《程序员的数学》:汉诺塔问题(Hanoi问题)的递归算法与非递归算法总结

如果对汉诺塔算法的理解有困难,建议查看
《程序员的数学》:第6章 递归——自己定义自己
这一章作者详细用图形介绍了汉诺塔递归算法,便于理解,茅塞顿开!
现对该算法从递归和非递归两个方面做如下总结:
1.递归算法分析
如下, 设A上有n个盘子。

如果n=1,则将圆盘从A直接移动到C。

如果n=2,则:

(1)将A上的n-1(等于1)个圆盘移到B上;

(2)再将A上的一个圆盘移到C上;

(3)最后将B上的n-1(等于1)个圆盘移到C上。

如果n=3,则:

A)将A上的n-1(等于2,令其为n`)个圆盘移到B(借助于C),步骤如下:

(1)将A上的n`-1(等于1)个圆盘移到C上。

(2)将A上的一个圆盘移到B。

(3)将C上的n`-1(等于1)个圆盘移到B。

B)将A上的一个圆盘移到C。

C)将B上的n-1(等于2,令其为n`)个圆盘移到C(借助A),步骤如下:

(1)将B上的n`-1(等于1)个圆盘移到A。

(2)将B上的一个盘子移到C。

(3)将A上的n`-1(等于1)个圆盘移到C。到此,完成了三个圆盘的移动过程。

从上面分析可以看出,当n大于等于2时, 移动的过程可分解为三个步骤:

第一步 把A上的n-1个圆盘移到B上;

第二步 把A上的一个圆盘移到C上;

第三步 把B上的n-1个圆盘移到C上;

其中第一步和第三步是类同的。 当n=3时,第一步和第三步又分解为类同的三步,即把n`-1个圆盘从一个针移到另一个针上,这里的n`=n-1。

Hanoi塔问题中函数调用时系统所做工作

一个函数在运行期调用另一个函数时,在运行被调用函数之前,系统先完成3件事:

①将所有的实参、返回地址等信息传递给被调用函数保存。

②为被调用函数的局部变量分配存储区;

③将控制转移到被调用函数的入口。

从被调用函数返回调用函数前,系统也应完成3件事:

①保存被调用函数的结果;

②释放被调用函数的数据区;

③依照被调用函数保存的返回地址将控制转移到调用函数。

当有多个函数构成嵌套调用时,按照“后调用先返回”的原则(LIFO),上述函数之间的信息传递和控制转移必须通过“栈”来实现,即系统将整个程序运行时所需的数据空间安排在一个栈中,每当调用一个函数时,就为其在栈顶分配一个存储区,每当从一个函数退出时,就释放其存储区,因此当前运行函数的数据区必在栈顶。堆栈特点:LIFO,除非转移或中断,堆栈内容的存或取表现出线性表列的性质。正是如此,程序不要求跟踪当前进入堆栈的真实单元,而只要用一个具有自动递增或自动递减功能的堆栈计数器,便可正确指出最后一次信息在堆栈中存放的地址。

一个递归函数的运行过程类型于多个函数的嵌套调用,只是调用函数和被调用函数是同一个函数。因此,和每次调用相关的一个重要的概念是递归函数运行的“层次”。假设调用该递归函数的主函数为第0层,则从主函数调用递归函数为进入第1层;从第i层递归调用本函数为进入下一层,即i+1层。反之,退出第i层递归应返回至上一层,即i-1层。为了保证递归函数正确执行,系统需设立一个“递归工作栈”,作为整个递归函数运行期间使用的数据存储区。每一层递归所需信息构成一个“工作记录”,其中包括所有实参、所有局部变量以及上一层的返回地址。每进入一层递归,就产生一个新的工作记录压入栈顶。每退出一层递归,就从栈顶弹出一个工作记录,则当前执行层的工作记录必是递归工作栈栈顶的工作记录,称这个记录为“活动记录”,并称指示活动记录的栈顶指针为“当前环境指针”。递归源码如下:

#include<stdio.h> 

/*主程序*/

int hanoi(int,char,char,char);

int main()

{

char a=’A’,b=’B’,c=’C’;

int dishes;

while(1)

{

printf(“输入盘子个数: “);

scanf(“%d”,&dishes);

hanoi(dishes,a,b,c);

}

return 0;

}

int hanoi(int dishs,char ap,char bp,char cp)

{

if ( dishs == 1 )

printf(“盘子从%c 移动到 %c \n”,ap,cp);

else

{

hanoi(dishs – 1,ap,cp,bp );

printf(“盘子从%c 移动到 %c\n”,ap,cp);

hanoi(dishs – 1,bp,ap,cp);

}

return 0;



2.非递归算法概述

/*《数学营养菜》(谈祥柏 著)提供的一种方法,编了一个程序来实现。

*/

/*

算法介绍:

首先容易证明,当盘子的个数为n时,移动的次数应等于2^n – 1。

一位美国学者发现一种出人意料的方法,只要轮流进行两步操作就可以了。

首先把三根柱子按顺序排成品字型,把所有的圆盘按从大到小的顺序放在柱子A上。

根据圆盘的数量确定柱子的排放顺序:若n为偶数,按顺时针方向依次摆放 A B C;

若n为奇数,按顺时针方向依次摆放 A C B。

(1)按顺时针方向把圆盘1从现在的柱子移动到下一根柱子,即当n为偶数时,若圆盘1在柱子A,则把它移动到B;

若圆盘1在柱子B,则把它移动到C;若圆盘1在柱子C,则把它移动到A。

(2)接着,把另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上。

即把非空柱子上的圆盘移动到空柱子上,当两根柱子都非空时,移动较小的圆盘

这一步没有明确规定移动哪个圆盘,你可能以为会有多种可能性,其实不然,可实施的行动是唯一的。

(3)反复进行(1)(2)操作,最后就能按规定完成汉诺塔的移动。

*/

#include <iostream>
using namespace std; 
const int MAX = 64; //圆盘的个数最多为64
struct st{ //用来表示每根柱子的信息
int s[MAX]; //柱子上的圆盘存储情况
int top; //栈顶,用来最上面的圆盘
char name; //柱子的名字,可以是A,B,C中的一个

int Top()//取栈顶元素
{
return s[top];
}
int Pop()//出栈
{
return s[top--];
}
void Push(int x)//入栈
{
s[++top] = x;
}
} ;

long Pow(int x, int y); //计算x^y
void Creat(st ta[], int n); //给结构数组设置初值
void Hannuota(st ta[], long max); //移动汉诺塔的主要函数
int main(void)
{
int n;
cin >> n; //输入圆盘的个数
st ta[3]; //三根柱子的信息用结构数组存储
Creat(ta, n); //给结构数组设置初值
long max = Pow(2, n) - 1;//动的次数应等于2^n - 1
Hannuota(ta, max);//移动汉诺塔的主要函数
system("pause");
return 0;
}

void Creat(st ta[], int n)
{
ta[0].name = 'A';
ta[0].top = n-1;
for (int i=0; i<n; i++) //把所有的圆盘按从大到小的顺序放在柱子A上
ta[0].s[i] = n - i;
ta[1].top = ta[2].top = 0;//柱子B,C上开始没有没有圆盘
for (int i=0; i<n; i++)
ta[1].s[i] = ta[2].s[i] = 0;
if (n%2 == 0) //若n为偶数,按顺时针方向依次摆放 A B C
{
ta[1].name = 'B';
ta[2].name = 'C';
}
else //若n为奇数,按顺时针方向依次摆放 A C B
{
ta[1].name = 'C';
ta[2].name = 'B';
}
}

long Pow(int x, int y)
{
long sum = 1;
for (int i=0; i<y; i++)
sum *= x;
return sum;
}

void Hannuota(st ta[], long max)
{
int k = 0; //累计移动的次数
int i = 0;
int ch;
while (k < max)
{
//按顺时针方向把圆盘1从现在的柱子移动到下一根柱子
ch = ta[i%3].Pop();
ta[(i+1)%3].Push(ch);
cout << ++k << ": " << "Move disk " << ch << " from " << ta[i%3].name << " to " << ta[(i+1)%3].name << endl;
i++;
//把另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上

if (k < max)
{ //把非空柱子上的圆盘移动到空柱子上,当两根柱子都为空时,移动较小的圆盘
if (ta[(i+1)%3].Top() == 0 || ta[(i-1)%3].Top() > 0 && ta[(i+1)%3].Top() > ta[(i-1)%3].Top())
{
ch = ta[(i-1)%3].Pop();
ta[(i+1)%3].Push(ch);
cout << ++k << ": " << "Move disk " << ch << " from " << ta[(i-1)%3].name << " to " << ta[(i+1)%3].name << endl;
}
else
{
ch = ta[(i+1)%3].Pop();
ta[(i-1)%3].Push(ch);
cout << ++k << ": " << "Move disk " << ch << " from " << ta[(i+1)%3].name << " to " << ta[(i-1)%3].name << endl;
}
}
}
}

    原文作者:递归算法
    原文地址: https://blog.csdn.net/ljp812184246/article/details/16963023
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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