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求解数独的思路
我想通过自己的思路来求解,虽然网上肯定有非常巧妙高效的解法。因此我安装了HoDoKu这个软件,这个软件会分析当前数独每个待填格子可能存在的值,目前我发现Naked Or Hiden Single这2中是最容易找出来的,找出来了该位置就必填那个数。下图是一个例子,表示裸露的单个数字,该位置只有一种可能值。经过仔细研究,我得出了2个原则:
1.当前位置只有一种可能值,则优先填入
2.当前位置的可能值在当前行列宫格唯一,那么这个值是隐藏的单个,也是必填的
有了上述2个原则,那么我必须有一种算法计算每一个待填单元格可能填入的数据。其实很简单,只需要遍历这些代填的位置,然后变量当前行列所在宫格,去掉已经确定的值,剩下的就是代填值。
经过上面的计算也只能将代填位置确认值填好,但是剩下有可能存在多个值且无法确定。因此我首先想到的就是暴力破解法,假设代填位置为其中一个可能值,由此继续填数字,每次填入数字后再进行一次上面找以确定单个数,如果无法继续,或者得到一个存在某个位置没有可能填入数据则说明假设出错,恢复上一次保存的状态,继续假设下一个可能值。具体流程图如下:
下面就贴上我的代码,其中保存状态用了栈结构,每次缓存则压栈,恢复则弹栈:
package main
import (
"container/list"
"fmt"
"log"
"time"
"io/ioutil"
"flag"
"github.com/jan-bar/golibs"
)
const Length = 9 /* 数独长宽都是9 */
/**
* 下面这个结构有点复杂
* num: 当前位置数据,包括初始值,已经填写的值
* cnt: 标识该位置可能数的个数
* flag: 初始时和num相同,只是在结果打印时区别初始值和计算得到值颜色
* may: 该数组记录当前位置可能值,总是从数组头开始
**/
type MySudokuData struct {
num, cnt, flag int /* 点位具体值,可能值的个数,该位置需要填值 */
may [Length]int /* 记录点位可能的值 */
}
/**
* 下面结构保存存在多个可能值的位置
* pos: 记录可能值的坐标(其中i表示多少行,j表示多少列)
* cnt: 记录这些坐标个数
**/
type MyMayPos struct {
pos [Length * Length]struct {
i, j int /* 缓存待定位置i,j值 */
}
cnt int /* 待定位置个数 */
}
/**
* 总体的数据结构
* data: 记录9*9的81个点位数据
* pos: 表示可能值的数据
* dot: 在计算时表示当前假设到哪个可能点
* may: 在计算时表示dot的点找到哪个可能值
**/
type MyCacheData struct {
data [Length][Length]MySudokuData /* 缓存整个数独 */
pos MyMayPos /* 缓存当前可能位置 */
dot, may int /* 缓存第几个可能点,和该点第几个可能值 */
}
var SudokuData MyCacheData /* 得到数独数据,和每个空位可能值,用于计算 */
func init() {
fr := flag.String("f", "Sudoku.txt", "input data file!")
flag.Parse()
byt, err := ioutil.ReadFile(*fr)
if err != nil {
log.Fatal(err.Error())
}
var i, j, cnt, tmp int
for _, v := range byt {
if tmp = int(v - '0'); tmp >= 0 && tmp <= 9 { /* 只处理文件中数字0~9 */
SudokuData.data[i][j].num = tmp
SudokuData.data[i][j].flag = tmp
if cnt++; j < 8 {
j++
} else {
i++
j = 0
}
}
}
if cnt != 81 { /* 无论如何必须要有81个输入 */
log.Fatal("输入文件不正确!")
}
}
/**
* 主程序入口
* http://aperiodic.net/phil/scala/s-99/
**/
func main() {
var (
pos, may, x, y, cnt int
CacheData = list.New() /* 缓存数据栈 */
TmpElement *list.Element /* 缓存链表元素 */
tStart = time.Now() /* 开始时间 */
)
FlushMayNum() /* 初始刷新一下可能值 */
for false == GameComplete() { /* 如果没有完成则一直继续计算 */
for ; pos < SudokuData.pos.cnt; pos++ { /* 遍历可能点 */
x, y = SudokuData.pos.pos[pos].i, SudokuData.pos.pos[pos].j
for ; may < SudokuData.data[x][y].cnt; may++ { /* 遍历可能点中可能填写的值 */
SudokuData.dot, SudokuData.may = pos, may
CacheData.PushFront(SudokuData) /* 保存当前状态到栈中 */
SudokuData.data[x][y].num = SudokuData.data[x][y].may[may] /* 数据中填写可能值 */
cnt++
if FlushMayNum() { /* 进行一次寻找,返回true表示还能继续找 */
pos, may = 0, 0
goto NextGameLoop /* 数据已经重排,所以要重新遍历 */
} /* 下面是else部分 */
/* 如果找到了一个没有可能值的位置,从栈顶取数据,从下一个值开始遍历 */
if TmpElement = CacheData.Front(); TmpElement == nil { /* 取栈顶元素,计算下一个可能值 */
return /* 栈中没有数据,无解 */
}
SudokuData = TmpElement.Value.(MyCacheData) /* 恢复上次状态 */
CacheData.Remove(TmpElement) /* 移除栈顶状态 */
}
}
/* 下面表示通过上面的计算,把所有可能点的可能值遍历,还是无法得到结果 */
if TmpElement = CacheData.Front(); TmpElement == nil { /* 取栈顶元素,计算下一个可能值 */
return /* 栈中没有数据,无解 */
}
SudokuData = TmpElement.Value.(MyCacheData) /* 恢复上次状态 */
CacheData.Remove(TmpElement) /* 移除栈顶状态 */
pos, may = SudokuData.dot, SudokuData.may+1 /* may从下一个开始 */
NextGameLoop: /* 重排的数据继续计算 */
}
fmt.Println("计算耗时 :", time.Since(tStart))
PrintSudoku() /* 完成后打印数独 */
fmt.Scanln() /* 避免一闪而逝 */
}
/**
* x横坐标,向下递增
* y纵坐标,向右递增
* 如果运行过程中有空位只有唯一值,那么填好值,再刷新一次
* 该方法结束后,空位一定存在多个可能值
* 返回false表示有位置无解,返回true表示所有位置都有多个解
**/
func FlushMayNum() bool {
var i, j, k, t, x, y, tmpMay, flagBreak, xS, xE, yS, yE int
StartLoop: /* 如果结果中有唯一值的位置,则重新计算 */
SudokuData.pos.cnt = 0 /* 待定位置从0计数 */
for i = 0; i < Length; i++ {
for j = 0; j < Length; j++ {
if 0 == SudokuData.data[i][j].num { /* 空位才需要刷新可能值 */
for k = 0; k < Length; k++ {
SudokuData.data[i][j].may[k] = k + 1 /* 为可能值赋初值 */
} /* 初始i,j位置默认可能存在的数值 */
for k = 0; k < Length; k++ {
if t = SudokuData.data[i][k].num; t > 0 { /* 遍历行 */
SudokuData.data[i][j].may[t-1] = 0 /* 从可能中剔除该数字 */
}
if t = SudokuData.data[k][j].num; t > 0 { /* 遍历列 */
SudokuData.data[i][j].may[t-1] = 0 /* 从可能中剔除该数字 */
}
} /* 上面循环剔除行列的值 */
xS = i / 3 * 3 /* 所在宫格x起始 */
xE = xS + 3 /* 所在宫格x结束 */
yS = j / 3 * 3 /* 所在宫格y起始 */
yE = yS + 3 /* 所在宫格y结束 */
for ; xS < xE; xS++ {
for k = yS; k < yE; k++ {
if t = SudokuData.data[xS][k].num; t > 0 {
SudokuData.data[i][j].may[t-1] = 0 /* 从可能中剔除该数字 */
}
}
} /* 上面双层循环遍历所在宫格 */
/* 下面将可用值左移,保证有效值从数组头开始 */
for k, SudokuData.data[i][j].cnt = 0, 0; k < Length; k++ {
if t = SudokuData.data[i][j].may[k]; t > 0 {
SudokuData.data[i][j].may[SudokuData.data[i][j].cnt] = t
SudokuData.data[i][j].cnt++ /* 将可能的值移动到前面 */
}
}
if 0 == SudokuData.data[i][j].cnt {
return false /* 该位置没有解 */
}
if 1 == SudokuData.data[i][j].cnt { /* 如果当前位置只有一种可能值 */
SudokuData.data[i][j].num = SudokuData.data[i][j].may[0] /* 将该值填入数组中 */
goto StartLoop /* 重新刷新可能值数据 */
}
/* 下面用插入排序发将每个点可能的个数从小到大添加到MayPos中 */
//for k = 0; k < SudokuData.pos.cnt; k++ {
// if SudokuData.data[i][j].cnt < SudokuData.data[SudokuData.pos.pos[k].i][SudokuData.pos.pos[k].j].cnt {
// break /* 找到位置,由小到达的排序,可以让循环次数减少 */
// }
//}
//for t = SudokuData.pos.cnt; t > k; t-- { /* 上面找到位置,该位置右边数据集体右移一位 */
// SudokuData.pos.pos[t].i, SudokuData.pos.pos[t].j = SudokuData.pos.pos[t-1].i, SudokuData.pos.pos[t-1].j
//}
//SudokuData.pos.pos[k].i, SudokuData.pos.pos[k].j = i, j
//SudokuData.pos.cnt++ /* 可能点个数加1 */
SudokuData.pos.pos[SudokuData.pos.cnt].i, SudokuData.pos.pos[SudokuData.pos.cnt].j = i, j
SudokuData.pos.cnt++ /* 可能点个数加1 */
} /* end if 0 == SudokuData[i][j].num { */
} /* end j */
} /* end i */
flagBreak = 0
/* 上面得到一个局面,及可能点一定有多个值,下面找隐藏的只有一个解的位置 */
for i = 0; i < SudokuData.pos.cnt; i++ { /* 遍历每个可能点位置 */
x, y = SudokuData.pos.pos[i].i, SudokuData.pos.pos[i].j /* 得到该点位置 */
for j = 0; j < SudokuData.data[x][y].cnt; j++ {
tmpMay = SudokuData.data[x][y].may[j] /* 找这个可能值,看看是否为隐藏单个 */
for k = 0; k < Length; k++ {
if t = SudokuData.data[x][k].num; t == 0 { /* 遍历行中不确定格子 */
for ; t < SudokuData.data[x][k].cnt; t++ {
if tmpMay == SudokuData.data[x][k].may[t] {
goto NextFlagX /* 这个可能值和在当前行不唯一 */
}
}
}
} /* 在行上找相同可能值 */
SudokuData.data[x][y].num = tmpMay /* 这个值在行上可能值中是唯一,填值并重新填值 */
flagBreak = 1
break
NextFlagX:
for k = 0; k < Length; k++ {
if t = SudokuData.data[k][y].num; t == 0 { /* 遍历列中不确定格子 */
for ; t < SudokuData.data[k][y].cnt; t++ {
if tmpMay == SudokuData.data[k][y].may[t] {
goto NextFlagY /* 这个可能值和在当前列不唯一 */
}
}
}
} /* 在列上找相同可能值 */
SudokuData.data[x][y].num = tmpMay /* 这个值在行上可能值中是唯一,填值并重新填值 */
flagBreak = 1
break
NextFlagY:
xS = x / 3 * 3 /* 所在宫格x起始 */
xE = xS + 3 /* 所在宫格x结束 */
yS = y / 3 * 3 /* 所在宫格y起始 */
yE = yS + 3 /* 所在宫格y结束 */
for ; xS < xE; xS++ {
for k = yS; k < yE; k++ {
if t = SudokuData.data[xS][k].num; t == 0 {
for ; t < SudokuData.data[xS][k].cnt; t++ {
if tmpMay == SudokuData.data[xS][k].may[t] {
goto NextFlagZ /* 这个可能值和在当前列不唯一 */
}
}
}
}
}
SudokuData.data[x][y].num = tmpMay /* 这个值在行上可能值中是唯一,填值并重新填值 */
flagBreak = 1
break
NextFlagZ:
}
}
if 1 == flagBreak {
goto StartLoop
}
for i = 1; i < SudokuData.pos.cnt; i++ {
x, y = SudokuData.pos.pos[i].i, SudokuData.pos.pos[i].j
tmpMay = SudokuData.data[x][y].cnt
for j = i - 1; j >= 0 && SudokuData.data[SudokuData.pos.pos[j].i][SudokuData.pos.pos[j].j].cnt > tmpMay; j-- {
SudokuData.pos.pos[j+1].i = SudokuData.pos.pos[j].i
SudokuData.pos.pos[j+1].j = SudokuData.pos.pos[j].j
}
SudokuData.pos.pos[j+1].i = x
SudokuData.pos.pos[j+1].j = y
}
/* 下面打印可能点个数由少到多的排序 */
//for i = 0; i < SudokuData.pos.cnt; i++ {
// fmt.Println(SudokuData.pos.pos[i], SudokuData.data[SudokuData.pos.pos[i].i][SudokuData.pos.pos[i].j])
//}
//fmt.Print("\n\n\n")
//os.Exit(0)
return true
}
/**
* 打印数独
* 这里需要win32api
* 将计算得到的数据上不同颜色
**/
func PrintSudoku() {
var (
i, j, tmp int
api = golibs.NewWin32Api()
)
fmt.Println(" ---------+---------+---------")
for i = 0; i < Length; i++ {
fmt.Print("|")
for j = 0; j < Length; j++ {
if tmp = SudokuData.data[i][j].num; tmp > 0 {
if 0 == SudokuData.data[i][j].flag { /* 该位置是计算得到的,标红色 */
api.TextBackground(golibs.ForegroundRed | golibs.ForegroundIntensity)
}
fmt.Printf(" %d ", tmp) /* 下面把前景色重置为白色 */
api.TextBackground(golibs.ForegroundRed | golibs.ForegroundGreen | golibs.ForegroundBlue)
} else {
fmt.Print(" . ")
}
if j == 2 || j == 5 {
fmt.Print("|")
}
}
switch i {
case 2, 5:
fmt.Print("|\n|---------+---------+---------|\n")
case 0, 1, 3, 4, 6, 7:
fmt.Println("|\n| | | |")
}
}
fmt.Println("|\n ---------+---------+---------")
}
/**
* 判断当前成功没
* 如果游戏完成则返回true
* 否则没有完成则返回false
**/
func GameComplete() bool {
var i, j int
for i = 0; i < Length; i++ {
for j = 0; j < Length; j++ {
if 0 == SudokuData.data[i][j].num {
return false /* 数独中存在没有完成的位置,则游戏还要继续 */
}
}
}
return true /* 所有位置都完成 */
}
/**
* http://cn.sudokupuzzle.org/
* https://www.newdoku.com/zh/sudoku.php
* 上面是2个在线数独网站
* 技巧:http://www.conceptispuzzles.com/zh/index.aspx?uri=puzzle/sudoku/techniques
* 规则:http://www.conceptispuzzles.com/zh/index.aspx?uri=puzzle/sudoku/rules
**/
上面的方案效率在应对简单级别的也是很快的,基本毫秒级别。这里找了一个在线数独网站在线玩数独,下面是在里面找的骨灰级运算结果:
但是比较蛋疼的就是暴力求解存在把所有解遍历一遍的情况,那将遍历非常大,虽然我已经保证每次把确定的值填入,但仍然无可避免,下面就是一个例子,用时44分钟:
好了上面就把我自己的想法写成代码,并能正确得到结果,只是某些情况计算效率比较低,而且没有处理存在多个值的情况。
1. 舞蹈链求解数独
求解数独最佳方案当然是舞蹈链了,优点就是不会占用多于空间,缓存和恢复状态非常快。
http://www.cnblogs.com/grenet/p/3145800.html 讲解舞蹈链
http://www.cnblogs.com/grenet/p/3163550.html 讲解如何用舞蹈链解数独
代码灵感主要来源于上面的博客,并且舞蹈链求解比较快,因此我也做了多解数组至少算2种结果
2. 舞蹈链求解的具体流程就参照上面博客吧,下面把我的代码贴上:
package main
import (
"fmt"
"log"
"time"
"io/ioutil"
"flag"
"github.com/jan-bar/golibs"
)
const (
LenGrid = 9 /* 数独都有9行9列格子 */
Length = LenGrid * LenGrid /* 数独有81个元素 */
NineDance = 9 * Length /* 81*9 创建出9个舞蹈链,分别代表填入的数字 */
FourDance = 4 * Length /* 81*4 约束条件 */
MinInitial = 1000000000 /* 最小min的初值 */
)
type Node struct {
r, c int /* 标识第r行,第c列 */
up *Node
down *Node
left *Node
right *Node
}
var (
SudokuData [Length + 1]int /* 保存数独数据 */
Mem1 [Length + 1]int /* 保存数独结果1 */
Mem2 [Length + 1]int /* 保存数独结果2 */
Mem = &Mem1 /* 用mem操作2个结果内的值 */
Cnt [FourDance + 1]int /* 0-324 用于记录0-324列,这一列有多少个结点 */
Scnt = 0 /* 记录数独结果个数,本程序最多找到2个就退出 */
Head Node /* 头结点 */
All [NineDance*FourDance + 99]Node /* 0-236294 构建729*324+99列的舞蹈链 */
AllCnt int /* 舞蹈链的游标 */
Row [NineDance]Node /* 0-728 构建729列的舞蹈链,用于1-9的填入,每个数字用81列来表示 */
Col [FourDance]Node /* 0-323 构建324列的舞蹈链,用于满足4个约束条件 */
)
func init() {
fr := flag.String("f", "Sudoku.txt", "input data file!")
flag.Parse()
byt, err := ioutil.ReadFile(*fr)
if err != nil {
log.Fatal(err.Error())
}
var cnt = 0
for _, v := range byt {
if v >= '0' && v <= '9' {
if cnt < Length { /* 数独只有81个元素 */
SudokuData[cnt] = int(v - '0')
}
cnt++
}
}
if cnt != Length { /* 无论如何只有81个数字输入 */
log.Fatal("输入文件只能有81个数字!")
}
SudokuData[cnt] = MinInitial