【筆記】A*尋路算法

A*尋路算法的主要思路

該算法主要是給了尋路時(shí)提供了一個(gè)方向(永遠(yuǎn)去看代價(jià)F最小的點(diǎn))

偽代碼

  1. 不斷從可行走隊(duì)列內(nèi)取出預(yù)估代價(jià)F最小的點(diǎn)言秸,判斷是否結(jié)束點(diǎn)
  2. 計(jì)算其附近可行走的點(diǎn)的預(yù)估代價(jià)F命雀,然后放進(jìn)行走隊(duì)列內(nèi)

* 附近可行走的點(diǎn)不能是墻铛绰、不能是已走過(guò)的
* 可行走隊(duì)列內(nèi)有點(diǎn)A與新探索的點(diǎn)B位置相同算行,則比較代價(jià)F誰(shuí)更小呈驶,若點(diǎn)A更小則忽略點(diǎn)B努释,若點(diǎn)B更小碘梢,則將點(diǎn)B替換成點(diǎn)A
* 預(yù)估代價(jià)F=起始點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的代價(jià)G+當(dāng)前點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的預(yù)估待機(jī)H
* H有很多算法,根據(jù)場(chǎng)景不一樣可采用相對(duì)的伐蒂,這里采用的是忽略墻壁存在的直接距離

package org.lqh.game.framework.test.afind;

import lombok.Getter;

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

/**
 * TODO
 *
 * @author LeeQH
 * @createTime 2021-3-6 10:42:39
 */
public class AFindPath {
    //開(kāi)放隊(duì)列
    private PriorityQueue<TryNode> openQueue = new PriorityQueue<>();
    //開(kāi)放集合
    private Map<NodePos, TryNode> openMap = new HashMap<>();
    //關(guān)閉集合
    private Set<NodePos> closeSet = new HashSet<>();
    //開(kāi)始坐標(biāo)
    @Getter
    private NodePos start;
    //結(jié)束坐標(biāo)
    @Getter
    private NodePos end;
    //地圖
    private MapNode[][] mapNodes;

    public AFindPath(MapNode[][] mapNodes, NodePos start, NodePos end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
        this.mapNodes = mapNodes;
    }

    private void openQueueAdd(TryNode tryNode) {
        openQueue.add(tryNode);
        openMap.put(tryNode.getPos(), tryNode);
    }

    private TryNode openQueuePoll() {
        TryNode poll = openQueue.poll();
        if (poll != null) {
            openMap.remove(poll);
        }
        return poll;
    }


    public TryNode go() {
        if (start.getX() < 0 || start.getY() < 0 || start.getX() >= mapNodes.length || start.getY() >= mapNodes[0].length || mapNodes[start.getX()][start.getY()].isWall()) {
            System.out.println("start error");
            return null;
        }
        if (end.getX() < 0 || end.getY() < 0 || end.getX() >= mapNodes.length || end.getY() >= mapNodes[0].length || mapNodes[end.getX()][end.getY()].isWall()) {
            System.out.println("end error");
            return null;
        }

        TryNode startNode = new TryNode(new NodePos(start.getX(), start.getY()));
        TryNode endNode = new TryNode(new NodePos(end.getX(), end.getY()));
        openQueueAdd(startNode);

        //F最小的點(diǎn)
        TryNode min = null;
        while ((min = openQueuePoll()) != null) {
            NodePos pos = min.getPos();
            if (pos.equals(end)) {
                return min;
            }
            //附近的行走點(diǎn)
            List<MapNode> tlNearNode = mapNodes[pos.getX()][pos.getY()].getTlNearNode();
            for (MapNode mapNode : tlNearNode) {
                NodePos nearNodePos = new NodePos(mapNode.getPos().getX(), mapNode.getPos().getY());
                //已經(jīng)走過(guò)的點(diǎn)忽略
                if (closeSet.contains(nearNodePos)) {
                    continue;
                }
                TryNode nearTryNode = new TryNode(nearNodePos);
                nearTryNode.setG(min.getG() + 1);
                nearTryNode.setH(distance(nearTryNode, endNode));
                nearTryNode.setF(nearTryNode.getG() + nearTryNode.getH());
                nearTryNode.setParentNode(min);

                TryNode openTryNode = openMap.get(nearNodePos);
                //已經(jīng)探索過(guò)的點(diǎn)比當(dāng)前探索的點(diǎn)的F大痘系,替換
                if (openTryNode != null) {
                    if (nearTryNode.getF() < openTryNode.getF()) {
                        openTryNode.setF(nearTryNode.getF());
                        openTryNode.setG(nearTryNode.getG());
                        openTryNode.setH(nearTryNode.getH());
                        openTryNode.setParentNode(min);
                    }
                } else {
                    openQueueAdd(nearTryNode);
                }
            }
            closeSet.add(min.getPos());
        }
        System.out.println("no way");
        return null;
    }

    //兩點(diǎn)距離
    private float distance(TryNode try1, TryNode try2) {
        return Math.abs(try1.getPos().getX() - try2.getPos().getX()) + Math.abs(try1.getPos().getY() - try2.getPos().getY());
    }

    ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//    static int[][] map = {
////          {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
//            {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},//0
//            {1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1},//1
//            {1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1},//2
//            {1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1},//3
//            {1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},//4
//            {1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1},//5
//            {1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1},//6
//            {1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1},//7
//            {1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1},//8
//            {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},//9
//            {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},//10
//            {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},//11
//    };


    //初始化地圖
    static MapNode[][] initMap(int[][] map) {
        int row = map.length;
        int col = map[0].length;
        MapNode[][] nodes = new MapNode[row][col];

        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                MapNode node = new MapNode(new NodePos(i, j), map[i][j]);
                nodes[i][j] = node;
            }
        }

        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                MapNode node = nodes[i][j];
                if (node.isWall()) {//墻
                    continue;
                }
                //初始化臨近點(diǎn)
                List<MapNode> tlNearNode = new ArrayList<>();
                //上
                if (j - 1 >= 0 && !nodes[i][j - 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i][j - 1]);
                }
                //下
                if (j + 1 < col && !nodes[i][j + 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i][j + 1]);
                }
                //左
                if (i - 1 >= 0 && !nodes[i - 1][j].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i - 1][j]);
                }
                //右
                if (i + 1 < row && !nodes[i + 1][j].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i + 1][j]);
                }
                //左上
                if (i - 1 >= 0 && j - 1 >= 0 && !nodes[i - 1][j - 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i - 1][j - 1]);
                }
                //左下
                if (i - 1 >= 0 && j + 1 < col && !nodes[i - 1][j + 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i - 1][j + 1]);
                }
                //右上
                if (i + 1 < row && j - 1 >= 0 && !nodes[i + 1][j - 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i + 1][j - 1]);
                }
                //右下
                if (i + 1 < row && j + 1 < col && !nodes[i + 1][j + 1].isWall()) {
                    tlNearNode.add(nodes[i + 1][j + 1]);
                }
                if (!tlNearNode.isEmpty()) {
                    node.setTlNearNode(tlNearNode);
                }
            }
        }
        return nodes;
    }

    //打印行走區(qū)域
    static void printWay(int[][] map, AFindPath findPath) {
        System.out.println("\nstart:" + findPath.start + ",end:" + findPath.end);
        TryNode node = findPath.go();
        if (node == null) {
            return;
        }
        int[][] clone = map.clone();

        while (node != null) {
            clone[node.getPos().getX()][node.getPos().getY()] = -1;
            node = node.getParentNode();
        }
        printMap(clone);
    }

    //打印地圖
    static void printMap(int[][] map) {
        for (int i = 0; i < map.length; i++) {
            for (int j = 0; j < map[i].length; j++) {
                if (map[i][j] == 1) {
                    System.out.print("■");
                } else if (map[i][j] == 0) {
                    System.out.print("□");
                } else {
                    System.out.print("★");
                }
            }
            System.out.println();
        }
    }

    //獲取隨機(jī)地圖
    static int[][] getRandomMap() {
        int row = 30;
        int col = 30;
        int[][] map = new int[row][col];
        for (int i = 0, size = row * col / 4; i < size; i++) {
            int x = ThreadLocalRandom.current().nextInt(row);
            int y = ThreadLocalRandom.current().nextInt(col);
            map[x][y] = 1;
        }
        return map;
    }

    //地圖上隨機(jī)稱稱點(diǎn)
    static NodePos randomPos(int[][] map) {
        int x = ThreadLocalRandom.current().nextInt(map.length);
        int y = ThreadLocalRandom.current().nextInt(map[0].length);
        return new NodePos(x, y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][] map = getRandomMap();
//        printMap(map);
        MapNode[][] mapNodes = initMap(map);

        AFindPath findPath = new AFindPath(mapNodes, randomPos(map), randomPos(map));
        printWay(map, findPath);

    }
}
package org.lqh.game.framework.test.afind;

import lombok.Getter;
import lombok.Setter;

import java.util.List;
import java.util.Objects;

/**
 * TODO
 *
 * @author LeeQH
 * @createTime 2021-3-6 10:43:08
 */
@Setter
@Getter
public class MapNode {
    private NodePos pos;//位置
    private boolean wall;//強(qiáng)
    private List<MapNode> tlNearNode;//附近的點(diǎn)

    public MapNode(NodePos nodePos, int wall) {
        this.pos = nodePos;
        this.wall = wall == 1;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        MapNode node = (MapNode) o;
        return Objects.equals(pos, node.pos);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(pos);
    }
}
package org.lqh.game.framework.test.afind;

import lombok.Getter;
import lombok.Setter;

import java.util.Objects;

/**
 * TODO
 *
 * @author LeeQH
 * @createTime 2021-3-6 16:35:26
 */
@Getter
@Setter
public class NodePos {
    private int x;
    private int y;

    public NodePos(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o)
            return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        NodePos nodePos = (NodePos) o;
        return x == nodePos.x && y == nodePos.y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(x, y);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "[" + x + "," + y + "]";
    }
}
package org.lqh.game.framework.test.afind;

import lombok.Getter;
import lombok.Setter;

import java.util.Objects;

/**
 * TODO
 *
 * @author LeeQH
 * @createTime 2021-3-6 10:43:08
 */
@Setter
@Getter
public class TryNode implements Comparable<TryNode> {
    private NodePos pos;//位置
    private TryNode parentNode;//父節(jié)點(diǎn)
    private float G;//父節(jié)點(diǎn)的G值 + 父節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的移動(dòng)代價(jià)
    private float H;//當(dāng)前點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的預(yù)估代價(jià)
    private float F;//起始點(diǎn)到終點(diǎn)的代價(jià)

    public TryNode(NodePos nodePos) {
        this.pos = nodePos;
    }

    @Override
    public int compareTo(TryNode o) {
        if (F > o.getF()) {
            return 1;
        } else if (F < o.getF()) {
            return -1;
        } else {
            return 0;
        }
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        TryNode tryNode = (TryNode) o;
        return Objects.equals(pos, tryNode.pos);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(pos);
    }
}
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