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# 13.4 N 皇后问题

Question

根据国际象棋的规则，皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。给定 \(n\) 个皇后和一个 \(n \times n\) 大小的棋盘，寻找使得所有皇后之间无法相互攻击的摆放方案。

如图 13-15 所示，当 \(n = 4\) 时，共可以找到两个解。从回溯算法的角度看，\(n \times n\) 大小的棋盘共有 \(n^2\) 个格子，给出了所有的选择 `choices` 。在逐个放置皇后的过程中，棋盘状态在不断地变化，每个时刻的棋盘就是状态 `state` 。

图 13-15 4 皇后问题的解

图 13-16 展示了本题的三个约束条件：多个皇后不能在同一行、同一列、同一对角线。值得注意的是，对角线分为主对角线 `\` 和次对角线 `/` 两种。

图 13-16 n 皇后问题的约束条件

### 1. 逐行放置策略

皇后的数量和棋盘的行数都为 \(n\) ，因此我们容易得到一个推论：棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后。

也就是说，我们可以采取逐行放置策略：从第一行开始，在每行放置一个皇后，直至最后一行结束。

如图 13-17 所示，为 \(4\) 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制，图 13-17 仅展开了第一行的其中一个搜索分支，并且将不满足列约束和对角线约束的方案都进行了剪枝。

图 13-17 逐行放置策略

本质上看，逐行放置策略起到了剪枝的作用，它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。

### 2. 列与对角线剪枝

为了满足列约束，我们可以利用一个长度为 \(n\) 的布尔型数组 `cols` 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前，我们通过 `cols` 将已有皇后的列进行剪枝，并在回溯中动态更新 `cols` 的状态。

那么，如何处理对角线约束呢？设棋盘中某个格子的行列索引为 \((row, col)\) ，选定矩阵中的某条主对角线，我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引都相等，即对角线上所有格子的 \(row - col\) 为恒定值。

也就是说，如果两个格子满足 \(row_1 - col_1 = row_2 - col_2\) ，则它们一定处在同一条主对角线上。利用该规律，我们可以借助图 13-18 所示的数组 `diag1` ，记录每条主对角线上是否有皇后。

同理，次对角线上的所有格子的 \(row + col\) 是恒定值。我们同样也可以借助数组 `diag2` 来处理次对角线约束。

图 13-18 处理列约束和对角线约束

### 3. 代码实现

请注意，\(n\) 维方阵中 \(row - col\) 的范围是 \([-n + 1, n - 1]\) ，\(row + col\) 的范围是 \([0, 2n - 2]\) ，所以主对角线和次对角线的数量都为 \(2n - 1\) ，即数组 `diag1` 和 `diag2` 的长度都为 \(2n - 1\) 。

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n_queens.py

    def backtrack(
        row: int,
        n: int,
        state: list[list[str]],
        res: list[list[list[str]]],
        cols: list[bool],
        diags1: list[bool],
        diags2: list[bool],
    ):
        """回溯算法：N 皇后"""
        # 当放置完所有行时，记录解
        if row == n:
            res.append([list(row) for row in state])
            return
        # 遍历所有列
        for col in range(n):
            # 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            diag1 = row - col + n - 1
            diag2 = row + col
            # 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if not cols[col] and not diags1[diag1] and not diags2[diag2]:
                # 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = "Q"
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = True
                # 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2)
                # 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = "#"
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = False

    def n_queens(n: int) -> list[list[list[str]]]:
        """求解 N 皇后"""
        # 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        state = [["#" for _ in range(n)] for _ in range(n)]
        cols = [False] * n  # 记录列是否有皇后
        diags1 = [False] * (2 * n - 1)  # 记录主对角线是否有皇后
        diags2 = [False] * (2 * n - 1)  # 记录副对角线是否有皇后
        res = []
        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2)

        return res

n_queens.cpp

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    void backtrack(int row, int n, vector<vector<string>> &state, vector<vector<vector<string>>> &res, vector<bool> &cols,
                   vector<bool> &diags1, vector<bool> &diags2) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if (row == n) {
            res.push_back(state);
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for (int col = 0; col < n; col++) {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            int diag1 = row - col + n - 1;
            int diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = "Q";
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = true;
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = "#";
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = false;
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    vector<vector<vector<string>>> nQueens(int n) {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        vector<vector<string>> state(n, vector<string>(n, "#"));
        vector<bool> cols(n, false);           // 记录列是否有皇后
        vector<bool> diags1(2 * n - 1, false); // 记录主对角线是否有皇后
        vector<bool> diags2(2 * n - 1, false); // 记录副对角线是否有皇后
        vector<vector<vector<string>>> res;

        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);

        return res;
    }

n_queens.java

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    void backtrack(int row, int n, List<List<String>> state, List<List<List<String>>> res,
            boolean[] cols, boolean[] diags1, boolean[] diags2) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if (row == n) {
            List<List<String>> copyState = new ArrayList<>();
            for (List<String> sRow : state) {
                copyState.add(new ArrayList<>(sRow));
            }
            res.add(copyState);
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for (int col = 0; col < n; col++) {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            int diag1 = row - col + n - 1;
            int diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state.get(row).set(col, "Q");
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = true;
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state.get(row).set(col, "#");
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = false;
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    List<List<List<String>>> nQueens(int n) {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        List<List<String>> state = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            List<String> row = new ArrayList<>();
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                row.add("#");
            }
            state.add(row);
        }
        boolean[] cols = new boolean[n]; // 记录列是否有皇后
        boolean[] diags1 = new boolean[2 * n - 1]; // 记录主对角线是否有皇后
        boolean[] diags2 = new boolean[2 * n - 1]; // 记录副对角线是否有皇后
        List<List<List<String>>> res = new ArrayList<>();

        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);

        return res;
    }

n_queens.cs

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    void backtrack(int row, int n, List<List<string>> state, List<List<List<string>>> res,
            bool[] cols, bool[] diags1, bool[] diags2) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if (row == n) {
            List<List<string>> copyState = new List<List<string>>();
            foreach (List<string> sRow in state) {
                copyState.Add(new List<string>(sRow));
            }
            res.Add(copyState);
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for (int col = 0; col < n; col++) {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            int diag1 = row - col + n - 1;
            int diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = "Q";
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = true;
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = "#";
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = false;
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    List<List<List<string>>> nQueens(int n) {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        List<List<string>> state = new List<List<string>>();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            List<string> row = new List<string>();
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                row.Add("#");
            }
            state.Add(row);
        }
        bool[] cols = new bool[n]; // 记录列是否有皇后
        bool[] diags1 = new bool[2 * n - 1]; // 记录主对角线是否有皇后
        bool[] diags2 = new bool[2 * n - 1]; // 记录副对角线是否有皇后
        List<List<List<string>>> res = new List<List<List<string>>>();

        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);

        return res;
    }

n_queens.go

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    func backtrack(row, n int, state *[][]string, res *[][][]string, cols, diags1, diags2 *[]bool) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if row == n {
            newState := make([][]string, len(*state))
            for i, _ := range newState {
                newState[i] = make([]string, len((*state)[0]))
                copy(newState[i], (*state)[i])

            }
            *res = append(*res, newState)
        }
        // 遍历所有列
        for col := 0; col < n; col++ {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            diag1 := row - col + n - 1
            diag2 := row + col
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if !(*cols)[col] && !(*diags1)[diag1] && !(*diags2)[diag2] {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                (*state)[row][col] = "Q"
                (*cols)[col], (*diags1)[diag1], (*diags2)[diag2] = true, true, true
                // 放置下一行
                backtrack(row+1, n, state, res, cols, diags1, diags2)
                // 回退：将该格子恢复为空位
                (*state)[row][col] = "#"
                (*cols)[col], (*diags1)[diag1], (*diags2)[diag2] = false, false, false
            }
        }
    }

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    func backtrack(row, n int, state *[][]string, res *[][][]string, cols, diags1, diags2 *[]bool) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if row == n {
            newState := make([][]string, len(*state))
            for i, _ := range newState {
                newState[i] = make([]string, len((*state)[0]))
                copy(newState[i], (*state)[i])

            }
            *res = append(*res, newState)
        }
        // 遍历所有列
        for col := 0; col < n; col++ {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            diag1 := row - col + n - 1
            diag2 := row + col
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if !(*cols)[col] && !(*diags1)[diag1] && !(*diags2)[diag2] {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                (*state)[row][col] = "Q"
                (*cols)[col], (*diags1)[diag1], (*diags2)[diag2] = true, true, true
                // 放置下一行
                backtrack(row+1, n, state, res, cols, diags1, diags2)
                // 回退：将该格子恢复为空位
                (*state)[row][col] = "#"
                (*cols)[col], (*diags1)[diag1], (*diags2)[diag2] = false, false, false
            }
        }
    }

    func nQueens(n int) [][][]string {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        state := make([][]string, n)
        for i := 0; i < n; i++ {
            row := make([]string, n)
            for i := 0; i < n; i++ {
                row[i] = "#"
            }
            state[i] = row
        }
        // 记录列是否有皇后
        cols := make([]bool, n)
        diags1 := make([]bool, 2*n-1)
        diags2 := make([]bool, 2*n-1)
        res := make([][][]string, 0)
        backtrack(0, n, &state, &res, &cols, &diags1, &diags2)
        return res
    }

n_queens.swift

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    func backtrack(row: Int, n: Int, state: inout [[String]], res: inout [[[String]]], cols: inout [Bool], diags1: inout [Bool], diags2: inout [Bool]) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if row == n {
            res.append(state)
            return
        }
        // 遍历所有列
        for col in 0 ..< n {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            let diag1 = row - col + n - 1
            let diag2 = row + col
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if !cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2] {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = "Q"
                cols[col] = true
                diags1[diag1] = true
                diags2[diag2] = true
                // 放置下一行
                backtrack(row: row + 1, n: n, state: &state, res: &res, cols: &cols, diags1: &diags1, diags2: &diags2)
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = "#"
                cols[col] = false
                diags1[diag1] = false
                diags2[diag2] = false
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    func nQueens(n: Int) -> [[[String]]] {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        var state = Array(repeating: Array(repeating: "#", count: n), count: n)
        var cols = Array(repeating: false, count: n) // 记录列是否有皇后
        var diags1 = Array(repeating: false, count: 2 * n - 1) // 记录主对角线是否有皇后
        var diags2 = Array(repeating: false, count: 2 * n - 1) // 记录副对角线是否有皇后
        var res: [[[String]]] = []

        backtrack(row: 0, n: n, state: &state, res: &res, cols: &cols, diags1: &diags1, diags2: &diags2)

        return res
    }

n_queens.js

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    function backtrack(row, n, state, res, cols, diags1, diags2) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if (row === n) {
            res.push(state.map((row) => row.slice()));
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for (let col = 0; col < n; col++) {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            const diag1 = row - col + n - 1;
            const diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = 'Q';
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = true;
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = '#';
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = false;
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    function nQueens(n) {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        const state = Array.from({ length: n }, () => Array(n).fill('#'));
        const cols = Array(n).fill(false); // 记录列是否有皇后
        const diags1 = Array(2 * n - 1).fill(false); // 记录主对角线是否有皇后
        const diags2 = Array(2 * n - 1).fill(false); // 记录副对角线是否有皇后
        const res = [];

        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);
        return res;
    }

n_queens.ts

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    function backtrack(
        row: number,
        n: number,
        state: string[][],
        res: string[][][],
        cols: boolean[],
        diags1: boolean[],
        diags2: boolean[]
    ): void {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if (row === n) {
            res.push(state.map((row) => row.slice()));
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for (let col = 0; col < n; col++) {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            const diag1 = row - col + n - 1;
            const diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state[row][col] = 'Q';
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = true;
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state[row][col] = '#';
                cols[col] = diags1[diag1] = diags2[diag2] = false;
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    function nQueens(n: number): string[][][] {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        const state = Array.from({ length: n }, () => Array(n).fill('#'));
        const cols = Array(n).fill(false); // 记录列是否有皇后
        const diags1 = Array(2 * n - 1).fill(false); // 记录主对角线是否有皇后
        const diags2 = Array(2 * n - 1).fill(false); // 记录副对角线是否有皇后
        const res: string[][][] = [];

        backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);
        return res;
    }

n_queens.dart

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    void backtrack(
      int row,
      int n,
      List<List<String>> state,
      List<List<List<String>>> res,
      List<bool> cols,
      List<bool> diags1,
      List<bool> diags2,
    ) {
      // 当放置完所有行时，记录解
      if (row == n) {
        List<List<String>> copyState = [];
        for (List<String> sRow in state) {
          copyState.add(List.from(sRow));
        }
        res.add(copyState);
        return;
      }
      // 遍历所有列
      for (int col = 0; col < n; col++) {
        // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
        int diag1 = row - col + n - 1;
        int diag2 = row + col;
        // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
        if (!cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2]) {
          // 尝试：将皇后放置在该格子
          state[row][col] = "Q";
          cols[col] = true;
          diags1[diag1] = true;
          diags2[diag2] = true;
          // 放置下一行
          backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
          // 回退：将该格子恢复为空位
          state[row][col] = "#";
          cols[col] = false;
          diags1[diag1] = false;
          diags2[diag2] = false;
        }
      }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    List<List<List<String>>> nQueens(int n) {
      // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
      List<List<String>> state = List.generate(n, (index) => List.filled(n, "#"));
      List<bool> cols = List.filled(n, false); // 记录列是否有皇后
      List<bool> diags1 = List.filled(2 * n - 1, false); // 记录主对角线是否有皇后
      List<bool> diags2 = List.filled(2 * n - 1, false); // 记录副对角线是否有皇后
      List<List<List<String>>> res = [];

      backtrack(0, n, state, res, cols, diags1, diags2);

      return res;
    }

n_queens.rs

    /* 回溯算法：N 皇后 */
    fn backtrack(row: usize, n: usize, state: &mut Vec<Vec<String>>, res: &mut Vec<Vec<Vec<String>>>,
        cols: &mut [bool], diags1: &mut [bool], diags2: &mut [bool]) {
        // 当放置完所有行时，记录解
        if row == n {
            let mut copy_state: Vec<Vec<String>> = Vec::new();
            for s_row in state.clone() {
                copy_state.push(s_row);
            }
            res.push(copy_state);
            return;
        }
        // 遍历所有列
        for col in 0..n {
            // 计算该格子对应的主对角线和副对角线
            let diag1 = row + n - 1 - col;
            let diag2 = row + col;
            // 剪枝：不允许该格子所在列、主对角线、副对角线存在皇后
            if !cols[col] && !diags1[diag1] && !diags2[diag2] {
                // 尝试：将皇后放置在该格子
                state.get_mut(row).unwrap()[col] = "Q".into();
                (cols[col], diags1[diag1], diags2[diag2]) = (true, true, true);
                // 放置下一行
                backtrack(row + 1, n, state, res, cols, diags1, diags2);
                // 回退：将该格子恢复为空位
                state.get_mut(row).unwrap()[col] = "#".into();
                (cols[col], diags1[diag1], diags2[diag2]) = (false, false, false);
            }
        }
    }

    /* 求解 N 皇后 */
    fn n_queens(n: usize) -> Vec<Vec<Vec<String>>> {
        // 初始化 n*n 大小的棋盘，其中 'Q' 代表皇后，'#' 代表空位
        let mut state: Vec<Vec<String>> = Vec::new();
        for _ in 0..n {
            let mut row: Vec<String> = Vec::new();
            for _ in 0..n {
                row.push("#".into());
            }
            state.push(row);
        }
        let mut cols = vec![false; n]; // 记录列是否有皇后
        let mut diags1 = vec![false; 2 * n - 1]; // 记录主对角线是否有皇后
        let mut diags2 = vec![false; 2 * n - 1]; // 记录副对角线是否有皇后
        let mut res: Vec<Vec<Vec<String>>> = Vec::new();

        backtrack(0, n, &mut state, &mut res, &mut cols, &mut diags1, &mut diags2);

        res
    }

n_queens.c

    [class]{}-[func]{backtrack}

    [class]{}-[func]{nQueens}

n_queens.zig

    [class]{}-[func]{backtrack}

    [class]{}-[func]{nQueens}

逐行放置 \(n\) 次，考虑列约束，则从第一行到最后一行分别有 \(n\)、\(n-1\)、\(\dots\)、\(2\)、\(1\) 个选择，因此时间复杂度为 \(O(n!)\) 。实际上，根据对角线约束的剪枝也能够大幅地缩小搜索空间，因而搜索效率往往优于以上时间复杂度。

数组 `state` 使用 \(O(n^2)\) 空间，数组 `cols`、`diags1` 和 `diags2` 皆使用 \(O(n)\) 空间。最大递归深度为 \(n\) ，使用 \(O(n)\) 栈帧空间。因此，空间复杂度为 \(O(n^2)\) 。

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