
    
     
    
            setVisible(true);
    
        }
    
     
    
        public AlgoFrame(String title){
    
     
    
            this(title, 1024, 768);
    
        }
    
     
    
        public int getCanvasWidth(){return canvasWidth;}
    
        public int getCanvasHeight(){return canvasHeight;}
    
     
    
        // data
    
        private MazeData data;
    
        public void render(MazeData data){
    
            this.data = data;
    
            repaint();
    
        }
    
     
    
        private class AlgoCanvas extends JPanel{
    
     
    
            public AlgoCanvas(){
    
                // 双缓存
    
                super(true);
    
            }
    
     
    
            @Override
    
            public void paintComponent(Graphics g) {
    
                super.paintComponent(g);
    
     
    
                Graphics2D g2d = (Graphics2D)g;
    
     
    
                // 抗锯齿
    
    //            RenderingHints hints = new RenderingHints(
    
    //                    RenderingHints.KEY_ANTIALIASING,
    
    //                    RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
    
    //            hints.put(RenderingHints.KEY_RENDERING, RenderingHints.VALUE_RENDER_QUALITY);
    
    //            g2d.addRenderingHints(hints);
    
     
    
                // 具体绘制
    
                int w = canvasWidth/data.M();
    
                int h = canvasHeight/data.N();
    
                
    
     
    
     
    
                for(int i = 0 ; i < data.N() ; i ++ )
    
                {
    
                    for(int j = 0 ; j < data.M() ; j ++){
    
                        if (data.getMaze(i, j) == MazeData.WALL)
    
                            AlgoVisHelper.setColor(g2d, AlgoVisHelper.LightBlue);
    
                        else
    
                            AlgoVisHelper.setColor(g2d, AlgoVisHelper.White);
    
                        
    
                        if(data.path[i][j])
    
                        	AlgoVisHelper.setColor(g2d, AlgoVisHelper.Orange);
    
                        
    
                        if(data.result[i][j])
    
                        	AlgoVisHelper.setColor(g2d, AlgoVisHelper.Red);
    
                        
    
                        AlgoVisHelper.fillRectangle(g2d, j * w, i * h, w, h);
    
                    }
    
                }
    
                          
    
                
    
            }
    
     
    
            @Override
    
            public Dimension getPreferredSize(){
    
                return new Dimension(canvasWidth, canvasHeight);
    
            }
    
        }
    
    }
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    import java.awt.*;
    
    import java.awt.geom.Ellipse2D;
    
     
    
    import java.awt.geom.Rectangle2D;
    
    import java.lang.InterruptedException;
    
     
    
     
    
    public class AlgoVisHelper {
    
     
    
        private AlgoVisHelper(){}
    
     
    
        public static final Color Red = new Color(0xF44336);
    
        public static final Color Pink = new Color(0xE91E63);
    
        public static final Color Purple = new Color(0x9C27B0);
    
        public static final Color DeepPurple = new Color(0x673AB7);
    
        public static final Color Indigo = new Color(0x3F51B5);
    
        public static final Color Blue = new Color(0x2196F3);
    
        public static final Color LightBlue = new Color(0x03A9F4);
    
        public static final Color Cyan = new Color(0x00BCD4);
    
        public static final Color Teal = new Color(0x009688);
    
        public static final Color Green = new Color(0x4CAF50);
    
        public static final Color LightGreen = new Color(0x8BC34A);
    
        public static final Color Lime = new Color(0xCDDC39);
    
        public static final Color Yellow = new Color(0xFFEB3B);
    
        public static final Color Amber = new Color(0xFFC107);
    
        public static final Color Orange = new Color(0xFF9800);
    
        public static final Color DeepOrange = new Color(0xFF5722);
    
        public static final Color Brown = new Color(0x795548);
    
        public static final Color Grey = new Color(0x9E9E9E);
    
        public static final Color BlueGrey = new Color(0x607D8B);
    
        public static final Color Black = new Color(0x000000);
    
        public static final Color White = new Color(0xFFFFFF);
    
     
    
     
    
        public static void strokeCircle(Graphics2D g, int x, int y, int r){
    
     
    
            Ellipse2D circle = new Ellipse2D.Double(x-r, y-r, 2*r, 2*r);
    
            g.draw(circle);
    
        }
    
     
    
        public static void fillCircle(Graphics2D g, int x, int y, int r){
    
     
    
            Ellipse2D circle = new Ellipse2D.Double(x-r, y-r, 2*r, 2*r);
    
            g.fill(circle);
    
        }
    
     
    
        public static void strokeRectangle(Graphics2D g, int x, int y, int w, int h){
    
     
    
            Rectangle2D rectangle = new Rectangle2D.Double(x, y, w, h);
    
            g.draw(rectangle);
    
        }
    
     
    
        public static void fillRectangle(Graphics2D g, int x, int y, int w, int h){
    
     
    
            Rectangle2D rectangle = new Rectangle2D.Double(x, y, w, h);
    
            g.fill(rectangle);
    
        }
    
     
    
        public static void setColor(Graphics2D g, Color color){
    
            g.setColor(color);
    
        }
    
     
    
        public static void setStrokeWidth(Graphics2D g, int w){
    
            int strokeWidth = w;
    
            g.setStroke(new BasicStroke(strokeWidth, BasicStroke.CAP_ROUND, BasicStroke.JOIN_ROUND));
    
        }
    
     
    
        public static void pause(int t) {
    
            try {
    
                Thread.sleep(t);
    
    //            System.out.println("Dely");
    
            }
    
            catch (InterruptedException e) {
    
                System.out.println("Error sleeping");
    
            }
    
        }
    
     
    
    }
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    import java.awt.*;
    
    import java.util.Stack;
    
     
    
     
    
    public class AlgoVisualizer {
    
     
    
        private static int DELAY = 10;
    
        private static int blockSide = 8;
    
     
    
        private MazeData data;
    
        private AlgoFrame frame;
    
        
    
        private static final int d[][] = {{-1,0}, {0, 1}, {1, 0}, {0, -1}};  //左下右上
    
     
    
        public AlgoVisualizer(String mazeFile){
    
     
    
            // 初始化数据
    
            data = new MazeData(mazeFile);
    
            int sceneHeight = data.N() * blockSide;
    
            int sceneWidth = data.M() * blockSide;
    
     
    
            // 初始化视图
    
            EventQueue.invokeLater(() -> {
    
                frame = new AlgoFrame("Maze Solver Visualization", sceneWidth, sceneHeight);
    
     
    
                new Thread(() -> {
    
                    run();
    
                }).start();
    
            });
    
        }
    
     
    
        public void run(){
    
     
    
            setData(-1, -1, false);
    
            
    
            Stack<Position> stack = new Stack<Position>();
    
            Position entrance = new Position(data.getEntranceX(), data.getEntranceY());
    
            stack.push(entrance);
    
            data.visited[entrance.getX()][entrance.getY()] = true;
    
            
    
            boolean isSolved = false;
    
            while (!stack.empty()) {
    
            	Position curPos = stack.pop();
    
            	setData(curPos.getX(), curPos.getY(), true);
    
            	
    
            	if (curPos.getX() == data.getExitX() && curPos.getY() == data.getExitY()) {
    
            		isSolved = true;
    
            		findPath(curPos);  //find the path from the final position
    
            		break;
    
            	}
    
            	
    
            	for (int i = 0; i < 4; i++) {
    
            		int newX = curPos.getX() + d[i][0];
    
            		int newY = curPos.getY() + d[i][1];
    
    				
    
            		if (data.inArea(newX, newY) && !data.visited[newX][newY] && 
    
            				data.getMaze(newX, newY) == MazeData.ROAD) {
    
            			stack.push(new Position(newX, newY, curPos));
    
            			data.visited[newX][newY] = true;
    
    				}
    
    			}
    
            	
    
    		}
    
            
    
            if (!isSolved) {
    
    			System.out.println("the maze has no solution");
    
    		}
    
            setData(-1, -1, false);
    
        }
    
        
    
        public void findPath(Position des) {
    
        	Position cur = des;
    
        	while (cur != null) {
    
        		data.result[cur.getX()][cur.getY()] = true;
    
    			cur = cur.getPrev();
    
    		}
    
    		
    
    	}
    
        
    
        private void setData(int x, int y, boolean isPath){
    
        	if (data.inArea(x, y)) {
    
        		data.path[x][y] = isPath;
    
    		}
    
     
    
            frame.render(data);
    
            AlgoVisHelper.pause(DELAY);
    
        }
    
     
    
        public static void main(String[] args) {
    
     
    
            String mazeFile = "maze_101_101.txt";
    
     
    
            AlgoVisualizer vis = new AlgoVisualizer(mazeFile);
    
     
    
        }
    
    }
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    import java.io.BufferedInputStream;
    
    import java.io.File;
    
    import java.io.FileInputStream;
    
    import java.io.IOException;
    
    import java.util.Scanner;
    
     
    
     
    
    public class MazeData {
    
     
    
        public static final char ROAD = ' ';
    
        public static final char WALL = '#';
    
     
    
        private int N, M;
    
        private char[][] maze;
    
        
    
        private int entranceX, entranceY;
    
        private int exitX, exitY;
    
        
    
        public boolean[][] visited;  
    
        public boolean[][] path;
    
        public boolean[][] result;
    
        
    
     
    
        
    
     
    
     
    
         public MazeData(String filename){
    
     
    
            if(filename == null)
    
                throw new IllegalArgumentException("Filename can not be null!");
    
     
    
            Scanner scanner = null;
    
            try{
    
                File file = new File(filename);
    
                if(!file.exists())
    
                    throw new IllegalArgumentException("File " + filename + " doesn't exist");
    
     
    
                FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
    
                scanner = new Scanner(new BufferedInputStream(fis), "UTF-8");
    
     
    
                // 读取第一行
    
                String nmline = scanner.nextLine();
    
                String[] nm = nmline.trim().split("\\s+");
    
                //System.out.print(nm[0] + ' ' + nm[1]);
    
     
    
                N = Integer.parseInt(nm[0]);
    
                // System.out.println("N = " + N);
    
                M = Integer.parseInt(nm[1]);
    
                // System.out.println("M = " + M);
    
     
    
                // 读取后续的N行
    
                maze = new char[N][M];
    
                visited = new boolean[N][M];
    
                path = new boolean[N][M];
    
                result = new boolean[N][M];
    
                
    
     
    
                
    
                
    
                for(int i = 0 ; i < N ; i ++){
    
                    String line = scanner.nextLine();
    
     
    
                    // 每行保证有M个字符
    
                    if(line.length() != M)
    
                        throw new IllegalArgumentException("Maze file " + filename + " is invalid");
    
                    for(int j = 0 ; j < M ; j ++)
    
                    {
    
                        maze[i][j] = line.charAt(j);
    
                        visited[i][j] = false;
    
                        path[i][j] = false;
    
                        result[i][j] = false;
    
                        
    
                    }
    
                }
    
            }
    
            catch(IOException e){
    
                e.printStackTrace();
    
            }
    
            finally {
    
                if(scanner != null)
    
                    scanner.close();
    
            }
    
            
    
            entranceX = 1;
    
            entranceY = 0;
    
            exitX = N - 2 ;
    
            exitY = M - 1;       
    
        }
    
     
    
        public int N(){ return N; }
    
        public int M(){ return M; }
    
        public int  getEntranceX() {return entranceX;}
    
        public int  getEntranceY() {return entranceY;}
    
        public int getExitX() { return exitX;}
    
        public int getExitY() { return exitY;}
    
        
    
        
    
        
    
        public char getMaze(int i, int j){
    
            if(!inArea(i,j))
    
                throw new IllegalArgumentException("i or j is out of index in getMaze!");
    
     
    
            return maze[i][j];
    
        }
    
     
    
        public boolean inArea(int x, int y){
    
            return x >= 0 && x < N && y >= 0 && y < M;
    
        }
    
     
    
        public void print(){
    
            System.out.println(N + " " + M);
    
            for(int i = 0 ; i < N ; i ++){
    
                for(int j = 0 ; j < M ; j ++)
    
                    System.out.print(maze[i][j]);
    
                System.out.println();
    
            }
    
            return;
    
        }
    
     
    
    }
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
     
    
    public class Position {
    
    	
    
    	private int x, y;
    
    	private Position prev;
    
    	
    
    	public Position(int x, int y, Position prev ) {
    
    		// TODO Auto-generated constructor stub
    
    		this.x = x;
    
    		this.y = y;
    
    		this.prev = prev;
    
    	}
    
    	
    
    	public Position(int x, int y) {
    
    		// TODO Auto-generated constructor stub
    
    		this(x, y, null);
    
    	}
    
     
    
    	
    
    	public int getX() { return x;}
    
    	public int getY() { return y;}
    
    	public Position getPrev() {return prev;}
    
     
    
    }

    上面是深度优先的非递归遍历方法

    下面是广度优先的遍历方法

    广度优先

    实现效果

    示例代码

    import java.awt.*;
    
    import java.util.LinkedList;
    
    import java.util.Stack;
    
     
    
     
    
    public class AlgoVisualizer {
    
     
    
        private static int DELAY = 10;
    
        private static int blockSide = 8;
    
     
    
        private MazeData data;
    
        private AlgoFrame frame;
    
        
    
        private static final int d[][] = {{-1,0}, {0, 1}, {1, 0}, {0, -1}};  //左下右上
    
     
    
        public AlgoVisualizer(String mazeFile){
    
     
    
            // 初始化数据
    
            data = new MazeData(mazeFile);
    
            int sceneHeight = data.N() * blockSide;
    
            int sceneWidth = data.M() * blockSide;
    
     
    
            // 初始化视图
    
            EventQueue.invokeLater(() -> {
    
                frame = new AlgoFrame("Maze Solver Visualization", sceneWidth, sceneHeight);
    
     
    
                new Thread(() -> {
    
                    run();
    
                }).start();
    
            });
    
        }
    
     
    
        public void run(){
    
     
    
            setData(-1, -1, false);
    
            
    
            LinkedList<Position> queue = new LinkedList<Position>();
    
            Position entrance = new Position(data.getEntranceX(), data.getEntranceY());
    
            queue.addLast(entrance);
    
            data.visited[entrance.getX()][entrance.getY()] = true;
    
            
    
            boolean isSolved = false;
    
            while ( queue.size() != 0) {
    
            	Position curPos = queue.pop();
    
            	setData(curPos.getX(), curPos.getY(), true);
    
            	
    
            	if (curPos.getX() == data.getExitX() && curPos.getY() == data.getExitY()) {
    
            		isSolved = true;
    
            		findPath(curPos);  //find the path from the final position
    
            		break;
    
            	}
    
            	
    
            	for (int i = 0; i < 4; i++) {
    
            		int newX = curPos.getX() + d[i][0];
    
            		int newY = curPos.getY() + d[i][1];
    
    				
    
            		if (data.inArea(newX, newY) && !data.visited[newX][newY] && 
    
            				data.getMaze(newX, newY) == MazeData.ROAD) {
    
            			queue.addLast(new Position(newX, newY, curPos));        			
    
            			data.visited[newX][newY] = true;
    
    				}
    
    			}
    
            	
    
    		}
    
            
    
            if (!isSolved) {
    
    			System.out.println("the maze has no solution");
    
    		}
    
            setData(-1, -1, false);
    
        }
    
        
    
        public void findPath(Position des) {
    
        	Position cur = des;
    
        	while (cur != null) {
    
        		data.result[cur.getX()][cur.getY()] = true;
    
    			cur = cur.getPrev();
    
    		}
    
    		
    
    	}
    
        
    
        private void setData(int x, int y, boolean isPath){
    
        	if (data.inArea(x, y)) {
    
        		data.path[x][y] = isPath;
    
    		}
    
     
    
            frame.render(data);
    
            AlgoVisHelper.pause(DELAY);
    
        }
    
     
    
        public static void main(String[] args) {
    
     
    
            String mazeFile = "maze_101_101.txt";
    
     
    
            AlgoVisualizer vis = new AlgoVisualizer(mazeFile);
    
     
    
        }
    
    }

    知识点总结

    q为抽象的队列