【深度优化】【广度优先】【状态压缩】864. 获取所有钥匙的最短路径

简介: 【深度优化】【广度优先】【状态压缩】864. 获取所有钥匙的最短路径

本文涉及知识点

深度优先 广度优先 状态压缩

LeetCode864. 获取所有钥匙的最短路径

给定一个二维网格 grid ,其中:

‘.’ 代表一个空房间

‘#’ 代表一堵墙

‘@’ 是起点

小写字母代表钥匙

大写字母代表锁

我们从起点开始出发,一次移动是指向四个基本方向之一行走一个单位空间。我们不能在网格外面行走,也无法穿过一堵墙。如果途经一个钥匙,我们就把它捡起来。除非我们手里有对应的钥匙,否则无法通过锁。

假设 k 为 钥匙/锁 的个数,且满足 1 <= k <= 6,字母表中的前 k 个字母在网格中都有自己对应的一个小写和一个大写字母。换言之,每个锁有唯一对应的钥匙,每个钥匙也有唯一对应的锁。另外,代表钥匙和锁的字母互为大小写并按字母顺序排列。

返回获取所有钥匙所需要的移动的最少次数。如果无法获取所有钥匙,返回 -1 。

示例 1:

输入:grid = [“@.a…”,“###.#”,“b.A.B”]

输出:8

解释:目标是获得所有钥匙,而不是打开所有锁。

示例 2:

输入:grid = [“@…aA”,“…B#.”,“…b”]

输出:6

示例 3:

输入: grid = [“@Aa”]

输出: -1

提示:

m == grid.length

n == grid[i].length

1 <= m, n <= 30

grid[i][j] 只含有 ‘.’, ‘#’, ‘@’, ‘a’-‘f’ 以及 ‘A’-‘F’

钥匙的数目范围是 [1, 6]

每个钥匙都对应一个 不同 的字母

每个钥匙正好打开一个对应的锁

分析

有多少把钥匙,就有多少趟行程。除第一趟是从起点到某把钥匙外,其它都是钥匙到钥匙。拾取的钥匙不同,会影响到移动次数。最短路径可能被锁阻挡。


image.png

有些状态是非法状态,不会存在。

代码

核心代码

class CEnumGridEdge
{
public: 
  CEnumGridEdge(int r, int c, std::function<bool(int, int)> funVilidCur, std::function<bool(int, int)> funVilidNext) :m_r(r), m_c(c)
  {
    m_funVilidCur = funVilidCur;
    m_funVilidNext = funVilidNext;
    m_vNext.assign(m_r, vector < vector<pair<int, int>>>(m_c));
    Init();
  }
  vector<vector<int>> BFS(vector<pair<int,int>> start,const int endr=-1,const int endc=-1)
  {
    vector<vector<int>> vDis(m_r, vector<int>(m_c, -1));
    queue<pair<int,int>> que;
    for (const auto& [r,c] : start)
    {
      vDis[r][c] = 0;
      que.emplace(make_pair(r,c));
    }
    while (que.size())
    {
      const auto[r,c] = que.front();
      que.pop();
      for (const auto [nr,nc] : m_vNext[r][c])
      {
        if (-1 != vDis[nr][nc])
        {
          continue;
        }
        vDis[nr][nc] = vDis[r][c] + 1;
        if ((endr == nr) && (endc == nc))
        {
          break;
        }
        que.emplace(make_pair(nr, nc));
      }
    }
    return vDis;
  }
  const int m_r, m_c;
  vector < vector < vector<pair<int, int>>>> m_vNext;
protected:  
  void Init()
  {
    for (int r = 0; r < m_r; r++)
    {
      for (int c = 0; c < m_c; c++)
      {
        Move(r, c, r + 1, c);
        Move(r, c, r - 1, c);
        Move(r, c, r, c + 1);
        Move(r, c, r, c - 1);
      }
    }
  }
  void Move(int preR, int preC, int r, int c)
  {
    if ((r < 0) || (r >= m_r))
    {
      return;
    }
    if ((c < 0) || (c >= m_c))
    {
      return;
    }
    if (m_funVilidCur(preR, preC)&& m_funVilidNext(r,c))
    {
      m_vNext[preR][preC].emplace_back(r, c);
    }
  };
  std::function<bool(int, int)> m_funVilidCur,m_funVilidNext;
};
template<class ELE,class ELE2>
void MinSelf(ELE* seft, const ELE2& other)
{
  *seft = min(*seft,(ELE) other);
}
class Solution{
public:
  int shortestPathAllKeys(vector<string>& grid) {
    m_r = grid.size();
    m_c = grid.front().size();
    std::pair<int, int> start;
    vector< pair<int, int>> vKeys(6, { -1,-1 });
    for (int r = 0; r < m_r; r++)
    {
      for (int c = 0; c < m_c; c++)
      {
        const char& ch = grid[r][c];
        if ('@' == ch)
        {
          start = { r,c };
        }
        else if ((ch >= 'a') && (ch <= 'f'))
        {
          vKeys[ch-'a'] = { r,c };
          m_iKeyMask |= (1 << (ch - 'a'));
        }
      }
    }
    vector<vector<int>> vDis(1 << 6, vector<int>(6, INT_MAX));
    vDis[0][0] = 0;
    for (int hasKey = 0; hasKey < (1 << 6); hasKey++)
    {
      for (int endKey = 0; endKey < 6; endKey++)
      {
        auto VILID = [&hasKey, &grid](int r, int c)
        {
          const auto& ch = grid[r][c];
          if ('#' == ch)
          {
            return false;
          }
          if ((ch >= 'A') && (ch <= 'F'))
          {
            return bool(hasKey & (1 << (ch - 'A')));
          }
          return true;
        };
        if (INT_MAX == vDis[hasKey][endKey])
        {
          continue;
        }
        auto startCur = (0 == hasKey) ? start : vKeys[endKey];
        int needKey = m_iKeyMask ^ hasKey;
        CEnumGridEdge enumGrid(grid.size(), grid[0].size(), VILID, VILID);
        auto vCurDis = enumGrid.BFS({ startCur });
        for (int i = 0; i < vKeys.size(); i++)
        {
          if ((1 << i) & needKey)
          {
            const int iNewHasKey = hasKey | (1 << i);       
            if (-1 == vCurDis[vKeys[i].first][vKeys[i].second])
            {//无法到达第i个钥匙
              continue;
            }
            MinSelf(&vDis[iNewHasKey][i] , vDis[hasKey][endKey] + vCurDis[vKeys[i].first][vKeys[i].second]);
          }
        }
      }
    }
    const int iMin = *std::min_element(vDis[m_iKeyMask].begin(), vDis[m_iKeyMask].end());
    return (INT_MAX==iMin)? -1 : iMin;
  }
  int m_r, m_c;
  int m_iKeyMask=0;
};

测试用例

template<class T,class T2>
void Assert(const T& t1, const T2& t2)
{
  assert(t1 == t2);
}
template<class T>
void Assert(const vector<T>& v1, const vector<T>& v2)
{
  if (v1.size() != v2.size())
  {
    assert(false);
    return;
  }
  for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
  {
    Assert(v1[i], v2[i]);
  }
}
int main()
{
  vector<string> grid;
  {
    Solution sln;
    grid = { "@aA" };
    auto res = sln.shortestPathAllKeys(grid);
    Assert(1, res);
  }
  {
    Solution sln;
    grid = { "@.a..", "###.#", "b.A.B" };
    auto res = sln.shortestPathAllKeys(grid);
    Assert(8, res);
  }
  
  {
    Solution sln;
    grid = { "@..aA","..B#.","....b" };
    auto res = sln.shortestPathAllKeys(grid);
    Assert(6, res);
  }
  {
    Solution sln;
    grid = { "@Aa" };
    auto res = sln.shortestPathAllKeys(grid);
    Assert(-1, res);
  }
}

2003年4月

一次BFD,状态:钥匙状态 ,当前行,当前列。

class Solution {
public:
int shortestPathAllKeys(vector& grid) {
m_r = grid.size();
m_c = grid[0].size();
int iBeginRC = 0;
std::unordered_map<char, int> mKeyIndex;
for (int r = 0; r < m_r; r++)
{
for (int c = 0; c < m_c; c++)
{
const char& ch = grid[r][c];
if (‘@’ == ch )
{
iBeginRC = 100 * r + c;
}
if ((ch >= ‘a’) && (ch <= ‘z’))
{
mKeyIndex[ch] = mKeyIndex.size();
}
}
}
m_iKeyMaskNum = 1 << mKeyIndex.size();
std::unordered_map<int, int> mMaskStep;
std::queue que;
mMaskStep[iBeginRC] = 0;
que.emplace(iBeginRC);
auto Add = [this, &que, &mMaskStep, &grid, &mKeyIndex](const int r, const int c, const int iKeyMask,int iPreSetp)
{
if ((r < 0) || (r >= m_r))
{
return;
}
if ((c < 0) || (c >= m_c))
{
return;
}
const char& ch = grid[r][c];
if (‘#’ == ch)
{//墙直接返回
return;
}
if ((ch >= ‘A’) && (ch <= ‘Z’))
{
int index = mKeyIndex[ch - ‘A’ + ‘a’];
if (!(iKeyMask & (1 << index)))
{//没钥匙开锁
return;
}
}
int iNewKeyMask = iKeyMask;
if ((ch >= ‘a’) && (ch <= ‘z’))
{
int index = mKeyIndex[ch ];
iNewKeyMask |= (1 << index) ;
}
const int iNewMask = iNewKeyMask * 10000 + r * 100 + c;
if (mMaskStep.count(iNewMask))
{
return;
}
mMaskStep[iNewMask] = iPreSetp + 1;
que.emplace(iNewMask);
};
while (que.size())
{
const int iMask = que.front();
const int r = que.front() / 100 % 100;
const int c = que.front() % 100;
const int iKeyMask = que.front() / 10000;
if (iKeyMask + 1 == m_iKeyMaskNum)
{
return mMaskStep[que.front()];
}
que.pop();
Add(r + 1, c, iKeyMask, mMaskStep[iMask]);
Add(r - 1, c, iKeyMask, mMaskStep[iMask]);
Add(r, c + 1, iKeyMask, mMaskStep[iMask]);
Add(r, c - 1, iKeyMask, mMaskStep[iMask]);
}
return -1;
}
int m_r, m_c;
int m_iKeyMaskNum;
};


扩展阅读

视频课程

有效学习:明确的目标 及时的反馈 拉伸区(难度合适),可以先学简单的课程,请移步CSDN学院,听白银讲师(也就是鄙人)的讲解。

https://edu.csdn.net/course/detail/38771

如何你想快速形成战斗了,为老板分忧,请学习C#入职培训、C++入职培训等课程

https://edu.csdn.net/lecturer/6176

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下载

想高屋建瓴的学习算法,请下载《喜缺全书算法册》doc版

https://download.csdn.net/download/he_zhidan/88348653

我想对大家说的话
闻缺陷则喜是一个美好的愿望,早发现问题,早修改问题,给老板节约钱。
子墨子言之:事无终始,无务多业。也就是我们常说的专业的人做专业的事。
如果程序是一条龙,那算法就是他的是睛

测试环境

操作系统:win7 开发环境: VS2019 C++17

或者 操作系统:win10 开发环境: VS2022 C++17

如无特殊说明,本算法用**C++**实现。

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