河內塔一直是個經典範例,在資料結構與演算法的相關課程中幾乎是固定班底。本文從「程式碼」開始說起,有些人知道這種問題可以使用遞迴(Recursive)來解,隨手Google一下也都有多種程式語言所實踐的例子,今天直接由程式碼起步,說明原理,希望透過這種方式可幫助大家更易理解。
閱讀前最好要具備的知識:
- 河內塔是什麼,本文不再重述,請Google一下。
- 參數傳遞與存取,你必須能夠辨別目前存取的變數是在哪裡傳進去的。
- 遞回與推疊之間的關係。
河內塔關鍵演算
這邊以Java語言為例,變數宣告建議用小寫,只是本文會反覆提到ABC三個字母,為了閱讀方便以大寫標示。
public void move(int n, char A, char B, char C) {
if (n > 0){
move(n-1, A, C, B);
System.out.println("將第" + n + "個盤子由" + A + " 移至 " + C );
move(n-1, B, A, C);
}
}
有什麼方法可以快速容易理解這段程式呢?其實不用想太多,觀察一下可以發現傳入的參數A B C進行了一些奇怪的置換,遞迴呼叫時一下是A C B,一下又是B A C。
其實這種交換只是為了迎合描述當初歸納的規則(後面再提),有看到System.out.println( )嗎?它抓取變數A與C,並套入其他字詞顯示盤子如何移動。因此,在A B C三者中,請先關注A與C位置 (即第一、第三個位置,中間先不理他),目的是要讓輸出的語句能夠符合規則。
不同個數的河內塔
程式碼看完了,接著要理解規則,先考慮三種情況:
1. 只有一個盤子:直接由A柱 → C柱。
2. 兩個盤子:A柱 → B柱,A柱 → C柱,B柱 → C柱。
3. 三個盤子:太長了,直接看圖。
若暫時不看最大的盤子(藍色),是否就相似「兩個盤子」的情況呢?我們針對「兩個盤子」的情況,用最白話的方式來描述盤子是如何移動的:
- 把A柱上的小盤子,移到B柱。 (A→B)
- 把A柱上的中盤子,移到C柱。 (A→C)
- 把B柱上的小盤子,移到C柱。 (B→C)
到這邊,再回頭看看程式碼,是否可以發現:
move(n-1, A, C, B);
System.out.println("將第" + n + "個盤子由" + A + " 移至 " + C );
move(n-1, B, A, C);
- 第一行:move呼叫傳入的參數是「A」、「C」、「B」。
- 第二行:直接print出第一個變數 → 第三個變數的語句。
- 第三行:move呼叫傳入的參數是「B」、「A」、「C」。
這時冷靜一下,想想第一次呼叫 (也就是在外面,例如在main裡面呼叫) move時,傳入的是按照順序的A B C。所以,第二行的print會抓到誰呢?第一個變數是A,第三個變數是C,於是印出「A → C」,但是這行不會馬上印出來,因為在print前還有一個move呼叫!現在回來看看第一行,第一個傳入A,第三個傳入B,可預期的它會印出「A → B」。同理,第三行,第一個傳入B,第三個傳入C,預期會印出「B → C」。看到這邊,你可以發現,這剛好滿足了前面分析的規則順序,即A→B,A→C,B→C。
再來談談「遞迴」,你可以發現move裡面有move,這種自己呼叫自己的行為就是遞迴了,但是一路呼叫沒完沒了,所以要加個條件讓它能有「停下來的機會」,於是有個 n > 0的判斷式,隨著每次呼叫move時傳入的 n – 1,可預期未來會碰上n = 0的情況,從而使遞迴呼叫結束。
最後我們要把這一切串起來!把頭腦當成電腦,開始執行程式吧,還是以「兩個盤子」為例:
- move被呼叫了,第一次傳進去的參數是A B C。
- 第一行又呼叫了一次move,傳入了A C B (就是把step 1傳入的順序交換一下再傳給下個move)、同時也把 n - 1後傳入。
- 注意,現在人在第2個move裡了,嗯?你說第1個move跑去哪了嗎?請暫且忽略它,記得你目前在遞迴,先不要去管第1個move,你只需要一直執行下去。檢查n是否 > 0,若是,再呼叫一次move (第3次),又傳入n – 1與交換過的順序的3個參數。
- 現在人在第3個move裡了……
以下請靠想像,再寫下去你看得更亂。你需要知道的重點是,在move裡面,只有System.out.println( )會輸出結果,因此無論傳入的參數怎麼換,它就只會印出第1個 → 第3個這種描述。
那前面被我們無視的「第1次move」呢?現在假設遞回呼叫結束了 (遇上 n = 0),將開始彈出(pop)堆疊,觸發各次呼叫move裡面的print,print完再呼叫第3行的move,又是一連串的遞迴。
而為何使用 n = 0作為遞回結束的條件呢?n在這邊表示盤子的總數,前面一直舉的例子「兩個盤子」即是n = 2。細心的你可能已經發現,第一次呼叫傳入的n是2,但河內塔不是要先移動最上面的盤子嗎?注意在此是以遞回的方式來求解,想想前面「無視第1次move」時,是不是馬上進入第2次的move呼叫了,第1次move還無法進行print,最後在彈出堆疊時,print的執行順序是反過來的,即n = 1印完,再印n = 2 (n=0被排除了,不會印出東西)。
你也可以用比較直觀的方式思考,假設有3個盤子,要移動大盤子(3),是不是要先移動中盤子(2),要移動中盤子(2),是不是要先移動小盤子(1),這就是 n – 1的概念。而一路減到最後,移動是最小、最上面的盤子,因為它沒有阻礙了,於是直接A → C,而因為小盤(1)移走了,所以中盤(2)也沒有阻礙了,於是直接A→B,這不就接回我們前面談的步驟了嗎?
其實在仔細想想,你還會發覺在n =2的情況下,第一步是 A → B。在n = 3的情況下,第一步卻是A → C,但演算法都沒有變,一樣都是第一步,為何會有兩種走法?這就是這個演算法的神奇之處,欲知詳細請見後記。
後記
- 以個人的經驗而言,最通盤的理解方法就是透過紙筆來模擬,把整個堆疊的push與pop動作跑一次,並注意每次呼叫move的傳入參數,了解他們是如何互換順序的。
- 如果你多試著解4、5、6…n個盤子的問題,可以發現單數盤子第一步是A→C,雙數盤子第一步是A→B,在遞迴呼叫配合ABC交換的情況下,也恰好滿足這種規律。
- 還是有障礙嗎?那麼該搬出這句名言了:「遞迴只應天上有,凡人應當用迴圈」。