题目描述
在经典汉诺塔问题中，有 3 根柱子及 N 个不同大小的穿孔圆盘，盘子可以滑入任意一根柱子。
一开始，所有盘子自上而下按升序依次套在第一根柱子上(即每一个盘子只能放在更大的盘子上面)。
移动圆盘时受到以下限制：
(1) 每次只能移动一个盘子;
(2) 盘子只能从柱子顶端滑出移到下一根柱子;
(3) 盘子只能叠在比它大的盘子上。
请编写程序，用栈将所有盘子从第一根柱子移到最后一根柱子。
你需要原地修改栈。
A中盘子的数目不大于14个。
输入：A = [2, 1, 0], B = [], C = []
输出：C = [2, 1, 0]
输入：A = [1, 0], B = [], C = []
输出：C = [1, 0]
数据结构
- 链表、栈
算法思维
- 递归
解题要点
- 递归思维的灵活运用
关键知识点：递归
- 概念
数学与计算机科学范畴，是指在函数的定义中使用函数自身的方法
递归算法是一种直接或者间接调用自身函数的算法 - 本质
递归，去的过程叫"递"，回来的过程叫"归"
递是调用，归是结束后回来
是一种循环，而且在循环中执行的就是调用自己 - 三要素
结束条件
函数主功能
函数的等价关系式（参数、返回值、关系） - 递归方法模板
public int recursion(int n) {
//1.结束条件
if (n == 1) {
return 1;
}
//2.函数主功能 do something
System.out.println(n);
//3.等价关系式 f(n)=n+f(n-1) 转换为简单问题
return n + recursion(n - 1);
}
解题步骤
一. Comprehend 理解题意
题目主干
- 通过程序解决汉诺塔问题
- 圆盘数量不固定
细节问题
- 严格遵守汉诺塔规则
附加限制
- 原地修改
宽松限制
- A中盘子的数目不大于14个
二. Choose 选择数据结构与算法
数据结构选择
- 输入和输出的参数类型已经限定为 List
- 其中 “盘子只能从柱子顶端滑出移到下一根柱子”
- 与栈的后进先出的特点一致
- 但输入输出参数均为 List
- 每次都在 List 尾部添加或者移除（模拟栈的方式）
算法思维选择
美国学者提出的一种两步操作法：
将柱子摆成品字型，摆放顺序由圆盘数量奇偶性决定
思考1层汉诺塔、2层汉诺塔如何移动
• 若n为奇数，按顺时针方向依次摆放 A C B
• 若n为偶数，按顺时针方向依次摆放 A B C
解题思路
- 按顺时针方向把圆盘1从现在的柱子移动到下一根柱子
- 把另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上
• 把非空柱子上的圆盘移动到空柱子上
• 当两根柱子都非空时，移动较小的圆盘 - 反复进行1、2两步操作，最后就能按规定完成汉诺塔的移动
三. Code 编码实现基本解法
解题思路剖析
判断盘子总数奇偶性，例如为偶数，则顺序为 ABC
1.最小盘子移动到下一个柱子
2.另两个柱子较小的盘子移动到另一个
不断重复1、2两步
class Solution {
public void hanota(List<Integer> A, List<Integer> B, List<Integer> C) {
int size = A.size();
List<Integer>[] lists = new List[3];
lists[0] = A;
if (size % 2 == 0) {//若n为偶数，按顺时针方向依次摆放 A B C；
lists[1] = B;
lists[2] = C;
} else { // 若n为奇数，按顺时针方向依次摆放 A C B
lists[1] = C;
lists[2] = B;
}
int currentIndex = 0; //记录最小盘子所在的柱子下标
while (C.size() < size) {
List<Integer> current = lists[currentIndex];
currentIndex = (currentIndex + 1) % 3; //编号最小盘子所在柱子的下一个柱子
List<Integer> next = lists[currentIndex];
List<Integer> pre = lists[(currentIndex + 1) % 3]; //编号最小盘子所在柱子的上一个柱子
int preSize = pre.size();
int curSize = current.size();
next.add(current.remove(--curSize)); //最小的圆盘 移动到下一个柱子
//另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上 当两根柱子都非空时，移动较小的圆盘
int plateToMove1 = preSize == 0 ? Integer.MAX_VALUE : pre.get(preSize - 1);
int plateToMove2 = curSize == 0 ? Integer.MAX_VALUE : current.get(curSize - 1);
if (plateToMove1 < plateToMove2) {
current.add(pre.remove(preSize - 1));
} else if (plateToMove2 < plateToMove1) {
pre.add(current.remove(curSize - 1));
}
}
}
}
时间复杂度：O(2n)
• 需要多次比较盘子大小以及移动盘子，移动次数为 2n-1
• 在每次移动前还需要进行比较，比较次数也为 2n-1
空间复杂度：O(1)
• 常数级变量空间 O(1)
执行耗时：6 ms，击败了 7.21% 的Java用户
内存消耗：37.4 MB，击败了 77.97% 的Java用户
四. Consider 思考更优解
寻找更好的算法思维 -- 递归
N层汉诺塔 该如何思考呢？
- 如果我们能将上面的 N-1 层移动到B上
- 把N层移动到C，再把B上N-1层移动到C上就可以解决问题了
- 问题变为如何解决N-1层汉诺塔的移动问题
- 继续思考一直到N-1等于1时，我们可以直接将1层汉诺塔移动目的位置
五. Code 编码实现最优解
解题思路剖析
- 递归结束条件：移动一个盘子
- 递归函数主功能
• 移动 N-1 个盘子到中间柱子
• 移动第 N 个盘子到目标柱子
• 将 N-1 个盘子从中间柱子移动到目标柱子 - 函数的等价关系式
• 参数：本轮盘子数量、三个柱子（List）
• 返回值：无返回值，使用List中本地删除的方式
• 等价关系：f(n,A,B,C) = f(n-1,A,C,B) + M(A,C) + f(n-1,B,A,C)
class Solution {
public void hanota(List<Integer> A, List<Integer> B, List<Integer> C) {
movePlate(A.size(), A, B, C);
}
/**
* @param size 需要移动盘子的数量
* @param start 起始柱子
* @param auxiliary 辅助柱子
* @param target 目标柱子
*/
private void movePlate(int size, List<Integer> start, List<Integer>
auxiliary, List<Integer> target) {
if (size == 1) { // 只剩一个盘子时，直接从第一个柱子移动到第三个柱子 即可
target.add(start.remove(start.size() - 1));
return;
}
// 将 n-1 个盘子，从 第一个柱子 移动到 第二个柱子
movePlate(size - 1, start, target, auxiliary);
// 将第 n个盘子，从 第一个柱子 移动到 第三个柱子
target.add(start.remove(start.size() - 1));
// 再将 n-1 个盘子，从 第二个柱子 移动到 第三个柱子
movePlate(size - 1, auxiliary, start, target);
}
}
时间复杂度：O(2n)
使用迭代法分析
• 设递归函数的运行时间 T(n)
• 每轮递归调用两次递归函数，每调用一次问题规模减少 1，T(n) = 2×T(n - 1)
• 所以最终的复杂度为 O(2n)，其中比较次数为 0，省略了比较大小的步骤
空间复杂度：O(n)
• 函数中我们不需要主动创建额外存储
• 但递归调用本身需要进行堆栈的存储
• 空间复杂度和递归的深度有关系
• 递归深度为 n，所以空间复杂度为 O(n)
执行耗时：1 ms，击败了 84.31% 的Java用户
内存消耗：37.7 MB，击败了 13.28% 的Java用
六. Change 变形与延伸
题目变形
- （练习）如果规则变为大盘必须放在小盘上该如何实现？
延伸扩展
- 递归是一种基本的编程思维
• 快速排序、归并排序、二分查找、树…… - 实际工作中应用很广泛
• 按照组织架构统计公司某部门人数
• 按职级关系统计销售人员提成
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