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C语言的A*算法原理及源码

来源:网络 作者:佚名 点击: 时间:2017-07-19 23:09
[摘要]  A*算法;A*(A-Star)算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法。估价值与实际值越接近,估价函数取得就越好。

关于A*算法网上介绍的有很多,我只是看了之后对这个算法用c写了一下,并测试无误后上传以分享一下,欢迎指正!下面是我找的一个介绍,并主要根据这个实现的。

寻路算法不止 A* 这一种, 还有递归, 非递归, 广度优先, 深度优先, 使用堆栈等等, 有兴趣的可以研究研究~~

简易地图


如图所示简易地图, 其中绿色方块的是起点 (用 A 表示), 中间蓝色的是障碍物, 红色的方块 (用 B 表示) 是目的地. 为了可以用一个二维数组来表示地图, 我们将地图划分成一个个的小方块.

二维数组在游戏中的应用是很多的, 比如贪吃蛇和俄罗斯方块基本原理就是移动方块而已. 而大型游戏的地图, 则是将各种"地貌"铺在这样的小方块上.

寻路步骤

1. 从起点A开始, 把它作为待处理的方格存入一个"开启列表", 开启列表就是一个等待检查方格的列表.

2. 寻找起点A周围可以到达的方格, 将它们放入"开启列表", 并设置它们的"父方格"为A.

3. 从"开启列表"中删除起点 A, 并将起点 A 加入"关闭列表", "关闭列表"中存放的都是不需要再次检查的方格


图中浅绿色描边的方块表示已经加入 "开启列表" 等待检查. 淡蓝色描边的起点 A 表示已经放入 "关闭列表" , 它不需要再执行检查.

从 "开启列表" 中找出相对最靠谱的方块, 什么是最靠谱? 它们通过公式 F=G+H 来计算.

F = G + H

G 表示从起点 A 移动到网格上指定方格的移动耗费 (可沿斜方向移动).

H 表示从指定的方格移动到终点 B 的预计耗费 (H 有很多计算方法, 这里我们设定只可以上下左右移动).


我们假设横向移动一个格子的耗费为10, 为了便于计算, 沿斜方向移动一个格子耗费是14. 为了更直观的展示如何运算 FGH, 图中方块的左上角数字表示 F, 左下角表示 G, 右下角表示 H. 看看是否跟你心里想的结果一样?

从 "开启列表" 中选择 F 值最低的方格 C (绿色起始方块 A 右边的方块), 然后对它进行如下处理:

4. 把它从 "开启列表" 中删除, 并放到 "关闭列表" 中.

5. 检查它所有相邻并且可以到达 (障碍物和 "关闭列表" 的方格都不考虑) 的方格. 如果这些方格还不在 "开启列表" 里的话, 将它们加入 "开启列表", 计算这些方格的 G, H 和 F 值各是多少, 并设置它们的 "父方格" 为 C.

6. 如果某个相邻方格 D 已经在 "开启列表" 里了, 检查如果用新的路径 (就是经过C 的路径) 到达它的话, G值是否会更低一些, 如果新的G值更低, 那就把它的 "父方格" 改为目前选中的方格 C, 然后重新计算它的 F 值和 G 值 (H 值不需要重新计算, 因为对于每个方块, H 值是不变的). 如果新的 G 值比较高, 就说明经过 C 再到达 D 不是一个明智的选择, 因为它需要更远的路, 这时我们什么也不做.


如图, 我们选中了 C 因为它的 F 值最小, 我们把它从 "开启列表" 中删除, 并把它加入 "关闭列表". 它右边上下三个都是墙, 所以不考虑它们. 它左边是起始方块, 已经加入到 "关闭列表" 了, 也不考虑. 所以它周围的候选方块就只剩下 4 个. 让我们来看看 C 下面的那个格子, 它目前的 G 是14, 如果通过 C 到达它的话, G将会是 10 + 10, 这比 14 要大, 因此我们什么也不做.

然后我们继续从 "开启列表" 中找出 F 值最小的, 但我们发现 C 上面的和下面的同时为 54, 这时怎么办呢? 这时随便取哪一个都行, 比如我们选择了 C 下面的那个方块 D.


D 右边已经右上方的都是墙, 所以不考虑, 但为什么右下角的没有被加进 "开启列表" 呢? 因为如果 C 下面的那块也不可以走, 想要到达 C 右下角的方块就需要从 "方块的角" 走了, 在程序中设置是否允许这样走. (图中的示例不允许这样走)


就这样, 我们从 "开启列表" 找出 F 值最小的, 将它从 "开启列表" 中移掉, 添加到 "关闭列表". 再继续找出它周围可以到达的方块, 如此循环下去...

那么什么时候停止呢? —— 当我们发现 "开始列表" 里出现了目标终点方块的时候, 说明路径已经被找到.

如何找回路径


如上图所示, 除了起始方块, 每一个曾经或者现在还在 "开启列表" 里的方块, 它都有一个 "父方块", 通过 "父方块" 可以索引到最初的 "起始方块", 这就是路径.

以上转自http://www.cnblogs.com/technology/archive/2011/05/26/2058842.html

下面是我的代码(c):

一共三个文件:Apath.h 、Apath.c 、main.c 代码中有详细注释(我比较懒吧,就不多说了)。


Apath.h

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <stdbool.h>
#ifndef APATH_H
#define APATH_H
#endif
#define TURE 1
#define FAULT 0
//约定:0是可走的,1表示障碍物不可走,2表示起点,3表示终点,4表示路径
#define int_0 0
#define int_1 1
#define int_2 2
#define int_3 3
#define int_4 4
#define MAP_MAX_X 10   //地图边界,二维数组大小
#define MAP_MAX_Y 10
typedef struct LNode {
    int data;    //对应数组中的数值
    int F;   //F = G + H;
    int G;   //G:从起点 A 移动到指定方格的移动代价,沿着到达该方格而生成的路径
    int H;   //H:从指定的方格移动到终点 B 的估算成本
    int x, y;   //对应数组中的坐标
    bool OPen_flag;  //在开放列表中为1,不在为0
    bool Close_flag;  //在关闭列表中为1,不在为0
    struct LNode* next;                    //用于链表排序
    struct LNode* path_next;            //用于最终找到的路径
}LNode, *LinkList;
LinkList InitList();  //返回一个初始化的链表
LNode** malloc_array2D(int row, int col);
void free_array2D(LNode **arr);
LNode** Translate_array(int array[10][10], int row, int col);    //将一个普通数组翻译为单链表节点的数组
void output(LNode **array, int row, int col);
LNode* find_start_LNode(LNode** Arr, int row, int col);    //从数组中找到始点
LNode* find_end_LNode(LNode** Arr, int row, int col);        //从数组中找到终点
//忘记这些要干嘛了,重写吧
bool isExist_ALNode_in_List(LNode* curLNode, LinkList L_OpenList);    //查看节点是否在链表中,在返回ture,不在返回fault
//对关闭列表中的当前节点进行检查,看它周围的节点是否在OpenList链表里,不在:添加进去;在:检查经过它到达起点的G是否最小,是:修改,不是:不修改
//LNode* check_CloseList_curLNode(LNode* curLNode, LNode* endLNode, LinkList L_OpenList, LinkList L_CloseList, LNode** Arr);   
LNode* pop_OpenList_minNode(LinkList L_OpenList);        //返回开放列表中F值最小的节点
void push_OpenList_Node(LinkList L, LNode *elem);   //插入一个节点并排序
bool insert_Into_CloseList(LNode* min_Open, LinkList L_CloseList);//插入OpenList中F值最小的节点到CloseList中去
int count_LNode_G(LNode* curLNode, LNode* aheadLNode);        //计算节点的G值
int count_LNode_H(LNode* curLNode, LNode* endLNode);        //计算节点的H值
int count_LNode_F(LNode* curLNode);        //计算节点的F值
bool isExist_openList(LNode* curLNode);    //查看节点是否在链表中,在返回ture,不在返回fault
bool isExist_closeList(LNode* curLNode);
bool isobstacle(LNode* curLNode);
void check_around_curNode(LNode* cur, LNode* endLNode, LinkList open_list, LNode** Arr);        //检查周围的节点,是否合适加入开放列表


Apath.c

#include "Apath.h"
LinkList InitList()
{
    LinkList L = (LinkList)malloc(sizeof(LNode));
    if (L == NULL)
    {
        printf("Defeat!");
        exit(1);
    }
    memset(L,0,sizeof(LNode));
    return L;
}//LinkList()
LNode** malloc_array2D(int row, int col)
{
    LNode** map = (LNode**)malloc(row*sizeof(LNode*) + row*col*sizeof(LNode));
    LNode* head = (LNode*)(map + row);
    for (int i = 0; i < row; ++i)
        map[i] = head + i*col;
    return map;
}
LNode** Translate_array(int array[][10], int row, int col)
{
    LNode **map = malloc_array2D(10, 10);
    for (int i = 0; i < row; ++i)
        for (int j = 0; j < col; ++j)
        {
            (map[i] + j)->data = array[i][j];
            (map[i] + j)->G = 0;
            (map[i] + j)->H = 0;
            (map[i] + j)->F = 0;    //(map[i] + j)->G + (map[i] + j)->H;
            (map[i] + j)->x = i;
            (map[i] + j)->y = j;
            (map[i] + j)->Close_flag = 0;
            (map[i] + j)->OPen_flag = 0;
            (map[i] + j)->next = NULL;
            (map[i] + j)->path_next = NULL;
        }
    return map;
}//Translate_array()
void free_array2D(LNode **arr)
{
    free(arr);
}
void output(LNode** array, int row, int col)  //二维数组的访问必须指明位数,否则编译器不能解析
{
    //for (int i = 0; i < row; ++i)
    //    for (int j = 0; j < col; ++j)
    //    {
    //        (array[i] + j)->F = j;
    //    }
    for (int i = 0; i < row; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < col; ++j)
        {
            printf("%d\t", (array[i] + j)->data);
        }
        printf("\n");
    }
}
LNode* find_start_LNode(LNode** Arr, int row, int col)    //从数组中找到始点
{
    LNode* start_LNode = NULL;
    for (int i = 0; i < row; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < col; ++j)
        {
            if (2 == (Arr[i] + j)->data)
            {
                start_LNode = (Arr[i] + j);
                //起点H=0,G=0,F=0
                start_LNode->G = 0;
                start_LNode->H = 0;
                start_LNode->F = 0;        //起点,则默认所有值为0
                return start_LNode;        //返回节点
            }
        }
    }
    return NULL;
}
LNode* find_end_LNode(LNode** Arr, int row, int col)        //从数组中找到终点
{
    LNode* end_LNode = NULL;
    for (int i = 0; i < row; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < col; ++j)
        {
            if (3 == (Arr[i] + j)->data)
            {
                end_LNode = (*(Arr + i) + j);
                end_LNode->F = 0;
                end_LNode->G = 0;
                end_LNode->H = 0;
                return end_LNode;        //返回节点
            }
        }
    }
    return NULL;
}
int count_LNode_G(LNode* curLNode, LNode* aheadLNode)        //计算节点的G值
{
    if (curLNode->x == aheadLNode->y && curLNode->y == aheadLNode->y)
        return 0;
    if (aheadLNode->x - curLNode->x != 0 && aheadLNode->y - curLNode->y !=0)
        curLNode->G = aheadLNode->G + 14;
    else
        curLNode->G = aheadLNode->G + 10;
    return curLNode->G;
}
int count_LNode_H(LNode* curLNode, LNode* endLNode)        //计算节点的H值
{
    curLNode->H = abs(endLNode->x - curLNode->x) * 10 + abs(endLNode->y - curLNode->y) * 10;
    return curLNode->H;
}
int count_LNode_F(LNode* curLNode)        //计算节点的F值
{
    curLNode->F = curLNode->G + curLNode->H;
    return curLNode->F;
}
void push_OpenList_Node(LinkList L, LNode *elem)        //按从小到大的顺序
{
    LNode *p, *q;
    p = q = L;
    while (p->next != NULL && p->F < elem->F)
    {
        q = p;
        p = p->next;
    }
    if (p->F < elem->F) q = p;
    elem->next = q->next;
    q->next = elem;
    //插入成功,更改属性值OPen_flag = 1
    elem->OPen_flag = 1;
}
LNode* pop_OpenList_minNode(LinkList L_OpenList )        //返回开放列表中F值最小的节点
{
    LNode *elem = NULL;
    if (L_OpenList->next)        //为了安全,防止访问空指针
    {
        L_OpenList->next->OPen_flag = 0;
        elem = L_OpenList->next;
        L_OpenList->next = L_OpenList->next->next;
        elem->next = NULL;
    }
    else
        printf("have a NULL point in pop_OpenList_mimNode()");
    return elem;
}
bool insert_Into_CloseList(LNode* min_Open, LinkList L_CloseList)//插入OpenList中F值最小的节点到CloseList中去
{
    //对于CloseList中的节点并不需要排序,采用头插法
    min_Open->next = L_CloseList->next;
    L_CloseList->next = min_Open;
    min_Open->Close_flag = 1;
    return TURE;
}
bool isExist_openList(LNode* curLNode)
{
    return curLNode->OPen_flag;
}
bool isExist_closeList(LNode* curLNode)
{
    return curLNode->Close_flag;
}
bool isobstacle(LNode* curLNode)
{
    if (curLNode->data == 1)
        return TURE;
    else
        return FAULT;
}
bool isJoin(LNode* cur)        //该节点是否可以加入开放列表
{
    if (cur->x > -1 && cur->y > -1)            //边界检测
    {
        if (!isExist_closeList(cur) && !isobstacle(cur))        //既不在关闭列表里,也不是障碍物
        {
            return TURE;
        }
        else
            return FAULT;
    }
    return FAULT;
}
void insert_open(LNode *Node, LNode* ahead, LNode* endLNode, LinkList open_list, LNode** Arr)
{
    if (isJoin(Node))
    {
        if (isExist_openList(Node))
        {
            if (Node->x - ahead->x != 0 && Node->y - ahead->y != 0) {
                if (Node->F > (ahead->F + 14))
                {
                    count_LNode_G(Node, ahead);
                    count_LNode_F(Node);        //H值没有改变,所以还是原来的值
                    Node->path_next = ahead;        //也不用再插入
                }
            }
            else {
                if (Node->F > (ahead->F + 10))
                {
                    count_LNode_G(Node, ahead);
                    count_LNode_F(Node);        //H值没有改变,所以还是原来的值
                    Node->path_next = ahead;        //也不用再插入
                }
            }
        }
        else {
            count_LNode_G(Node, ahead);
            count_LNode_H(Node, endLNode);
            count_LNode_F(Node);
            Node->path_next = ahead;
            push_OpenList_Node(open_list, Node);
        }
    }
}
void check_around_curNode(LNode* cur, LNode* endLNode, LinkList open_list, LNode** Arr)
{
    int x = cur->x;
    int y = cur->y;
    insert_open(Arr[x] + y - 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x] + y + 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x + 1] + y, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x + 1] + y - 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x + 1] + y + 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x - 1] + y, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x - 1] + y + 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
    insert_open(Arr[x - 1] + y - 1, cur, endLNode, open_list, Arr);
}

main.c

#include <stdio.h>
//#ifndef APATH_H
#include "Apath.h"
//#endif
//为简单,干脆把把下面数组转为链表结构的数组
//约定:0是可走的,1表示障碍物不可走,2表示起点,3表示终点,4表示路径
int array[10][10] = {
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 1, 3, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 2, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 },
    { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 } };
int main()
{
    int row = MAP_MAX_X, col = MAP_MAX_Y;
    printf("hello world!\n");
    LNode **map = Translate_array(array,row, col); //这里将数组的地图转为节点map的地图
    output(map,10,10);
    LinkList open_List = InitList();     //定义并初始化一个开放列表
    LinkList close_List = InitList();    //一个封闭列表
    LNode* startLNode = find_start_LNode(map, row, col);
    LNode* endLNode = find_end_LNode(map, row, col);
    LNode* curLNode = startLNode;        //当前节点=开始节点
    curLNode->G = 0;        //计算节点的三个值
    count_LNode_H(curLNode, endLNode);
    count_LNode_F(curLNode);
    push_OpenList_Node(open_List, curLNode);        //先将开始节点插入开放列表
    while (curLNode->data != 3)
    {
        //LNode *e = NULL;
        curLNode = pop_OpenList_minNode(open_List);
        insert_Into_CloseList(curLNode, close_List);
        //2、查看起点周围的点是否在开放列表里,不在加入,在检测经过该点F值是否最小等;
        check_around_curNode(curLNode, endLNode, open_List, map);
    }
    while (endLNode->path_next)
    {
        printf("x:%d---y:%d\n", endLNode->path_next->x,endLNode->path_next->y);
        endLNode->path_next = endLNode->path_next->path_next;
    }
    return 0;
}


测试结果(红线就是要找的路线):




分类


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