c++ - 是否可以将boost库的广度优先搜索算法应用于矩阵？

Question

我的任务是在矩阵中找到从一点到另一点的最短路线。只能在这样的方向上移动(上、下、左、右)。

0 0 0 0 1 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 1 F 0
0 1 0 1 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0
0 S 0 1 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1 0

S - 起点

F - 目的地(Finish)

0 - 空闲单元格(我们可以穿过它们)

1 - “墙”(我们不能穿过它们)

很明显，广度优先搜索以最佳方式解决了这个问题。 我知道 Boost 库提供了这个算法，但我以前没有使用过 Boost。

如何使用 Boost 在我的案例中进行广度优先搜索？ 据我了解，Boost 的广度优先搜索算法仅适用于图形。 我想将矩阵转换为具有 m*n 顶点和 m*(n -1) + (m-1)*n 的图形不是一个好主意边缘。

我可以将广度优先搜索算法应用于矩阵(不将其转换为图形)，还是实现我自己的广度优先搜索函数更好？

Answer 1

(提前为这个答案的长度道歉。自从我使用 BGL 以来已经有一段时间了，我认为这将是一个很好的复习。完整代码是 here。)

Boost Graph Library(以及一般的泛型编程)的美妙之处在于，您无需使用任何特定的数据结构即可利用给定的算法。您提供的矩阵以及遍历它的规则已经定义了一个图。所需要做的就是将这些规则编码到可用于利用 BGL 算法的特征类中。

具体来说，我们要做的是定义boost::graph_traits<T> 的特化。为你的图表。假设您的矩阵是 int 的单个数组是行优先格式。可惜专攻graph_traits对于 int[N]将是不够的，因为它不提供有关矩阵维度的任何信息。因此，让我们按如下方式定义您的图形:

namespace matrix
{
  typedef int cell;

  static const int FREE = 0;
  static const int WALL = 1;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  struct graph
  {
    cell cells[ROWS*COLS];
  };
}

我在这里对单元格数据使用了组合，但如果要在外部进行管理，您也可以轻松地使用指针。现在我们有了一个用矩阵维度编码的类型，可以用来特化 graph_traits .但首先让我们定义一些我们需要的函数和类型。

顶点类型和辅助函数:

namespace matrix
{
  typedef size_t vertex_descriptor;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  size_t get_row(
    vertex_descriptor vertex,
    graph< ROWS, COLS > const & )
  {
    return vertex / COLS;
  }

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  size_t get_col(
    vertex_descriptor vertex,
    graph< ROWS, COLS > const & )
  {
    return vertex % COLS;
  }

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  vertex_descriptor make_vertex(
    size_t row,
    size_t col,
    graph< ROWS, COLS > const & )
  {
    return row * COLS + col;
  }
}

遍历顶点的类型和函数:

namespace matrix
{
  typedef const cell * vertex_iterator;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  std::pair< vertex_iterator, vertex_iterator >
  vertices( graph< ROWS, COLS > const & g )
  {
    return std::make_pair( g.cells, g.cells + ROWS*COLS );
  }

  typedef size_t vertices_size_type;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  vertices_size_type
  num_vertices( graph< ROWS, COLS > const & g )
  {
    return ROWS*COLS;
  }
}

边缘类型:

namespace matrix
{
  typedef std::pair< vertex_descriptor, vertex_descriptor > edge_descriptor;

  bool operator==(
    edge_descriptor const & lhs,
    edge_descriptor const & rhs )
  {
    return
      lhs.first == rhs.first && lhs.second == rhs.second ||
      lhs.first == rhs.second && lhs.second == rhs.first;
  }

  bool operator!=(
    edge_descriptor const & lhs,
    edge_descriptor const & rhs )
  {
    return !(lhs == rhs);
  }
}

最后，迭代器和函数帮助我们遍历顶点和边之间存在的关联关系:

namespace matrix
{
  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  vertex_descriptor
  source(
    edge_descriptor const & edge,
    graph< ROWS, COLS > const & )
  {
    return edge.first;
  }

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  vertex_descriptor
  target(
    edge_descriptor const & edge,
    graph< ROWS, COLS > const & )
  {
    return edge.second;
  }

  typedef boost::shared_container_iterator< std::vector< edge_descriptor > > out_edge_iterator;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  std::pair< out_edge_iterator, out_edge_iterator >
  out_edges(
    vertex_descriptor vertex,
    graph< ROWS, COLS > const & g )
  {
    boost::shared_ptr< std::vector< edge_descriptor > > edges( new std::vector< edge_descriptor >() );

    if( g.cells[vertex] == FREE )
    {
      size_t
        row = get_row( vertex, g ),
        col = get_col( vertex, g );

      if( row != 0 )
      {
        vertex_descriptor up = make_vertex( row - 1, col, g );

        if( g.cells[up] == FREE )
          edges->push_back( edge_descriptor( vertex, up ) );
      }

      if( row != ROWS-1 )
      {
        vertex_descriptor down = make_vertex( row + 1, col, g );

        if( g.cells[down] == FREE )
          edges->push_back( edge_descriptor( vertex, down ) );
      }

      if( col != 0 )
      {
        vertex_descriptor left = make_vertex( row, col - 1, g );

        if( g.cells[left] == FREE )
          edges->push_back( edge_descriptor( vertex, left ) );
      }

      if( col != COLS-1 )
      {
        vertex_descriptor right = make_vertex( row, col + 1, g );

        if( g.cells[right] == FREE )
          edges->push_back( edge_descriptor( vertex, right ) );
      }
    }

    return boost::make_shared_container_range( edges );
  }

  typedef size_t degree_size_type;

  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  degree_size_type
  out_degree(
    vertex_descriptor vertex,
    graph< ROWS, COLS > const & g )
  {
    std::pair< out_edge_iterator, out_edge_iterator > edges = out_edges( vertex, g );
    return std::distance( edges.first, edges.second );
  }
}

现在我们准备好定义我们的特化 boost::graph_traits :

namespace boost
{
  template< size_t ROWS, size_t COLS >
  struct graph_traits< matrix::graph< ROWS, COLS > >
  {
    typedef matrix::vertex_descriptor vertex_descriptor;
    typedef matrix::edge_descriptor edge_descriptor;

    typedef matrix::out_edge_iterator out_edge_iterator;
    typedef matrix::vertex_iterator vertex_iterator;

    typedef boost::undirected_tag directed_category;
    typedef boost::disallow_parallel_edge_tag edge_parallel_category;
    struct traversal_category :
      virtual boost::vertex_list_graph_tag,
      virtual boost::incidence_graph_tag {};

    typedef matrix::vertices_size_type vertices_size_type;
    typedef matrix::degree_size_type degree_size_type;

    static vertex_descriptor null_vertex() { return ROWS*COLS; }
  };
}

下面是如何执行广度优先搜索并找到最短路径:

int main()
{
  const size_t rows = 8, cols = 8;

  using namespace matrix;

  typedef graph< rows, cols > my_graph;

  my_graph g =
  {
    FREE, FREE, FREE, FREE, WALL, FREE, FREE, FREE,
    WALL, FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, FREE,
    FREE, FREE, FREE, WALL, FREE, WALL, FREE, FREE,
    FREE, WALL, FREE, WALL, FREE, FREE, FREE, FREE,
    FREE, FREE, FREE, WALL, FREE, FREE, FREE, FREE,
    FREE, FREE, FREE, WALL, FREE, FREE, WALL, FREE,
    FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, WALL, FREE,
    FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, FREE, WALL, FREE,
  };

  const vertex_descriptor
    start_vertex = make_vertex( 5, 1, g ),
    finish_vertex = make_vertex( 2, 6, g );

  vertex_descriptor predecessors[rows*cols] = { 0 };

  using namespace boost;

  breadth_first_search(
    g,
    start_vertex,
    visitor( make_bfs_visitor( record_predecessors( predecessors, on_tree_edge() ) ) ).
    vertex_index_map( identity_property_map() ) );

  typedef std::list< vertex_descriptor > path;

  path p;

  for( vertex_descriptor vertex = finish_vertex; vertex != start_vertex; vertex = predecessors[vertex] )
    p.push_front( vertex );

  p.push_front( start_vertex );

  for( path::const_iterator cell = p.begin(); cell != p.end(); ++cell )
    std::cout << "[" << get_row( *cell, g ) << ", " << get_col( *cell, g ) << "]\n" ;

  return 0;
}

从开始到结束沿最短路径输出单元格:

[5, 1]
[4, 1]
[4, 2]
[3, 2]
[2, 2]
[1, 2]
[1, 3]
[1, 4]
[1, 5]
[1, 6]
[2, 6]