⭐算法OJ⭐矩阵的相关操作【深度优先搜索 DFS + 回溯】（C++ 实现）Unique Paths 系列

980. Unique Paths III

You are given an m x n integer array grid where grid[i][j] could be:

1 representing the starting square. There is exactly one starting square.
2 representing the ending square. There is exactly one ending square.
0 representing empty squares we can walk over.
-1 representing obstacles that we cannot walk over.

Return the number of 4-directional walks from the starting square to the ending square, that walk over every non-obstacle square exactly once.

Example 1:
ex1

Input: grid = [[1,0,0,0],[0,0,0,0],[0,0,2,-1]]
Output: 2
Explanation: We have the following two paths: 
1. (0,0),(0,1),(0,2),(0,3),(1,3),(1,2),(1,1),(1,0),(2,0),(2,1),(2,2)
2. (0,0),(1,0),(2,0),(2,1),(1,1),(0,1),(0,2),(0,3),(1,3),(1,2),(2,2)

Example 2:
在这里插入图片描述

Input: grid = [[1,0,0,0],[0,0,0,0],[0,0,0,2]]
Output: 4
Explanation: We have the following four paths: 
1. (0,0),(0,1),(0,2),(0,3),(1,3),(1,2),(1,1),(1,0),(2,0),(2,1),(2,2),(2,3)
2. (0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(2,0),(2,1),(2,2),(1,2),(0,2),(0,3),(1,3),(2,3)
3. (0,0),(1,0),(2,0),(2,1),(2,2),(1,2),(1,1),(0,1),(0,2),(0,3),(1,3),(2,3)
4. (0,0),(1,0),(2,0),(2,1),(1,1),(0,1),(0,2),(0,3),(1,3),(1,2),(2,2),(2,3)

Example 3:
在这里插入图片描述

Input: grid = [[0,1],[2,0]]
Output: 0
Explanation: There is no path that walks over every empty square exactly once.
Note that the starting and ending square can be anywhere in the grid.

问题理解

我们有一个 m x n 的二维数组 grid，其中每个单元格的值代表不同的含义：

1：起点，只有一个。
2：终点，只有一个。
0：可以行走的空单元格。
-1：障碍物，不能行走。

要求从起点出发，经过所有非障碍物的单元格（即所有值为 0 的单元格）恰好一次，最终到达终点。需要计算所有满足条件的路径数量。

初步思考

确定起点和终点：首先需要找到 grid 中值为 1 和 2 的单元格，分别作为起点和终点。
计算需要覆盖的空单元格数量：统计 grid 中值为 0 的单元格数量，记为 empty。
深度优先搜索（DFS）：从起点开始，使用 DFS 遍历所有可能的路径，确保每条路径覆盖所有 empty 个空单元格，并最终到达终点。
回溯：在 DFS 过程中，使用回溯来撤销选择，以便探索所有可能的路径。

具体步骤

初始化：
- 找到起点 (start_x, start_y) 和终点 (end_x, end_y)。
- 计算 empty 的数量。
- 初始化一个变量 result 用于记录满足条件的路径数量。
DFS 函数：
- 参数：当前坐标 (x, y)，已覆盖的空单元格数量 count。
- 终止条件：
  - 如果当前坐标是终点且 count == empty，则 result 加一。
- 递归条件：
  - 遍历四个方向（上、下、左、右）。
  - 如果下一个单元格是空单元格且未被访问过，则标记为已访问，递归调用 DFS，然后回溯。
实现细节：
- 使用一个二维数组 visited 来记录哪些单元格已经被访问过。
- 在 DFS 开始时，标记起点为已访问。
- 在递归调用前，检查下一个单元格是否在边界内，且不是障碍物，且未被访问过。

C++ 实现

class Solution {
public:
    int uniquePathsIII(vector<vector<int>>& grid) {
        int m = grid.size();
        int n = grid[0].size();
        int start_x = -1, start_y = -1, end_x = -1, end_y = -1;
        int empty = 0;
        int result = 0;

        // 找到起点、终点，并计算空单元格数量
        for (int i = 0; i < m; ++i) {
            for (int j = 0; j < n; ++j) {
                if (grid[i][j] == 1) {
                    start_x = i;
                    start_y = j;
                } else if (grid[i][j] == 2) {
                    end_x = i;
                    end_y = j;
                } else if (grid[i][j] == 0) {
                    empty++;
                }
            }
        }

        // 初始化访问数组
        vector<vector<bool>> visited(m, vector<bool>(n, false));

        // DFS 函数
        function<void(int, int, int)> dfs = [&](int x, int y, int count) {
            // 如果到达终点且覆盖了所有空单元格
            if (x == end_x && y == end_y) {
                if (count == empty) {
                    result++;
                }
                return;
            }
            // 标记当前单元格为已访问
            visited[x][y] = true;
            // 遍历四个方向
            int directions[4][2] = {{-1, 0}, {1, 0}, {0, -1}, {0, 1}};
            for (auto& dir : directions) {
                int nx = x + dir[0];
                int ny = y + dir[1];
                if (nx >= 0 && nx < m && ny >= 0 && ny < n && !visited[nx][ny] && grid[nx][ny] != -1) {
                    dfs(nx, ny, count + (grid[nx][ny] == 0 ? 1 : 0));
                }
            }
            // 回溯
            visited[x][y] = false;
        };

        // 从起点开始 DFS
        dfs(start_x, start_y, 0);
        return result;
    }
};

复杂度分析

时间复杂度：最坏情况下，每个空单元格都有多个选择，时间复杂度为 $O(4^{m*n})$ ，其中 m 和 n 分别是网格的行数和列数。
空间复杂度：主要是递归栈和访问数组的空间，为 $O (m * n)$ 。

总结

通过深度优先搜索和回溯的方法，我们可以有效地解决这个问题。关键在于正确地标记已访问的单元格，并在递归过程中确保覆盖所有必要的空单元格。