八数码

在一个 3×3的网格中，1∼8这 8个数字和一个 x 恰好不重不漏地分布在这 3×3 的网格中。

例如：

1 2 3
x 4 6
7 5 8

在游戏过程中，可以把 x 与其上、下、左、右四个方向之一的数字交换（如果存在）。

我们的目的是通过交换，使得网格变为如下排列（称为正确排列）：

1 2 3
4 5 6
7 8 x

例如，示例中图形就可以通过让 x 先后与右、下、右三个方向的数字交换成功得到正确排列。

交换过程如下：

1 2 3   1 2 3   1 2 3   1 2 3
x 4 6   4 x 6   4 5 6   4 5 6
7 5 8   7 5 8   7 x 8   7 8 x

现在，给你一个初始网格，请你求出得到正确排列至少需要进行多少次交换。

输入格式
输入占一行，将 3×3的初始网格描绘出来。

例如，如果初始网格如下所示：

1 2 3 
x 4 6 
7 5 8 

则输入为：1 2 3 x 4 6 7 5 8

输出格式
输出占一行，包含一个整数，表示最少交换次数。

如果不存在解决方案，则输出 −1。

输入样例：
2 3 4 1 5 x 7 6 8
输出样例
19

---

1、题目的目标

求最小步数 -> 用BFS

2、移动情况

移动方式：

转以后：a = x + dx[i], b = y + dy[i].

思想：将每一种情况作为1个节点，目标情况即为终点

从初始状况移动到目标情况 —> 求最短路

3、问题

第一点：怎么表示一种情况使其能作为节点？

第二点：如何记录每一个状态的“距离”（即需要移动的次数）？

第三点：队列怎么定义，dist数组怎么定义？

4、解决方案

将 “3*3矩阵” 转化为 “字符串”

如：

​

所以：

队列可以用 queue<string>
//直接存转化后的字符串
dist数组用 unordered_map<string, int>
//将字符串和数字联系在一起，字符串表示状态，数字表示距离

5、矩阵与字符串的转换方式

解题思路

暴力穷举。穷举出所有给定序列通过交换能得到的新序列，在穷举过程中保存交换次数。

在穷举过程中，如果出现了结果序列，就输出交换次数。

否则不能得到结果序列，输出 -1。

图解举例

起始状态： 为 1 2 3 x 4 6 7 5 8

交换一次：

1. x 与上方元素交换得到： x 2 3 1 4 6 7 5 8
2. x 与右方元素交换得到： 1 2 3 4 x 6 7 5 8
3. x 与下方元素交换得到： 1 2 3 7 4 6 x 5 8

交换两次得到：

1. 2 x 3 1 4 6 7 5 8
2. 1 x 3 4 2 6 7 5 8
3. 1 2 3 4 6 x 7 5 8
4. 1 2 3 4 5 6 7 x 8
5. 1 2 3 7 4 6 5 x 8

交换三次得到：

1. 2 3 x 1 4 6 7 5 8
2. …
3. 1 2 3 4 5 6 7 8 x
4. …

得到了最终结果，输出 3.

算法思路

1. 用一个队列保存当前获得的序列
2. 用一个哈希表保存各个序列与对应额交换次数。
3. 从队列中取出队头这个序列，计算出这个序列通过交换能得到的序列。如果能到得的序列是个新序列（哈希表中没有这个序列），就把这个新序列放入队尾，哈希表中记录新序列对应的交换次数。
4. 如果在上述过程中得到了结果序列，则输出交换次数，结束。
5. 如果最终没有得到结果序列。输出-1。

代码

CPP代码

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <unordered_map>
#include <queue>

using namespace std;
// 保存各个序列
queue<string> q;
string s;
// 保存序列与对应的交换次数
unordered_map<string, int> h;

int main()
{
    // 输入原始序列
    for(int i = 1; i <= 9; i++)
    {
        char c;
        cin >> c;
        s += c;
    }
    // 保存初始状态
    h[s] = 0;
    q.push(s);
    // 定义上下左右四个交换方向
    int dx[4] = {-1, 0, 1, 0}, dy[4] = {0, 1, 0, -1};

    // 依次进行交换
    while(!q.empty())
    {
        // 获得当前序列
        string t = q.front();
        q.pop();
        // 如果是最后结果，输出答案
        if(t == "12345678x")
        {
            cout << h[t] << endl;
            return 0;
        }
        // 找到 x 的位置
        int pos = t.find('x');
        // 计算 x 的坐标
        int a = pos /3 , b = pos % 3 ;
        // 获取当前序列对应的交换次数
        int dist = h[t];

        // 尝试和四个方向的元素进行交换
        for(int i = 0; i < 4; i++)
        {
            int x = a + dx[i], y = b + dy[i];
            // 判断是否越界
            if(x >= 0 && x <= 2 && y >= 0 && y <= 2)
            {
                // 交换
                swap(t[pos], t[3 * x + y]);
                // 如果是个新序列，就保存新序列和对应的交换次数
                if(h.find(t) == h.end())
                {
                    h[t] = dist + 1;
                    q.push(t);
                }
                // 恢复现场，进行下一个方向的交换
                swap(t[pos], t[3 * x + y]);
            }
        }
    }
    // 没有得到结果序列，输出-1
    cout << -1;
    return 0;
}

Java代码

import java.util.*;
public class Main{
    public static void swap(char[] arr,int x,int y){
        char temp = arr[x];
        arr[x] = arr[y];
        arr[y] = temp;
    }
    public static int bfs(String start ,String end){
        Map<String,Integer> map = new HashMap<>();// 用来存储每种方式走过的距离
        Queue<String> q = new LinkedList<>();//队列，用来存储内容

        q.offer(start);//将初试元素插入到队列的尾部
        map.put(start,0);//将初始状态的值对应map中value值对应0;表示还没有进行前进;

        int[] dx = {-1,0,1,0},dy = {0,1,0,-1};//表示前进方向;上下左右
        //如果队列不是空的继续循环
        while(!q.isEmpty()){
            String t = q.poll();//将队头元素返回并抛出

            int k  = t.indexOf('x');//找到x再String中的下标
            int x = k / 3 ; int y = k % 3;//然后进行以为数组转化成二维的操作下标操作

            if(t.equals(end)) return map.get(t); //如果进行过程中跟结束end相同的就提前结束

            for(int i = 0 ; i < 4 ;  i ++ ){//这里进行四种方案
                int a = x + dx[i],b = y + dy[i]; 
                if(a >= 0 && a < 3 && b >= 0 && b < 3){ //如果这种情况没有超出边界
                    //将这种情况的字符串转化成字符数组，能够有下标进行交换
                    char[] arr = t.toCharArray(); 
                    //然后交换x跟没有超出边界的值进行交换，二维转成一维下标x*3+y;
                    swap(arr, k, a * 3 + b);
                    //然后将字符数组转化成字符串
                    String str = new String(arr);
                    if(map.get(str) == null){ //如果这种情况对应的value值是null，说明还没有走过
                        map.put(str,map.get(t) + 1);//然后将这种情况对应进行上一步的距离加上1
                        q.offer(str);//然后将新的情况插入到队尾中
                    }
                }
                //思路：
                //比如走到距离为2即第二步时候，上下左右四种情况都可行的情况下，将每一中情况都
                //插入到队列尾部，然后queue[] = {2[1],2[1],2[1],2[1],3[1],3[1],3[2],3[4]};
                //队列会执行从前面开始2执行完之后可能会有3种情况往队列尾插入，
                //然后这样依次每一层进行搜索遍历

                //因为步数小的都会先插入到队列中，队列原则"先进先出"原则,所以肯定会把所有的
                //第二步执行完之后才会执行前面第二步执行过程中产生的三步，然后一直执行到最后第n步
            }

        }
        return -1; //如果执行完之后没有结果，那么返回-1；

    }
    public static void main(String[] args){
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        String start = "";
        for(int i = 0 ; i < 9 ; i ++ ){
            String s = scan.next();
            start += s;
        }
        String end = "12345678x";
        System.out.println(bfs(start,end));
    }
}