Astar算法的应用和实现

一、Astar算法c

Astar算法（A*）是一种常用的寻路算法，因为它可以在一张地图中找到最短路径，并且计算量不大，所以被广泛应用于自动化寻路系统，游戏中的NPC移动等方面。A*算法的思路是在搜索过程中维护一个开放列表和一个封闭列表，搜索过程中通过启发式函数预测此路径的长度，来选择最优的路径。使用C语言实现A*算法如下：

void Astar()
{
    while(!openList.empty())
    {
        AstarPt* present = openList.top();
        openList.pop();
        if (present->row == endPt->row && present->col == endPt->col) 
        {
            endPt->pre = present->pre;
            return;
        }
        closeList.push_back(present);
        getSuccessors(present);
    }
}

二、Astar算法与Dijkstra算法

Astar算法与Dijkstra算法都是用于寻路问题的经典算法。Dijkstra算法是一种基于图论的贪心算法，在某些特殊情况下可能会陷入死循环，而Astar算法不会。Astar算法在计算过程中预测剩余距离，因此总是朝着目标方向前进，相比于Dijkstra算法，它更加高效。而Dijkstra算法要求每个路径权值都为正数，因为它在计算时会扩展所有相邻节点，网格地图中代价计算比较困难。因此，对于需要在网格地图上搜索路径的问题，Astar算法是更好的选择。

三、Astar算法原理

Astar算法维护两个列表：开放列表和封闭列表。初始时，将起点放入开放列表中。在每次循环中，从开放列表中选取预估代价最小的节点出队，并将其放入封闭列表中。接下来，通过计算预估剩余距离将当前节点的邻居入队到开放列表中。在路径被找到之前，重复执行此过程。当路径被找到时，从终点开始遍历每个节点的pre指针，直到回到起始节点，即可得到这条路径。

四、Astar算法Python

Python语言实现Astar算法非常方便，以下是一个简单的实现例子：

def Astar(start, end, graph):
    openList = PriorityQueue()
    openList.put(start, 0)
    cameFrom = {}
    gScore = defaultdict(lambda: float('inf'))
    gScore[start] = 0
    fScore = defaultdict(lambda: float('inf'))
    fScore[start] = heuristic(start, end)   
    while not openList.empty():
        current = openList.get()
        if current == end:
            return construct_path(cameFrom, start, end)
        for neighbor in graph[current]:
            tentative_gScore = gScore[current] + graph[current][neighbor]
            if tentative_gScore < gScore[neighbor]:
                cameFrom[neighbor] = current
                gScore[neighbor] = tentative_gScore
                fScore[neighbor] = tentative_gScore + heuristic(neighbor, end)
                if neighbor not in openList.queue:
                    openList.put(neighbor, fScore[neighbor])
    return "No path"

五、Astar算法代码

以下是一个简单的伪代码实现：

function A* (start,goal)
  closedList := {};     //已被评估过的点
  openList := {};       //待评估的点
  visitedFrom := {};    //记录每个点来自于哪个点
  gScore := {};         //从起始点到此点已经花费的代价
  fScore := {};         //总代价 = 已花费的代价 + 剩余代价
  push start into openList
  gScore[start] := 0
  fScore[start] := gScore[start] + heuristic_cost_estimate(start, goal) 

  while openList is not empty
      current := the node in openList having the lowest fScore[] value
      if current = goal
          return reconstruct_path(visitedFrom,goal)
      
      remove current from openList
      push current into closedList
      
      for each neighbor in neighbor_nodes(current)
          if neighbor in closedList
              continue
          tentative_gScore := gScore[current] + distance_between(current,neighbor) 
          if neighbor not in openList or tentative_gScore < gScore[neighbor] 
              visitedFrom[neighbor] := current
              gScore[neighbor] := tentative_gScore
              fScore[neighbor] := gScore[neighbor] + heuristic_cost_estimate(neighbor, goal)
              if neighbor not in openList
                  push neighbor into openList
  return failure

六、Astar算法例子

以下是一个基于地图的Astar算法例子：

def heuristic_cost_estimate(current, goal):
    return abs(current.x - goal.x) + abs(current.y - goal.y)

def reconstruct_path(visitedFrom, current):
    total_path = [current]
    while current in visitedFrom:
        current = visitedFrom[current]
        total_path.append(current)
    return total_path

def Astar(start, goal, graph):
    closedList = []
    openList = [start]
    visitedFrom = {}
    gScore = {start: 0}
    fScore = {start: heuristic_cost_estimate(start, goal)}
    while openList:
        current = min(openList, key=lambda x:fScore[x])
        if current == goal:
            return reconstruct_path(visitedFrom, current)
        openList.remove(current)
        closedList.append(current)
        for neighbor in graph[current]:
            if neighbor in closedList:
                continue
            tentative_gScore = gScore[current] + graph[current][neighbor]
            if neighbor not in openList or tentative_gScore < gScore[neighbor]:
                visitedFrom[neighbor] = current
                gScore[neighbor] = tentative_gScore
                fScore[neighbor] = gScore[neighbor] + heuristic_cost_estimate(neighbor, goal)
                if neighbor not in openList:
                    openList.append(neighbor)
    return "No path"

七、Astar算法寻路

在游戏开发中，Astar算法可以被用于寻路，以下是一个简单的寻路实现例子：

public class AstarPathfinding : MonoBehaviour {

    Node startNode;
    Node endNode;

    public List FindPath(Node start, Node end)
    {
        startNode = start;
        endNode = end;

        List
    openSet = new List
    ();
        HashSet
      closedSet = new HashSet
      ();
        openSet.Add(startNode);

        while (openSet.Count > 0)
        {
            Node currentNode = openSet[0];
            for (int i = 1; i < openSet.Count; i++)
            {
                if (openSet[i].fCost < currentNode.fCost || openSet[i].fCost == currentNode.fCost && openSet[i].hCost < currentNode.hCost)
                {
                    currentNode = openSet[i];
                }
            }

            openSet.Remove(currentNode);
            closedSet.Add(currentNode);

            if (currentNode == endNode)
            {
                return RetracePath(startNode, endNode);
            }

            foreach (Node neighbor in currentNode.neighbors)
            {
                if (!neighbor.walkable || closedSet.Contains(neighbor))
                {
                    continue;
                }

                int newCostToNeighbor = currentNode.gCost + GetDistance(currentNode, neighbor);
                if (newCostToNeighbor < neighbor.gCost || !openSet.Contains(neighbor))
                {
                    neighbor.gCost = newCostToNeighbor;
                    neighbor.hCost = GetDistance(neighbor, endNode);
                    neighbor.parent = currentNode;

                    if (!openSet.Contains(neighbor))
                    {
                        openSet.Add(neighbor);
                    }
                }
            }
        }

        return null;
    }

    //...
}

      
     
    
   
  

八、Astar算法和贪心算法

贪心算法和Astar算法有着类似的思路，都是在计算过程中维护一个开放列表和一个封闭列表，且都使用启发式函数来决定哪个节点应该被扩展。但贪心算法只考虑当前扩展节点，而Astar算法还要考虑目标节点的距离，这使它变得更符合现实情况。Astar算法相对于贪心算法来说，能够找到更优的路径。

九、Astar算法优化

Astar算法的运行效率取决于启发函数的选择和数据结构的优化。设计一个好的启发函数非常重要，它决定了算法的速度和精度。另外，在实际的应用过程中可以采用一些优化策略来加速运算，如减少存储空间、预处理数据等。

十、Astar算法的优缺点

Astar算法的优点：

• 可以找到最短路径
• 启发式搜索可以减少搜索的时间和空间
• 应用广泛，特别是在游戏AI、数据挖掘等领域

Astar算法的缺点：

• 对数据结构要求较高
• 启发函数的设计非常重要，不好的启发函数可能导致算法性能下降
• 有可能陷入局部最优解