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數獨解題程式的JAVA實現

先上號稱最難數獨的解題結果圖
測試結果
簡單:
這裡寫圖片描述

其中使用int[9][9]的二維陣列表示數獨各位置的值和候選數:

16進位制 2進位制 意義
0x1 1 確定值1
0x2 10 確定值2
0x4 100 確定值3
0xD3 1101 0101 候選值1 3 5 7 8
0x1FF 1 1111 1111 候選值1 2 3 4 5 6 7 8 9


其中只使用了唯一候選數法和遞迴試填,雖然也寫了其他解題技巧的實現(如隱性唯一候選數法、候選數區塊刪減法、候選數對刪減法、隱性候選數對刪減法等),加入之後也可以將其變成一個解題演示器,但加入之後:1.時間效率上並不比現在的更高,2.並沒有寫完所有的已知解題技巧的實現,並且,即使寫出了所有解題技巧的實現,遞迴試填仍然是解高階難題必須使用的方法。所以,最後也沒加。

完整程式碼:

package test;

/**
 * @author l.wang([email protected])
 */
public class Sudoku {
    /**
     * 號稱最難數獨( 空格分開的81個數字 0 表示待填,)
     */
    static String source = "8 0 0 0 0 0 0 0 0" +
                           "0 7 0 0 9 0 2 0 0" + 
                           "0 0 3 6 0 0 0 0 0" + 
                           "0 5 0 0 0 7 0 0 0"
+ "0 0 0 0 4 5 7 0 0" + "0 0 0 1 0 0 0 3 0" + "0 0 1 0 0 0 0 6 8" + "0 0 8 5 0 0 0 1 0" + "0 9 0 0 0 0 4 0 0"; static long start; static int i; public static void main(String[] args) { start = System.nanoTime(); int[][] data = init(source); for (int i = 0; i < 9; i++) { for (int j = 0; j < 9; j++) { if (data[i][j] == 0) { data[i][j] = 0x1ff; } } } print(data); solve(data); System.out.println("總用時:" + (System.nanoTime() - start) / 1000000.0 + "ms"); } private static void solve(int[][] data) { analyse(data); int result = check(data); if (result == 1) { int[] position = smallPosition(data); int pv = data[position[0]][position[1]]; int pvcount = Integer.bitCount(pv); for (int i = 0; i < pvcount; i++) { int testV = 1 << ((int) (Math.log(Integer.highestOneBit(pv)) / Math.log(2))); pv ^= testV; // System.out.println("試填["+position[0]+","+position[1]+"]"+((int) // (Math.log(Integer.highestOneBit(testV)) / Math.log(2))+1)); int[][] copy = copyData(data); copy[position[0]][position[1]] = testV; solve(copy); } } else if (result == 0) { System.out.println("------------------------------------第"+(++i)+"個答案---------------------" + (System.nanoTime() - start) / 1000000.0 + "ms---"); print(data); } } /** * 複製數獨陣列 * @param data * @return */ private static int[][] copyData(int[][] data) { int[][] copy = new int[9][9]; for (int i = 0; i < 9; i++) { for (int j = 0; j < 9; j++) { copy[i][j] = data[i][j]; } } return copy; } /** * 找到候選數最少的位置開始嘗試<br> * <b>****顯著提升了效率*****<b> * @param data * @return int[2] 行列位置 */ public static int[] smallPosition(int[][] data) { int[] res = null; int smallCount = 10; for (int i = 0; i < 9; i++) { for (int j = 0; j < 9; j++) { int bitcount = Integer.bitCount(data[i][j]); if (bitcount == 2) { return new int[] { i, j }; } else if (bitcount != 1) { if (smallCount > bitcount) { smallCount = bitcount; res = new int[] { i, j }; } } } } return res; } /** * 檢查結果 * @param data * @return <b>0</b> 正確<br> * <b>1</b> 還有位置未填<br> * <b>-1</b> 錯誤<br> */ private static int check(int[][] data) { for (int i = 0; i < 9; i++) { int row = 0; int col = 0; int block = 0; for (int j = 0; j < 9; j++) { if (Integer.bitCount(data[i][j]) > 1) { return 1; } row |= data[i][j]; col |= data[j][i]; } for (int h = i / 3 * 3; h < i / 3 * 3 + 3; h++) { for (int l = i % 3 * 3; l < i % 3 * 3 + 3; l++) { block |= data[h][l]; } } if (row != 0x1ff || col != 0x1ff || block != 0x1ff) { return -1; } } return 0; } private static void analyse(int[][] data) { boolean changed = false; changed = reduce(data); //TODO 還可以加入其它刪減候選數演算法,將這變成一個解題演算器 if (changed) { analyse(data); } } /** * 根據行列宮已有值進行簡單的候選數刪減 * @param data * @return */ private static boolean reduce(int[][] data) { boolean changed = false; for (int m = 0; m < 9; m++) { for (int n = 0; n < 9; n++) { if (Integer.bitCount(data[m][n]) != 1) { if (setMaybe(data, m, n)) { changed = true; } } } } return changed; } /** * 設定m行n列位置的可能值 * * @param m * 行(0-8) * @param n * 列(0-8) * @return 是否減少了候選數 */ private static boolean setMaybe(int[][] data, int m, int n) { if (Integer.bitCount(data[m][n]) == 1) { return false; } int row = 0;// 行已確定值集合 int col = 0;// 列已確定值集合 int block = 0; // 宮格已確定值集合 for (int i = 0; i < 9; i++) { if (Integer.bitCount(data[m][i]) == 1) { row += data[m][i]; } if (Integer.bitCount(data[i][n]) == 1) { col += data[i][n]; } } for (int i = m / 3 * 3; i < m / 3 * 3 + 3; i++) { for (int j = n / 3 * 3; j < n / 3 * 3 + 3; j++) { if (Integer.bitCount(data[i][j]) == 1) { block += data[i][j]; } } } int have = row | col | block;// 不可能的值 int left = 0x1ff ^ have;// 候選數 // System.out.println("["+m+","+n+"]"+Integer.toBinaryString(left)); return tryReduce(data, m, n, left); } /** * 新的候選數與老的候選數比較,嘗試減少候選數 * * @param data * @param m * 行(0-8) * @param n * 列(0-8) * @param v * 候選數,如0x1F9(二進位制1 1111 1001)表示候選數為1 4 5 6 7 8 9 * @return 是否改變了m行n列的候選數,<br/> * <b>true</b> 減少了候選數<br/> * <b>false</b> 沒有減少 */ private static boolean tryReduce(int[][] data, int m, int n, int v) { int old = data[m][n]; data[m][n] = old & v; return data[m][n] != old; } /** * 初始化資料 * * @param source * 空格分開的81個數字 0 表示待填 * @return */ private static int[][] init(String source) { source = source.replace(" ", ""); int[][] data = new int[9][9]; for (int i = 0; i < source.length(); i++) { //應該用source.charAt(i) - '0' int v = Integer.parseInt(source.charAt(i) + ""); if (v != 0) { data[i / 9][i % 9] = 1 << (v - 1); } } return data; } /** * 列印數獨 * * @param data */ private static void print(int[][] data) { for (int m = 0; m < 9; m++) { for (int n = 0; n < 9; n++) { int v = getV9(data[m][n]); if (v != -1) { System.out.print(v + " "); } else { System.out.print("_ "); } } System.out.println(); } } /** * 將使用1的位移表示的數字轉換為整數; * * @param v * 用1的位移表示的數值 * @return */ public static int getV9(int v) { // 使用switch與使用Math.log時間效率差不多 switch (v) { case 1: return 1; case 2: return 2; case 4: return 3; case 8: return 4; case 16: return 5; case 32: return 6; case 64: return 7; case 128: return 8; case 256: return 9; default: break; } return -1; } }