c#漢諾塔的遞歸算法與解析
從左到右 A B C 柱 大盤子在下, 小盤子在上, 借助B柱將所有盤子從A柱移動到C柱, 期間只有一個原則: 大盤子只能在小盤子的下面.
如果有3個盤子, 大中小號, 越小的越在上面, 從上面給盤子按順序編號 1(小),2(中),3(大), 后面的原理解析引用這里的編號.
小時候玩過這個游戲, 基本上玩到第7個,第8個就很沒有耐心玩了,并且操作的動作都幾乎相同覺得無聊. 后來學(xué)習(xí)編程, 認(rèn)識到遞歸, 用遞歸解決漢諾塔的算法也是我除了簡單的排序算法后學(xué)習(xí)到的第一種算法.
至于遞歸,簡單來說就是方法內(nèi)部自己調(diào)用自己, 同時也一定有一個結(jié)束點. 如果對方法調(diào)用棧了解的話,其實是很容易理解方法的調(diào)用過程的, 就是從主線程開始調(diào)用方法進(jìn)行不停的壓棧和出棧操作. 方法的調(diào)入就是將方法壓入棧中, 方法的結(jié)束就是方法出棧的過程, 這樣保證了方法調(diào)用的順序流. 如果跟蹤遞歸的調(diào)用情況會發(fā)現(xiàn)也是如此, 到最后一定是這個方法最后從棧中彈出回到主線程, 并且結(jié)束.
棧的特點:先進(jìn)后出。 比如一個方法 A 自己調(diào)用自己, 我用編號區(qū)分一下進(jìn)棧過程:
A -> A(1) -> A(2) -> A(3)
在A(3)時滿足某種條件得以退出, 回到 A(2), A(2)結(jié)束回到A(1), 再回到A, 出棧過程:
A(3) -> A(2) -> A(1) -> A
對于遞歸,還有一個形象的認(rèn)識,就是我小時候家里有一個柜子, 柜子兩端都是玻璃, 頭伸進(jìn)柜子看一面鏡子,會看到鏡子里還有鏡子, 然后鏡子里還有鏡子, 但和遞歸的特點不同的是這鏡子的反射是沒有盡頭的, 只要眼睛一直能看到底的話.
了解完遞歸后, 再回頭來看如何用遞歸的方式解決漢諾塔的問題.
案例 1 - 假設(shè)只有一個盤子的時候, 盤子數(shù)量 N=1
只有一個步驟 將第1個盤子從A移動到C, 為了對比方便我這樣來描述這個步驟：
步驟 盤子編號 從柱子移動 移動到柱子
1 1 A C
案例 2 - 如果有兩個盤子, 盤子數(shù)量 N = 2
步驟 盤子編號 從柱子移動 移動到柱子
1 1 A B
2 2 A C
3 1 B C
案例 3 - 如果有三個盤子, 盤子數(shù)量 N = 3
步驟 盤子編號 從柱子移動 移動到柱子
1 1 A C
2 2 A B
3 1 C B
4 3 A C
5 1 B A
6 2 B C
7 1 A C
如何找出盤子移動的規(guī)律 ？
我們要做的最重要的一件事情就是永遠(yuǎn)要把最底下的一個盤子從 A 移動到 C
看看上面從1個盤子的移動到3個盤子的移動, 在移動記錄中,當(dāng)盤子的編號和盤子數(shù)量相同的時候他們的步驟都是從A移動到C (看加粗的部分),其它的步驟對等.
再觀察第3個案例中的第 1-3 步 和 第 5-7步
第 1-3 步 目的是從 A 移動到 B 如果我們把 B 當(dāng)作終點, 那么這里的第 1-3 步理解起來和 第2個案例的三個步驟完全相同, 都是通過一個柱子來移動,和第2個案例比起來在后面加括號來表示
1 1 A C ( A -> B)
2 2 A B ( A -> C)
3 1 C B ( B -> C)
總結(jié)：將盤子B變成C即可.
第 5-7 步 目的是從 B 移動到 C 如果我們把 C 當(dāng)作終點, 那么這里的 5-7 步理解起來和上面也是一樣的, 和第2個案例的三個步驟也完全相同.和第2個案例比起來就是:
5 1 B A ( A -> B)
6 2 B C ( A- > C)
7 1 A C ( B -> C)
總結(jié): 將盤子B變成A即可
根據(jù)這個演示可以明確幾點規(guī)律:
1. 當(dāng)盤子只有一個的時候,只有一個動作 從 A 移動到 C 即結(jié)束.
2. 當(dāng)有N個盤子的時候, 中間的動作都是從 A 移動到 C, 那么表示最下面的第N個盤子移動完畢
3. 中間動作之上都可以認(rèn)為是: 從 A 移動到 B
4. 中間動作之下都可以認(rèn)為是: 從 B 移動到 C
2，3，4 可以表示為
1 1 A B
2 2 A C
3 1 B C
這種結(jié)構(gòu)一直在重復(fù)進(jìn)行,C#不太熟悉,試著寫寫,就有了以下代碼:
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
namespace DataStructure
{
class HanoiTower
{
public void MoveDisk(int DiskQuantity,string PositionA, string PositionB, string PositionC)
{
// If there's only one disk, then end.
if (DiskQuantity == 1)
{
Console.WriteLine("Move disk from position {0} to {1}.", PositionA, PositionC);
// Must return
return;
}
else
{
// Step 1 - Change B to C (A --> B)
MoveDisk(DiskQuantity - 1, PositionA,PositionC,PositionB);
// Step 2 - No changes (A --> C)
MoveDisk(1, PositionA, PositionB, PositionC);
// Step 3 - Change B to A (A --> C)
MoveDisk(DiskQuantity - 1, PositionB, PositionA, PositionC);
}
}
static void Main(string[] args)
{
HanoiTower hanoi = new HanoiTower();
Console.WriteLine("Please input Disk Quantity:");
int DiskQuantity = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
hanoi.MoveDisk(DiskQuantity, "A", "B", "C");
Console.ReadKey();
}
}
}
結(jié)合上面的分析,最重要的就是這里的3步交換動作, 中間從 A到C的動作是最底層盤子的最終操作.
// Step 1 - Change B to C (A --> B)
MoveDisk(DiskQuantity - 1, PositionA,PositionC,PositionB);
// Step 2 - No changes (A --> C)
MoveDisk(1, PositionA, PositionB, PositionC);
// Step 3 - Change B to A (A --> C)
MoveDisk(DiskQuantity - 1, PositionB, PositionA, PositionC);
至于第1個參數(shù)為什么是DiskQuantity - 1,或者1 大家再回到上面看看是不是所有的步驟都是.. 1. 1,2,1. 1,2,1,3,1,2,1 這種以盤子數(shù)對稱的結(jié)構(gòu),而它前后都是重復(fù)1,2,1 的過程.
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