后端|掌握回溯算法(Backtracking)：从 LeetCode 到实际应用

回溯算法是计算机科学中最强大的技术之一，专门用于系统地探索多种可能性以解决问题。从解决谜题到生成排列组合，回溯算法在竞赛编程和实际应用中都不可或缺。在这篇博客中，我们将深入了解回溯算法的核心原理，探讨其递归和迭代的实现，并通过经典的 LeetCode 问题举例分析其实际应用。

什么是回溯算法？

回溯是一种问题求解技术，它通过逐步构建候选解的方式来探索所有可能的解决方案，并在确定当前候选解无法导向有效解时立刻放弃该路径。回溯算法通过以下模式系统地探索所有可能性：

探索：选择一条路径或做出一个决策。
撤销（回溯） ：撤回上一步的决策。
继续探索：尝试另一条路径或决策。

回溯算法常用于解决以下类型的问题：

生成排列或组合。
解决数独等谜题。
在图或网格中寻找路径。

回溯算法通过剪枝那些无法导向有效解的路径，简化了需要穷举的问题。尽管回溯算法未必总是最高效的解决方案，但它通常是生成所有可能性的最简单方法，这使得它在实际问题中非常实用。

LeetCode 回溯算法题目

LeetCode 46 - 全排列

我们从经典的 全排列 问题开始。给定一个由不同整数组成的数组，我们需要返回所有可能的排列。


csharp
 代码解读
复制代码
public class Solution {
    public IListint>> Permute(int[] nums) {
        var ans = new Listint>>();
        Backtrack(nums, new List<int>(), new HashSet<int>(), ans);
        return ans;
    }

    private void Backtrack(int[] nums, List<int> current, HashSet<int> used, Listint>> ans) {
        // 基本情况：如果当前排列已完成
        if (current.Count == nums.Length) {
            ans.Add(new List<int>(current));
            return;
        }

        // 探索所有可能性
        for (int i = 0; i < nums.Length; i++) {
            if (used.Contains(nums[i])) continue; // 跳过已使用的数字

            // 选择
            current.Add(nums[i]);
            used.Add(nums[i]);

            // 继续探索
            Backtrack(nums, current, used, ans);

            // 撤销选择（回溯）
            current.RemoveAt(current.Count - 1);
            used.Remove(nums[i]);
        }
    }
}

关键点

探索后撤销选择：一旦探索完一条路径，我们撤销上一步的决策以尝试其他路径。
递归树：递归的每一层对应于当前排列中选择下一个数字的操作。

LeetCode 39 - 组合总和

给定一个由正整数组成的数组（candidates）和一个目标值（target），我们需要找到所有唯一的组合，使得组合中的数字之和等于目标值。


csharp
 代码解读
复制代码
public class Solution {
    public IListint>> CombinationSum(int[] candidates, int target) {
        var ans = new Listint>>();
        Backtrack(candidates, target, 0, new List<int>(), ans);
        return ans;
    }

    private void Backtrack(int[] candidates, int target, int start, List<int> current, Listint>> ans) {
        if (target == 0) {
            ans.Add(new List<int>(current));
            return;
        }

        for (int i = start; i < candidates.Length; i++) {
            if (candidates[i] > target) continue;

            // 选择
            current.Add(candidates[i]);

            // 继续探索
            Backtrack(candidates, target - candidates[i], i, current, ans);

            // 撤销选择（回溯）
            current.RemoveAt(current.Count - 1);
        }
    }
}

迭代回溯方法与DFS 比较：

与递归方法相比，我们可以使用显式栈来管理状态：


csharp
 代码解读
复制代码
// LeetCode 46
public class Solution {
    public IListint>> Permute(int[] nums) {
        var ans = new Listint>>();
        var stack = new Stack<(List<int> current, HashSet<int> used)>();
        stack.Push((new List<int>(), new HashSet<int>()));

        while (stack.Count > 0) {
            var (current, used) = stack.Pop();

            if (current.Count == nums.Length) {
                ans.Add(new List<int>(current));
                continue;
            }

            foreach (var num in nums) {
                if (used.Contains(num)) continue;
                var nextCurrent = new List<int>(current) { num };
                var nextUsed = new HashSet<int>(used) { num };
                stack.Push((nextCurrent, nextUsed));
            }
        }

        return ans;
    }
}


csharp
 代码解读
复制代码
// LeetCode 39
public class Solution {
    public IListint>> CombinationSum(int[] candidates, int target) {
        var ans = new Listint>>();
        var stack = new Stack<(List<int> current, int remaining, int index)>();
        stack.Push((new List<int>(), target, 0));

        while (stack.Count > 0) {
            var (current, remaining, index) = stack.Pop();

            if (remaining == 0) {
                ans.Add(new List<int>(current));
                continue;
            }

            for (int i = index; i < candidates.Length; i++) {
                if (candidates[i] > remaining) continue;
                var nextCurrent = new List<int>(current) { candidates[i] };
                stack.Push((nextCurrent, remaining - candidates[i], i));
            }
        }

        return ans;
    }
}

无论是递归还是迭代，回溯的核心思想都是一致的：通过 推进（探索） 和 回退（撤销） 系统地访问所有解决方案。

通过对比递归和迭代实现，我们可以发现回溯与深度优先搜索（DFS）原则紧密相连。两种方法都依赖于维护状态信息来追踪进度。在递归回溯中，这些状态由函数调用栈隐式管理；而在迭代版本中，需要显式的数据结构（例如Stack或Queue）来模拟这种行为。

迭代方法的优势

控制调用栈：
在递归中，调用栈的深度与递归树的深度相关，如果递归过深可能会导致栈溢出。迭代回溯通过显式栈避免了这一问题，并对大型问题空间提供了更强的控制和可扩展性。
可自定义的状态管理：
使用显式栈时，你可以在每个状态中存储额外的信息（如元数据或历史记录），而无需依赖全局变量或函数参数。
更易调试：
迭代实现的所有操作都是显式的，状态转换更加清晰，这使得调试比递归方法更容易，因为递归中的“隐式”状态更难追踪。

迭代方法的缺点

代码冗长：
迭代解决方案通常需要更多的样板代码来管理状态，比如栈的推入和弹出，以及处理辅助数据结构（例如visited数组或哈希集）。
直观性较低：
递归解决方案更符合回溯的概念模型，其中每个递归调用代表一个新的探索层次。对于初学者来说，迭代解决方案可能显得不够直观。

实际考量

在以下情况下选择递归回溯：
- 问题的深度可控，调用栈可以承受递归深度。
- 简洁和可读性优先。递归解决方案通常更简洁、更易理解。
在以下情况下选择迭代回溯：
- 递归深度可能超过栈限制，导致栈溢出错误。
- 需要对状态进行精细控制，比如跟踪附加数据。
- 问题涉及动态约束或需要频繁修改状态。

在实际问题中，当需要更强的控制或递归深度成为问题时（例如解决大型图问题），迭代方法可能更实用。

结论

回溯是一种优雅且系统化的求解探索和决策问题的方法。尽管递归是实现回溯的最直观方式，但迭代方法提供了宝贵的见解和替代方案。掌握这种技术不仅有助于解决 LeetCode 问题，还能应用于现实场景中的问题，如约束满足问题和路径查找问题。

通过练习，你将逐渐培养识别回溯问题的直觉，并实现高效的解决方案——这是一项每个程序员都必须掌握的重要技能。

掌握回溯算法(Backtracking)：从 LeetCode 到实际应用