回溯算法-以学生就业管理系统为例

1.回溯算法介绍

1.来源

回溯算法也叫试探法,它是一种系统地搜索问题的解的方法。

用回溯算法解决问题的一般步骤:

1、 针对所给问题,定义问题的解空间,它至少包含问题的一个(最优)解。

2 、确定易于搜索的解空间结构,使得能用回溯法方便地搜索整个解空间 。

3 、以深度优先的方式搜索解空间,并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。

确定了解空间的组织结构后,回溯法就从开始结点(根结点)出发,以深度优先的方式搜索整个解空间。这个开始结点就成为一个活结点,同时也成为当前的扩展结点。在当前的扩展结点处,搜索向纵深方向移至一个新结点。这个新结点就成为一个新的活结点,并成为当前扩展结点。如果在当前的扩展结点处不能再向纵深方向移动,则当前扩展结点就成为死结点。此时,应往回移动(回溯)至最近的一个活结点处,并使这个活结点成为当前的扩展结点。回溯法即以这种工作方式递归地在解空间中搜索,直至找到所要求的解或解空间中已没有活结点时为止。 [2]

2.基本思想

回溯算法的基本思想是:从一条路往前走,能进则进,不能进则退回来,换一条路再试。八皇后问题就是回溯算法的典型,第一步按照顺序放一个皇后,然后第二步符合要求放第2个皇后,如果没有位置符合要求,那么就要改变第一个皇后的位置,重新放第2个皇后的位置,直到找到符合条件的位置就可以了。回溯在迷宫搜索中使用很常见,就是这条路走不通,然后返回前一个路口,继续下一条路。回溯算法说白了就是穷举法。不过回溯算法使用剪枝函数,剪去一些不可能到达 最终状态(即答案状态)的节点,从而减少状态空间树节点的生成。回溯法是一个既带有系统性又带有跳跃性的的搜索算法。它在包含问题的所有解的解空间树中,按照深度优先的策略,从根结点出发搜索解空间树。算法搜索至解空间树的任一结点时,总是先判断该结点是否肯定不包含问题的解。如果肯定不包含,则跳过对以该结点为根的子树的系统搜索,逐层向其祖先结点回溯。否则,进入该子树,继续按深度优先的策略进行搜索。回溯法在用来求问题的所有解时,要回溯到根,且根结点的所有子树都已被搜索遍才结束。而回溯法在用来求问题的任一解时,只要搜索到问题的一个解就可以结束。这种以深度优先的方式系统地搜索问题的解的算法称为回溯法,它适用于解一些组合数较大的问题。

2.代码介绍

// 主函数,用于启动就业组合生成过程
private static void generateAllPossibleEmploymentCombinations(GraduateService graduateService, JobService jobService) {// 获取所有毕业生和职位的列表List<Graduate> graduates = graduateService.listAllGraduates();List<Job> jobs = jobService.listAllJobs();// 存储所有可能的就业组合的列表List<List<Employment>> allCombinations = new ArrayList<>();// 调用递归函数生成组合,限制为100条generateCombinations(graduates, jobs, new ArrayList<>(), allCombinations, 0, 100);// 打印所有可能的就业组合(数据量过大时只显示前100条)int combinationNumber = 1; // 组合计数器for (List<Employment> combination : allCombinations) {// 跳过空组合if (combination.isEmpty()) continue;// 打印非空组合及其序号System.out.println("组合 " + combinationNumber++ + ":" + combination);}
}/*** 递归函数,用于生成就业组合。* 运用了回溯算法,通过递归探索所有可能的毕业生与职位的匹配。*/
private static void generateCombinations(List<Graduate> graduates, List<Job> jobs, List<Employment> currentCombination, List<List<Employment>> allCombinations, int start, int limit) {// 如果已经达到组合数量限制,则停止递归if (allCombinations.size() >= limit) {return;}// 只有在当前组合非空时才添加到所有组合列表中if (!currentCombination.isEmpty()) {allCombinations.add(new ArrayList<>(currentCombination));}// 双重循环遍历所有毕业生和职位for (int i = start; i < graduates.size(); i++) {Graduate graduate = graduates.get(i);for (Job job : jobs) {// 检查毕业生是否适合职位if (isSuitable(graduate, job)) {// 创建就业对象并添加到当前组合Employment employment = new Employment(graduate.getStudentId(), job.getJobId());currentCombination.add(employment);// 递归调用,继续添加下一个毕业生和职位的组合generateCombinations(graduates, jobs, currentCombination, allCombinations, i + 1, limit);// 回溯,移除当前就业对象,恢复到上一个状态currentCombination.remove(currentCombination.size() - 1);}}}
}// 检查毕业生是否适合职位的函数,这里简化为所有毕业生适合所有职位
private static boolean isSuitable(Graduate graduate, Job job) {return true;
}

3.使用 “回溯算法”来生成所有可能的就业组合。 

实现了一个基于回溯算法的就业组合生成器,用于匹配毕业生和职位。分别从从算法流程、代码实现、回溯的关键点和数据结构方面对代码的分析:

 算法流程:

1. 初始化:通过服务层获取所有毕业生和职位的列表。

2. 递归生成:使用 `generateCombinations` 方法递归地为每个毕业生尝试所有职位。

3. 匹配检查:通过 `isSuitable` 方法检查毕业生是否适合某个职位。

4. 组合存储:如果找到合适的匹配,将其添加到当前组合中,并尝试进一步的匹配。

5. 回溯:在每次递归调用结束后,从当前组合中移除最后一个添加的匹配,以便探索其他可能性。

6. 结果收集:当达到预设的组合数量限制时,停止递归并收集所有有效的组合。

 代码实现:

 `generateAllPossibleEmploymentCombinations`:作为入口方法,负责初始化和调用递归生成方法。

 `generateCombinations`:递归方法,负责生成组合、检查匹配、执行回溯操作。

 `isSuitable`:一个简单的匹配检查方法,目前总是返回 `true`。

 回溯的关键点:

 终止条件:当达到最大组合数量限制时,递归终止。

 当前状态的保存:通过 `currentCombination` 保存当前的匹配状态。

 回溯操作:通过从 `currentCombination` 中移除最后一个元素来实现。

 剪枝:在 `isSuitable` 方法中实现,尽管当前简化为所有匹配都适合。

 数据结构:

 列表(List):用于存储毕业生、职位和就业组合。`graduates`、`jobs` 和 `allCombinations` 都是列表,分别存储毕业生对象、职位对象和就业组合列表。

 组合(Employment):假设是一个包含毕业生ID和职位ID的简单对象,用于表示单个匹配。

 当前组合(currentCombination):一个列表,用于在递归过程中存储当前探索的就业组合。

通过修改此行代码中的标黄字体,可以控制输出的排列组合结果数量。

generateCombinations(graduates, jobs, new ArrayList<>(), allCombinations, 0, 100);

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