37. 解数独
37. 解数独（难度：困难）
题目链接：https://leetcode-cn.com/problems/sudoku-solver/
编写一个程序，通过已填充的空格来解决数独问题。
一个数独的解法需遵循如下规则：
数字 1-9 在每一行只能出现一次。
数字 1-9 在每一列只能出现一次。
数字 1-9 在每一个以粗实线分隔的 3x3 宫内只能出现一次。
空白格用 '.' 表示。
一个数独。
答案被标成红色。
Note:
给定的数独序列只包含数字 1-9 和字符 '.' 。
你可以假设给定的数独只有唯一解。
给定数独永远是 9x9 形式的。
解法一：回溯法
该算法思想比较简单，给每个方块都设置约束，在数独上面放入一个数字，则这行、这列、这块（3*3）的元素都不能对这个数字再进行使用。从而减少回溯遍历的次数。
我们只需要，逐行逐列的对每一个需要填写的数独赋以值，若当前正确，那么就进行下个数独的赋值；若出现了冲突，则开始回溯，尝试另一个可以的赋值。如果还是不行，那就再次回退。
如何查看是否冲突？
对该行进行遍历，查看是否有与新值相同的，即判断
board[row][i] == ch
对该列进行遍历，查看是否有与新值相同的，即判断
board[i][col] == ch
对该块进行遍历，查看是否有与新值相同的，即判断
board[lumpRow][lumpCol] == ch
其中lumpRow是指当前数独位置对应的块序号，
lumpRow = (row / 3) * 3 + j / 3
其中lumpCol是指当前数独位置在对应的块中的下标，即从左到右，从上到下依次排列的序号，
lumpRow = (row / 3) * 3 + j / 3
算法思想：
（1）从左上角开始 row = 0,col = 0。直到到达第一个空方格。
（2）从 1 到 9 之间的数字d 依次尝试放入[row,col] 格子
（3）若 d 没有出现在当前行，列，方块中，则放入该方格中，进行下一个方格的尝试。
（4）若d出现在当前行或列或方块中，则回到到第（2）步，尝试下一个d。
（5）若所有的d都尝试完，仍然没有满足的，则回溯到上一步，即上一个方格的赋值进行更改，然后重复（2）以后的操作。
代码：
class Solution {
public void solveSudoku(char[][] board) {
sudaoKu(board, 0, 0);
}
private boolean sudaoKu(char[][] board, int row, int col) {
int n = board.length; // 9
// 若一行满了，跳转到下一行
if (col == n) {
return sudaoKu(board, row + 1, 0);
}
/*
* 当到最后一个数独board[8][8]，
* 若验证成功， 下来是board[8][9],满足上面条件，
* 会到board[9][0],
* 当到这块说明数独找到解法了,
* 此处是整个回溯算法的出口
*/
if (row == n) {
return true;
}
// 当该位置已经有数字，直接去找下一个未填数的位置
if (board[row][col] != '.') {
return sudaoKu(board, row, col + 1);
}
// 遍历填数
for (char i = '1'; i <= '9'; i++) {
// 验证放入i是否满足条件
if (!verify(board, row, col, i)) {
continue;
}else {
//将i放入该位置
board[row][col] = i;
//接着递归判断下一列元素
//若成功找到解法，则返回true
if(sudaoKu(board,row,col+1)) {
return true;
}else {
//否则，回溯
board[row][col] = '.';
}
}
}
return false;
}
/*
* 验证在[row,col]位置插入i，是否满足条件 只需验证同一行、同一列、同一方块是否存在重复
*
*/
private boolean verify(char[][] board, int row, int col, char i) {
for (int j = 0; j < 9; j++) {
// 根据j来遍历所在块，计算出该块中每个数独的位置，在整个board中的位置坐标。
int lumpRow = (row / 3) * 3 + j / 3;
int lumpCol = (col / 3) * 3 + j % 3;
//判断所在行是否存在重复
if(board[row][j] == i) return false;
//判断所在列是否存在重复
if(board[j][col] == i) return false;
//判断所在块是否存在重复
if(board[lumpRow][lumpCol] == i) return false;
}
return true;
}
}
解法二：回溯法+状态压缩
思路：
1、状态压缩
（1）我们可以对每一行、每一列、每个3*3方块使用一个int数字来压缩存储他们中出现的数字。
（2）然后我们可以得到每一个方格都有对应的行、列、方块中已经出现的数字，从而可以得到没有出现的数字，也就是可以供选择填入的数字，这样我们就可以大大提高效率。
（3）我们可以选择约束最多的方格开始尝试赋值，这样可以大大减少我们回溯的次数，约束最多也就是指的在该方格的行和列以及3*3方块中出现不同数字的次数最多。
（4）在每次填入数字之后，对压缩存储信息的数组进行更新。
（5）根据压缩存储信息的更新，然后重新计算可以填入的数字。
那么我们如何使用一个int数字来压缩表示他们中出现的数字？
我们可以把每一个int 数字都想象成他的二进制形式。因为java中一个int类型的数字是32位，而我们若用每位来表示0-9之间的数字是否存在，只需要使用低位的9位。所以下面我只罗列地位的九位。
若我们使用171来表示一个压缩存储信息：
（1）在我们存储信息的时候，只需要对每一行、每一列、每个3*3方块 的int数字 进行或运算，即 rows[x] = rows[x] | 1<<n
（2）我们想要知道某个方格对应的行、列、方块已经存在的数字，只需要对他们进行或运算，即rows[x] | cols[y] | cells[x/3][y/3];
（3）若想拿到该方格可以填入的数字，只需要对上面表达式取反，即~(rows[x] | cols[y] | cells[x/3][y/3]);
（4）若想知道那个方格的约束最多，只需要对上述计算的已经存在的数字，计算出其二进制的1的个数，个数最多的表示约束最多。
我们可以利用Integer.bitCount() 方法刚好可以得到1的个数。
下图，不是自己做的，直接使用大佬的图：
代码：
class Solution {
//解法二
/* rows,cols,cells分别表示在某行、某列、某块已经出现的数字
* 使用二进制表示
* 如： 100010010
* 对应： 987654321
* 已经存在的数字：9,5,2
*/
int rows[] = new int[9];
int cols[] = new int[9];
int cells[][] = new int[3][3];
/*计算出[x,y]坐标可以填的数，用二进制表示可以填写的数
* 如 100100010
* 对应 987654321
* 可以填写是数字为9,6,2
*/
private int getPossibleStatus(int x,int y) {
return ~(rows[x] | cols[y] | cells[x/3][y/3]);
}
/*
* 找到能够填写数字的个数最小的那个位置，
* 即通过getPossibleStatus方法得到的数字，转为二进制
* 其中1的个数最小的那个位置
*/
private Map<Integer, Integer> getNext(char[][] board) {
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
int min = 33;
int r = 0,c =0;
for(int i = 0;i<9;i++) {
for(int j = 0;j<9;j++) {
if(board[i][j] != '.') continue;
int temp = getPossibleStatus(i, j);
//计算其中包含1的个数，即可以填写的数字的个数
int tempNum = Integer.bitCount(temp);
if(tempNum >= min) continue;
r = i;
c = j;
min = tempNum;
}
}
map.put(r, c);
return map;
}
/**
* 更新三个数组的数据
* flag若为true，则是更新指定位置的数为1，
* 若为false则是，回调，将指定位置的数改为0.
* @param x
* @param y
* @param n
*/
private void fillNum(int x,int y,int n,boolean flag) {
rows[x] = (flag)?(rows[x] | 1<<n):(rows[x] & (~(1<<n)) );
cols[y] = (flag)?(cols[y] | 1<<n):(cols[y] & (~(1<<n)) );
cells[x/3][y/3] = (flag)?(cells[x/3][y/3] | 1<<n):(cells[x/3][y/3] & (~(1<<n)) );
}
/**
* 回溯方法
* @param board
* @param cnt
* @return
*/
boolean dfs(char[][] board,int cnt) {
if(cnt == 0) {
return true;
}
//计算出可填的数字个数最小的坐标
Map<Integer, Integer> map = getNext(board);
int x = 0,y = 0;
//拿到x,y坐标
for(Map.Entry<Integer, Integer> entry : map.entrySet()){
x = entry.getKey();
y = entry.getValue();
}
//拿到可以填写的数字
int bits = getPossibleStatus(x, y);
//在指定位置填数
for(int n = 0;n<9;n++) {
//找到可以填的数字（挨个试）
//若不是可以填写的数字则跳过
if((bits & (1<<n)) == 0) continue;
fillNum(x, y, n, true);
board[x][y] = (char) (n + '1');
if(dfs(board, cnt - 1))
return true;
//如若不能找到最终结果，则回调
board[x][y] = '.';
fillNum(x, y, n, false);
}
return false;
}
public void solveSudoku(char[][] board) {
//计算'.'的个数，即需要补空的个数
int cnt = 0;
for (int i = 0; i < board.length; i++) {
for (int j = 0; j < board[i].length; j++) {
cnt += (board[i][j] == '.'? 1:0);
if(board[i][j] == '.')
continue;
int n = board[i][j] -'1';
fillNum(i,j,n,true);
}
}
dfs(board, cnt);
}
}
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