简单易懂的Dancing links讲解（4）

DancingLinks的应用

把dancingLink应用于实际问题时，只有一个难点，就是如何把具体的问题转换为可以精确覆盖的01矩阵模型，一旦完成了这个步后，直接套用模板就可以解决问题了。

应用之一：伤脑筋十二块

伤脑筋十二块是dancing links精确覆盖的典型应用，理解起来最容易

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图2,12片5格骨牌的拼图

题目描述：

给你12个如上图的5格骨牌，如何让程序拼出如上的“口”字图形。

上图是题目的一个答案，你知道程序如何得到这个答案的吗？没错，就是用dancinglink的精确覆盖

我们想象一个有72列的矩阵，其中12列是12个骨牌，剩下60列是60个非中心部分的格子，构造出

所有可能的行来代表在一块骨牌在棋盘上得放置方案；每行有一些‘’1“，用来标识被覆盖的格子，5个1标识一个骨牌放置的位置（恰有1568个这样的行）

我们将最前面的12列命名为F,I,L,P,N,T,U,V,W,X,Y,Z,并且我们可以用两个数字i,j给矩阵中对应棋盘上的第i行第j列格子的那一列命名。通过给出那些出现了‘’1"的列的名字，可以很方便地表示每一行。

例如，图2就是与下面12行的对应的精确覆盖。

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1568个行指的是12个骨牌可放置方案的总和，比如长条骨牌I共有64种放置方案，1568中就包含了这64种

这1568行中，每行都有6个1，分布在72个列中

这个矩阵的构造思路是：

首先找约束关系，这里只有两个约束关系，

（1）12个骨牌，每种只有1个，

（2）60个空格中，一个位置只能放一种骨牌（否则就要重叠着放了）

因为第一个约束关系，有了12个列来区分骨牌种类，因为第二个约束关系，有了60个选5个来表示骨牌放置

应用之二：数独问题 sudoku

解数独，生成数独，都可以使用精确覆盖，要把数独问题构造成01矩阵还是有一定的难度

首先找约束关系，这里只有四个约束关系，

(1)81个格子中每个格子只能放一个数字

(2)每一行的数字不能重复

(3)每一列的数字不能重复

(4)每一九宫内的数字不能重复

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四个约束关系中，每个约束对应一个列域，对于第二个约束关系，数独中共有9行，每行可以填9个不同的数字

因此第二个列域，共有9* 9，81个列，依此类推，数独问题共有列324个。

由于81个格子，每个格子都最多有9种选择，所以行最多有81*9=729行

这样01矩阵的每行都有4个1，第一个1分布在1到81列，第二个1分布在82到162列，第三个1分布在163到243列，

最后一个1分布在其余列区域。

思考：为什么不能这样构造01矩阵，用5个1，第一个1表示格子序号，有81个列，第二个1表示数字，从1到9有9个列，第三个1表示行号，有9行，第四个1表示列号也有9个，第五个1表示九宫格序号，也有9个，这样共有117列。

为了便于理解，举个例子

9,2,0,0,0,0,0,0,0,

5,0,0,8,7,0,0,0,0,

0,3,8,0,9,1,0,0,0,

0,5,2,9,3,0,1,6,0,

0,9,0,0,0,0,0,3,0,

0,7,3,0,6,4,9,8,0,

0,0,0,4,1,0,2,5,0,

0,0,0,0,5,3,0,0,1,

0,0,0,0,0,0,0,7,3

如上数独有空格40个，已知格子41个，把这个数独构造成01矩阵，矩阵的行有

40*9+41 共401行

对于第一个数字9，在1到81列的第一列，在82到162列的第9个，即90列，在163列到243列的第9个，在244到324列的第9个各占一个1

对于第三个数字0，由于有9个选择，所以在构造01矩阵时，要向矩阵插入9个行，来表示各种可能

对于第四个数字8，它在二行四列，把这个数字写入dancing link的网状数据结构时，需要新增四个节点，这四个节点都在同一行，它们的列序号分别为，

13， 81 + 9 + 8 – 1，81 + 81 + 3 * 9 + 8 – 1，81 + 81 + 81 + 9 + 8 – 1，序号是从0开始的，所有要减去一。

现在假设，2行6列的空格是数字8，那么这个数字也会对应四个节点，列序号分别为

15，81 + 9 + 8 – 1， 81 + 81 + 5 * 9 + 8 – 1， 81 + 81 + 81 + 9 + 8 – 1，

可以看到，这两个8的行域，九宫格域都是相同的，表示这两个数字的行和九宫格都相冲了，四个列域，只要有一个相冲，两条记录就不能共存。这两个8显然不能共存。

数独还有一个变种，对角线数独，两条对角线的数字也不能重复，这时构造01矩阵模型时，就需要额外增加两个列域，左对角线域，右对角线域。增加的两个列域都只有9列，

对于1行1列的数字，会在01矩阵模型中对应5个节点，

对于2行3列的数字，由于不位于两条对角线上，会在01矩阵模型中只对应4个节点，

对于5行5列的数字，恰好在两条对角线的交汇处，会在01矩阵模型中对应6个节点

对于数独的生成

总体思路是一行一行的生成，第一行可以用一个随机的1到9的排列，接下来的8行，每行都要用dancinglink求解可行的排序

（1）先对1到9这9个数进行随机排列，把这个排列作为数独终盘布局的第一行

（2）自己写函数筛选出下一行，每个格子可以填写的数字集合，筛选时不用考虑行冲突

比如对于排列5,9,7,4,2,6,8,3,1

筛选结果如下： 123468,123468,123468,135789,135789,135789,245679,245679,245679

表示对于下一行的1,2,3列，可以选择的数字集合有1,2,3,4,6,8.

下一行的4,5,6列，可以选择的数字集合有1,3,5,7,8,9

下一行的7,8,9列，可以选择的数字集合有2,4,5,6,7,9

这时，构造01矩阵，就只有2个约束关系

1 对于下一行的9个格子，每个格子只能放一个数字

2 对于下一行的9个格子中的数字，每个数字都不能重复

因为第3个和4个约束，已经在筛选时考虑进去，这里不需再多此一举

这时的01矩阵，列有9+ 9=18个，行有6* 9 = 54行（6+6+6+6+6+6+6+6+6）。

应用之三：N皇后

N皇后问题也可以转换为dancinglinks的精确覆盖问题

这里只讲如何把n皇后问题转换为01矩阵，首先有四个约束关系

（1）所有皇后不能在同一行

（2）所有皇后不能在同一列

（3）所有皇后不能在同一左斜线

（4）所有皇后不能在同一右斜线

为了便于理解，举个例子

n=8时，有8行,8列，15个左斜线，15个右斜线（2*n-1）

这样构造的矩阵有46个列，8*8=64个行

矩阵的每行都有4个1，分别分布在行域，列域，左斜线域，右斜线域

在编程求解这个问题时，需要做一点变通，因为左斜线域，右斜线域的列不可能被全部覆盖

因此只需行域和列域被完全覆盖就算找到问题的一个解了。

附：

dancing LInks 求解数独的C++代码

#include<iostream>
#include<string.h>using namespace std;struct Node 
{Node *up;Node *down;Node *left;Node *right;Node *colRoot; //列首int row; //所在行int sum; //此列节点总数
};#define R 729
#define C 324class Dlx
{
public:Node *nodes,*row,*col,*head;//可用节点，行首，列首，总头节点int rowNum,colNum,nodeCount;//行数，列数,总节点数int *result,resultCount;//结果,结果行数Dlx(){nodes=new Node[R*C];//直接用数组竟然运行不起，栈溢出了，还得放在堆里row=new Node[R];col=new Node[C+1];result=new int[R];}~Dlx(){delete []nodes;delete []row;delete []col;delete []result;}void init(int r,int c);//初始化void cover(Node *t);//覆盖一列void uncover(Node *t);//取消覆盖bool solove(int k=0);//搜索出结果void addNode(int r,int c);//添加一个节点
};void Dlx::init(int r,int c)
{int i;rowNum=r;colNum=c;//将各列连起来,col[colNum]为总头节点for(i=0;i<=colNum;i++){col[i].up=col[i].down=col+i;col[i].left=col + (i+colNum)%(1+colNum);col[i].right=col + (i+1)%(1+colNum);col[i].sum=0;}head=col+colNum;//将各行节点数清零for(i=0;i<rowNum;i++){row[i].up=row[i].down=row[i].left=row[i].right=row[i].colRoot=row+i;}nodeCount=0;//总节点数清零
}void Dlx::addNode(int r,int c)
{nodes[nodeCount].up=col[c].up;nodes[nodeCount].down=col+c;nodes[nodeCount].left=row[r].left;nodes[nodeCount].right=row+r;nodes[nodeCount].row=r;nodes[nodeCount].colRoot=col+c;col[c].up=col[c].up->down=row[r].left=row[r].left->right=nodes+nodeCount++;	col[c].sum++;
}void Dlx::cover(Node *t)
{Node *p,*q;t->left->right=t->right;t->right->left=t->left;for(p=t->down;p!=t;p=p->down){for(q=p->right;q!=p;q=q->right){q->up->down=q->down;q->down->up=q->up;q->colRoot->sum--;}}	
}void Dlx::uncover(Node *t)
{Node *p,*q;for(p=t->up;p!=t;p=p->up){for(q=p->left;q!=p;q=q->left){q->up->down=q->down->up=q;q->colRoot->sum++;}}t->left->right=t->right->left=t;
}bool Dlx::solove(int k)
{//是否还有未覆盖的列if(head->right==head){//记录完成覆盖所用行数resultCount=k;return true;}Node *pMin,*p,*q;//找到节点数最少的一列,并覆盖for(pMin=head->right,p=pMin->right;p!=head;p=p->right){if(pMin->sum>p->sum)pMin=p;}cover(pMin);for(p=pMin->down;p!=pMin;p=p->down){result[k]=p->row;//选定此列上的一个节点，将此节点所在行上所有节点的对应列进行覆盖for(q=p->right;q!=p;q=q->right)cover(q->colRoot);if(solove(k+1))return true;//如果不能成功，则取消覆盖for(q=p->left;q!=p;q=q->left)uncover(q->colRoot);}uncover(pMin);return false;
}
int getRowIndex(int rowNum)
{int num = rowNum%9;int rowIndex = rowNum / 81;return 81 + rowIndex*9 + num;
}
int getColIndex(int rowNum)
{int num = rowNum%9;int index = rowNum/9;	//位置int colIndex = index%9;return 162 + colIndex*9+num;
}
int getSquareIndex(int rowNum)
{int num = rowNum%9;int index = rowNum/9;	//位置int rowIndex = index / 9;int colIndex = index%9;int squareIndex = int(rowIndex/3)*3 + colIndex/3;return 243 + squareIndex*9+num;
}
int main3()
{int i,j;int node4=0;char str[82];Dlx dlx;//cin>>n;dlx.init(729,324);//for(i=0;i<9;i++)//{//	cin>> (str+i*9);//}//......52..8.4......3...9...5.1...6..2..7........3.....6...1..........7.4.......3.const char *input = ".2738..1..1...6735.......293.5692.8...........6.1745.364.......9518...7..8..6534.";strcpy(str,input);for(i=0;i<729;i++){//cout << "row=>" << i << "\tcol=> 位置" << i/9 <<"\t行"<<81+i/9/9*9+i%9<<"\t列"<<162+i/9%9*9+i%9<<"\t块"<< 243+(i/9/9/3*3+i/9%9/3)*9+i%9;//cout << "row=>" << i << "\tcol=> 位置" << i/9 <<"\t行"<<getRowIndex(i)<<"\t列"<<getColIndex(i)<<"\t块"<<getSquareIndex(i);if(str[i/9]=='.' || str[i/9]-'1'==i%9){node4++;int rowIndex = i;int colIndex = i/9;dlx.addNode(rowIndex,colIndex);//位置冲突dlx.addNode(rowIndex,getRowIndex(i));//行冲突dlx.addNode(rowIndex,getColIndex(i));//列冲突dlx.addNode(rowIndex,getSquareIndex(i));//块冲突//	cout << "\t<=";}//cout << endl;}if(dlx.solove()){//结果存到字符串中for(i=0;i<81;i++){j=dlx.result[i];str[j/9]='1'+j%9;}//输出字符串for(i=0;i<9;i++){for(j=0;j<9;j++)cout<<str[i*9+j];cout<<endl;}}return 0;
}

附，生成数独终盘布局的Flex代码

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<s:WindowedApplication xmlns:fx="http://ns.adobe.com/mxml/2009" xmlns:s="library://ns.adobe.com/flex/spark" xmlns:mx="library://ns.adobe.com/flex/mx"><fx:Declarations><!-- Place non-visual elements (e.g., services, value objects) here --></fx:Declarations><fx:Script><![CDATA[import model.DancingNode;private var sample:String="1279,2367,1369,24789,4578,259,13458,1368,456";private var rowArr:Array=[];private var colArr:Array=[];private var head:DancingNode;private var nodes:Array=[];private var cnt:Array=[];private var answer:Array=[];private var answerArr:Array=[];private function _init(restrict:String):void{answerArr=[];answer=[];cnt=[];nodes=[];rowArr=[];colArr=[];var i:int;var colLen:int=18;var rowLen:int=restrict.split(',').join('').length;for(i=0;i<rowLen;i++){var row:DancingNode = new DancingNode(i);rowArr.push(row);}for(i=0;i<=colLen;i++){var col:DancingNode = new DancingNode(-1,i);colArr.push(col);cnt.push(0);}var colArrLen:int = colArr.length;for(i=0;i<colArr.length;i++){var left:int = (i+colArrLen-1)%colArrLen;var right:int = (i+1)%colArrLen;DancingNode(colArr[i]).left=colArr[left];DancingNode(colArr[i]).right=colArr[right];}head = colArr[0];//create linksvar rowIndex:int=0;var arr1:Array = restrict.split(',');for(i=0;i<arr1.length;i++){var arr2:Array = String(arr1[i]).split('');for(var j:int=0;j<arr2.length;j++){var colIndex1:int=i+1;var colIndex2:int=9+int(arr2[j]);addNode(rowIndex,colIndex1,i,int(arr2[j]));addNode(rowIndex,colIndex2,i,int(arr2[j]));rowIndex++;}}for(i=0;i<rowLen;i++){DancingNode(rowArr[i]).left.right=DancingNode(rowArr[i]).right;DancingNode(rowArr[i]).right.left=DancingNode(rowArr[i]).left;}}private function addNode(r:int,c:int,r1:int,c1:int):void{var node:DancingNode = new DancingNode(r,c);node.rowValue=r1;node.colValue=c1;node.up = colArr[c].up;node.down = colArr[c];node.left = rowArr[r].left;node.right = rowArr[r];cnt[c]++;colArr[c].up=colArr[c].up.down=rowArr[r].left=rowArr[r].left.right=node;nodes.push(node);}private function remove(node:DancingNode):void{//trace("remove=>",node.col);node.left.right = node.right;node.right.left = node.left;for(var p:DancingNode=node.down;p!=node;p=p.down){for(var q:DancingNode=p.right;q!=p;q=q.right){q.up.down=q.down;q.down.up=q.up;cnt[q.col]--;}}}private function resume(node:DancingNode):void{//trace("resume=>",node.col);for(var p:DancingNode=node.down;p!=node;p=p.down){for(var q:DancingNode=p.right;q!=p;q=q.right){q.up.down=q;q.down.up=q;cnt[q.col]++;}}node.left.right = node;node.right.left = node;}private function dancing(depth:int):Boolean{//是否还有未覆盖的列if(head.right==head){var arr:Array=[];for(var i:int=0;i<answer.length;i++){var node:DancingNode=answer[i];arr[node.rowValue]=node.colValue;}answerArr.push(arr);return true;}var pMin:DancingNode;var p:DancingNode;//找到节点数最少的一列,并覆盖for(pMin=head.right,p=pMin.right;p!=head;p=p.right){if(cnt[pMin.col] > cnt[p.col]){pMin = p;}}remove(pMin);var q:DancingNode;for(p=pMin.down;p!=pMin;p=p.down){//选定此列上的一个节点，将此节点所在行上所有节点的对应列进行覆盖answer[depth]=p;for(q=p.right;q!=p;q=q.right){remove(colArr[q.col]);}if(dancing(depth+1)){if(answerArr.length > 10){return true;}}for(q=p.left;q!=p;q=q.left){resume(colArr[q.col]);}}resume(pMin);if(answerArr.length > 0){return true;}return false;}private function getSudokuLine(restricts:Array):Array{var arr:Array=[];for(var i:int=0;i<restricts.length;i++){arr.push((restricts[i] as Array).join(''));}_init(arr.join(','));if(dancing(0)){var line:Array = answerArr[int(answerArr.length*Math.random())];trace('getSudokuLine,answer length=>',answerArr.length);return line;}return [];}//得到随机的1到9的排列private function getRandomArr(value:int):Array{var bak:Array = [];for(var i:int=1;i<=value;i++){bak.push(i);}var randLine:Array=[];while(bak.length>0){var index:int = bak.length*Math.random();randLine.push(bak[index]);bak.splice(index,1);}return randLine;}public function createFullSudoku():Array{var sudokuArr:Array=[];while(sudokuArr.length < 9){sudokuArr=[];sudokuArr.push(getRandomArr(9));for(var i:int=0;i<8;i++){var restricts:Array = getRestricts(sudokuArr);if(restricts.length==0){break;}var line:Array = getSudokuLine(restricts);if(line.length==0){break;}sudokuArr.push(line);}}return sudokuArr;}private function getRestricts(curLayout:Array):Array{var i:int;var ret:Array=[];for(i=0;i<9;i++){var arr:Array=getCandidateNums(curLayout,i);if(arr.length==0){return [];}ret.push(arr);}return ret;}//根据当前布局curLayout,得到index列的候选数集合private function getCandidateNums(curLayout:Array,index:int):Array{var i:int;var line:Array = [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9];if(curLayout.length==0){return [1,2,3,4,5,6,7,8,9];}//列排除for(i=0;i<curLayout.length;i++){line[curLayout[i][index]]=0;}//九宫格排除var col3_3:int = index/3;var row3_3:int = curLayout.length/3;var inRow3_3:int = curLayout.length%3;for(i=row3_3*3;i<row3_3*3+inRow3_3;i++){line[curLayout[i][col3_3*3] ]=0;line[curLayout[i][col3_3*3+1] ]=0;line[curLayout[i][col3_3*3+2] ]=0;}var ret:Array=[];for(i=0;i<line.length;i++){if(line[i]!=0){ret.push(i);}}return ret;}private function createSudoku():void{var arr:Array=createFullSudoku();var arr2:Array=[];for(var i:int=0;i<arr.length;i++){arr2.push((arr[i] as Array).join(','));}area.text = arr2.join('\n');}]]></fx:Script><s:VGroup horizontalCenter="0" verticalCenter="0"><s:TextArea width="300" height="300" id="area"/><s:Button label="get full sudoku" click="createSudoku()"/></s:VGroup>
</s:WindowedApplication>

package model
{public class DancingNode{public var row:int;public var col:int;public var rowValue:int;public var colValue:int;public var up:DancingNode;public var down:DancingNode;public var left:DancingNode;public var right:DancingNode;public function DancingNode(r:int=-1,c:int=-1){row = r;col = c;up = this;down = this;left = this;right = this;}}
}