0-1BFS 双端队列广度优先搜索

news2024/9/22 11:24:49

一. BFS及0-1BFS的简单介绍

深度优先搜索DFS和广度优先搜索BFS是经常使用的搜索算法，在各类题目中都有广泛的应用。

深度优先搜索算法（英语：Depth-First-Search，DFS）是一种用于遍历或搜索树或图的算法。其过程简要来说是对每一个可能的分支路径深入到不能再深入为止，而且每个结点只能访问一次。
广度优先搜索算法（Breadth-First Search，缩写为 BFS），又称为宽度优先搜索，是一种图形搜索算法。简单的说，BFS 是从根结点开始，沿着树的宽度遍历树的结点。如果所有结点均被访问，则算法中止。

一般来说，能用DFS的，一般都可以用BFS解决，反过来同理。但是不同的题目，对于DFS和BFS的复杂度可能是有些差别的，对于有些题目，用BFS更容易解决，会有更少的时间复杂度。

在上文：

BFS (Java) 广度优先搜索简单介绍、模板、案例（一）

中，给出了BFS的简单介绍，模板和相关案例。那么在本文中，主要来介绍0-1BFS，或者说双端队列BFS。对于简单的BFS类题目，我们在队列尾部进行一直添加即可，但有些题目则不能满足需求，需要在头尾进行添加或者删除元素，我们称作0-1BFS或者双端队列BFS，而对于头尾的操作，可能是不同的，比如头不增加深度，而尾增加深度。

二. 简单模板

class Solution {
    public BFS(TreeNode root) {
        //双端队列，用来存储元素
        Deque<TreeNode> queue = new ArrayDeque<>();
        //添加首个元素
        queue.add(首个元素);
        //当队列不为空一直进行循环，直到队列不再有元素
        while(!queue.isEmpty()){

            if(限制条件){

               头操作，更新深度，或者相反；

            } 

            else{

               尾操作，不更新深度，或者相反；

            }   
    
        }
        返回答案;
    }
}

三. 案例

leetcode 1263 推箱子

「推箱子」是一款风靡全球的益智小游戏，玩家需要将箱子推到仓库中的目标位置。

游戏地图用大小为 m x n 的网格 grid 表示，其中每个元素可以是墙、地板或者是箱子。

现在你将作为玩家参与游戏，按规则将箱子 'B' 移动到目标位置 'T' ：

玩家用字符 'S' 表示，只要他在地板上，就可以在网格中向上、下、左、右四个方向移动。
地板用字符 '.' 表示，意味着可以自由行走。
墙用字符 '#' 表示，意味着障碍物，不能通行。
箱子仅有一个，用字符 'B' 表示。相应地，网格上有一个目标位置 'T'。
玩家需要站在箱子旁边，然后沿着箱子的方向进行移动，此时箱子会被移动到相邻的地板单元格。记作一次「推动」。
玩家无法越过箱子。
返回将箱子推到目标位置的最小推动次数，如果无法做到，请返回 -1。

输入：grid = [["#","#","#","#","#","#"],
             ["#","T","#","#","#","#"],
             ["#",".",".","B",".","#"],
             ["#",".","#","#",".","#"],
             ["#",".",".",".","S","#"],
             ["#","#","#","#","#","#"]]
输出：3
解释：我们只需要返回推箱子的次数。

class Solution {
    int row;
    int col;
    char[][] grid;
    public int minPushBox(char[][] grid) {
        //初始化
        this.grid = grid;
         row = grid.length;
         col = grid[0].length;
        int pi = 0, pj = 0, bi = 0, bj = 0;
        for(int i = 0; i < row; i++){
            for(int j = 0; j < col; j++){
                if(grid[i][j] == 'S'){
                    pi = i;
                    pj = j;
                }
                if(grid[i][j] == 'B'){
                    bi = i;
                    bj = j;
                }
            }
        }
        int[] dirs = new int[]{-1,0,1,0,-1};
        Deque<int[]> q = new ArrayDeque<>();
        boolean[][] vis = new boolean[row*col][row*col];
        q.offer(new int[]{get(pi, pj), get(bi,bj), 0});
        vis[get(pi,pj)][get(bi,bj)] = true;
        while(!q.isEmpty()){
            var p = q.poll();
            int d = p[2];
            bi = p[1]/col;
            bj = p[1]%col;
            pi = p[0]/col;
            pj = p[0]%col;
            if(grid[bi][bj] == 'T'){
                return d;
            }
            for(int k = 0; k < 4; k++){
                int px = pi + dirs[k];
                int py = pj + dirs[k+1];
                if(!check(px,py)){
                    continue;
                }
                if(px == bi && py == bj){
                    int bx = bi + dirs[k];
                    int by = bj + dirs[k+1];
                    if(!check(bx,by) || vis[get(px,py)][get(bx,by)]){
                        continue;
                    }
                    vis[get(px,py)][get(bx,by)] = true;
                    q.offer(new int[]{get(px,py), get(bx,by), d+1});
                }
                else if(!vis[get(px,py)][get(bi, bj)]){
                    vis[get(px,py)][get(bi, bj)] = true;
                    q.offerFirst(new int[]{get(px,py), get(bi,bj), d});
                }
            }
        }
        return -1;
    }
    public int get(int i, int j){//映射
        return i*col + j;
    }
    public boolean check(int i, int j){//检查坐标是否合规
        return i >= 0 && i < row && j >= 0 && j < col && grid[i][j] != '#';
    }
}

本题小结:（1）判断新位置{px，py}和箱子{bi，bj}位置是否相同，相同则证明能推动箱子

（2）推动箱子，则深度+1，即对应推动次数，添加至尾部

（3）未推动箱子，深度不变，添加至头部