51. N-Queens (Array; Back-Track, Bit)

The n-queens puzzle is the problem of placing n queens on an n×n chessboard such that no two queens attack each other.

Given an integer n, return all distinct solutions to the n-queens puzzle.

Each solution contains a distinct board configuration of the n-queens' placement, where 'Q' and '.' both indicate a queen and an empty space respectively.

For example,
There exist two distinct solutions to the 4-queens puzzle:

[
 [".Q..",  // Solution 1
  "...Q",
  "Q...",
  "..Q."],

 ["..Q.",  // Solution 2
  "Q...",
  "...Q",
  ".Q.."]
]

思路I：按行递归，在每个递归过程中按列循环，此时可能会有多种选择，所以使用回溯法。

注意每个小对角线也要check。

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        if(n==0) return result;
        
        string str="";
        for(int i = 0; i< n; i++){ //construct "...."
            str += '.';
        }
        vector<string> item(n,str);
        backTracking(n, item, 0);
        return result;
        
    }
    
    void backTracking(int n, vector<string>& item, int depth){ //depth is the line number
        if(depth==n){
            result.push_back(item);
            return;
        }
        
        for(int i = 0; i < n; i++){ //traverse column
            item[depth][i] = 'Q';
            if(check(n,item, depth, i)) backTracking(n,item,depth+1);
            item[depth][i] = '.'; //back track
        }
    }
    
    bool check(int n, vector<string>& item, int i, int j){
        int k;
        //check line to see if there's repetition
        for(k = 0; k < n; k++){
            if(k==i) continue;
            if(item[k][j]=='Q') return false;
        }
        
        //check column to see if there's repetition
        for(k = 0; k < n; k++){
            if(k==j) continue;
            if(item[i][k]=='Q') return false;
        }
        
        //check upper left
        for(k = 1; i-k >= 0 && j-k>=0; k++){
            if(item[i-k][j-k]=='Q') return false;
        }
        
        //check lower right
        for(k = 1; i+k <n && j+k<n; k++){
            if(item[i+k][j+k]=='Q') return false;
        }
        
        //check upper right
        for(k = 1; i-k >= 0 && j+k<n; k++){
            if(item[i-k][j+k]=='Q') return false;
        }
        
        //check lower left
        for(k = 1; i+k <n && j-k>=0; k++){
            if(item[i+k][j-k]=='Q') return false;
        }
        
        return true;
    }
private: 
    vector<vector<string>> result;
};

 思路II：对思路I，简化check

首先，对于每一行，不用check，因为在一个for循环中已经用回溯规避了重复。

对于列，我们用一个一维数组标记Q的位置，下标为行号，值为出现Q的列号。

对于对角线的check，check每一列Q所在的(row2,column2) 与当前点(row1, column1)是否满足|row1-row2| = |column1 - column2|，满足表示在一个对角线上。

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        if(n==0) return result;
        
        vector<int> flag(n,-1); //每行的Q出现在哪列
        backTracking(n, flag, 0);
        return result;
    }
    
    void backTracking(int n, vector<int>& flag, int depth){ //depth is the line number
        if(depth==n){
            vector<string>item(n, string(n,'.')); //initialize as all '.'
            for(int i = 0; i < n; i++)
                item[i][flag[i]] = 'Q';
            result.push_back(item);
            return;
        }
        
        for(int i = 0; i < n; i++){ //traverse column
            if(check(n,flag, depth, i)) {
                flag[depth] = i;
                backTracking(n,flag,depth+1);
                flag[depth] = -1; // back track
            }
        }
    }
    
    bool check(int n, vector<int>& flag, int i, int j){
        for(int k = 0; k < i; k++){
            if(flag[k] < 0) continue;//no Q in this column
            if(flag[k]==j) return false;//check columns
            if(abs(i-k)==abs(j-flag[k])) return false; //check cross lines
        }
        return true;
    }
private: 
    vector<vector<string>> result;
};

 思路III: 递归调用会有很多函数堆栈处理，参数拷贝，耗时耗内存，所以改用循环。思路还是back track，在没有答案的时候要回溯到上一行的Q位置之后的那个位置。

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        if(n==0) return result;
        
        vector<int> flag(n,-1); 
        int i = 0, j = 0;
        while(!(i==0 && j==n)){
            if(j==n){ //no valid Q in this line, back track
                i--;
                j = flag[i]+1;
                flag[i] = -1;
                continue;
            }
            if(i==n){ //find one solution
                vector<string>item(n, string(n,'.')); //initialize as all '.'
                for(int k = 0; k < n; k++)
                    item[k][flag[k]] = 'Q';
                result.push_back(item);
                
                //back track
                i--;
                j = flag[i]+1;
                flag[i] = -1;
                continue;
            }
                
            if(check(n,flag, i, j)) {
                flag[i] = j;
                i++;
                j = 0;
            }
            else{
                j++;
            }
        }
        
        return result;
    }
    
    bool check(int n, vector<int>& flag, int i, int j){
        for(int k = 0; k < i; k++){
            if(flag[k] < 0) continue;//no Q in this column
            if(flag[k]==j) return false;//check columns
            if(abs(i-k)==abs(j-flag[k])) return false; //check cross lines
        }
        return true;
    }
private: 
    vector<vector<string>> result;
};

 思路IV：通过为操作继续简化状态变量，将一维数组简化为整型。通过状态row、ld、rd分别表示在列和两个对角线方向的限制条件下，当前行的哪些地方不能放置皇后。

举例说明：前三行放置了皇后

 

他们对第3行（行从0开始）的影响如下：

（1）列限制条件下，第3行的0、2、4列（紫色线和第3行的交点）不能放皇后，因此row = 101010

（2）左对角线限制条件下，第3行的0、3列（蓝色线和第3行的交点）不能放皇后，因此ld = 100100

（3）右对角线限制条件下，第3行的3、4、5列（绿色线和第3行的交点）不能放皇后，因此rd = 000111

~(row | ld | rd) = 010000，即第三行只有第1列能放置皇后。

在3行1列这个位置放上皇后，row，ld，rd对下一行的影响为：

row的第一位置1，变为111010

ld的第一位置1，并且向左移1位（因为左对角线对下一行的影响是当前位置向左一个），变为101000

rd的第一位置1，并且向右移1位（因为右对角线对下一行的影响是当前位置向右一个），变为001011

第4行状态如下图

 

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        if(n==0) return result;
        
        mask = (1<<n) - 1; //Bit operation: 低n位置1
        vector<string> cur(n, string(n,'.'));
        backTracking(0, 0, 0, cur, 0);
        return result;
    }
    
    void backTracking(const int row, const int ld, const int rd, vector<string>& cur, int depth){ //depth is the line number
        if(row==mask){ //find one solution
            result.push_back(cur);
            return;
        }
        
        int pos, p;
        pos = mask & (~(row|ld|rd)); //pos置1的位置表示可以放置Q
        while(pos){
            p = pos & (~pos + 1);//Bit Operation: 获取pos最右边的1
            pos = pos - p; //把pos最右边的1清0
            setQueen(cur, depth, p, 'Q');
            backTracking(row|p, (ld|p)<<1, (rd|p)>>1, cur, depth+1); //iterate next line
            setQueen(cur, depth, p, '.'); //back track
        }
    }
    
    void setQueen(vector<string>& cur, int depth, int p, char val){
        int col = 0;
        while(!(p&1)){
            p >>= 1;
            col++;
        }
        cur[depth][col]=val;
    }
private: 
    vector<vector<string>> result;
    int mask;
};