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A*算法详解及Python实现

news 来源：原创 2025/8/25 23:27:55

一、什么是A*算法？

A*（读作"A-star"）算法是一种广泛使用的路径查找和图形遍历算法，它结合了Dijkstra算法的完备性和贪婪最佳优先搜索的高效性。A*算法通过使用启发式函数来估算从当前节点到目标节点的成本，从而智能地选择最有希望的路径进行探索。

二、A*算法核心概念

1. 估价函数 (f(n))

A*算法的核心是估价函数：f(n) = g(n) + h(n)

  • g(n): 从起点到当前节点n的实际路径成本

  • h(n): 从当前节点n到目标节点的启发式估计成本（即启发函数）

2. 启发函数 (h(n))

启发函数的选择对A*算法的性能有重要影响：

  • 可接受性(Admissible): h(n)永远不会高估到目标的实际成本

  • 一致性(Consistent): 对于每个节点n和其后继节点n'，h(n) ≤ d(n, n') + h(n')

常用的启发函数：

  • 曼哈顿距离（适用于网格中只能四方向移动）

  • 欧几里得距离（直线距离）

  • 切比雪夫距离（适用于可以八方向移动的网格）

三、A*算法步骤

  1. 初始化开放列表(open list)和关闭列表(closed list)

  2. 将起点加入开放列表

  3. 循环直到找到目标或开放列表为空：
    a. 从开放列表中找到f值最小的节点作为当前节点
    b. 将当前节点移到关闭列表
    c. 对当前节点的每个相邻节点：
    i. 如果不可通行或在关闭列表中，跳过
    ii. 如果不在开放列表中，加入开放列表，计算其f,g,h值，记录父节点
    iii. 如果在开放列表中，检查通过当前节点到它的路径是否更好（g值更小），如果是则更新

  4. 如果找到目标，从目标回溯父节点得到路径；如果开放列表为空且未找到目标，则无解

四、Python实现

下面是一个基于网格的A*算法实现：

import heapq
import math
from typing import List, Tuple, Dict, Optionalclass Node:def __init__(self, position: Tuple[int, int], parent=None):self.position = positionself.parent = parentself.g = 0  # 从起点到当前节点的实际距离self.h = 0  # 启发式估计到终点的距离self.f = 0  # f = g + hdef __eq__(self, other):return self.position == other.positiondef __lt__(self, other):return self.f < other.fdef __repr__(self):return f"Node({self.position}, g={self.g}, h={self.h}, f={self.f})"def heuristic(a: Tuple[int, int], b: Tuple[int, int]) -> float:"""欧几里得距离启发函数"""return math.sqrt((b[0] - a[0])**2 + (b[1] - a[1])**2)def a_star(grid: List[List[int]], start: Tuple[int, int], end: Tuple[int, int]) -> Optional[List[Tuple[int, int]]]:"""A*算法实现参数:grid: 二维数组，0表示可通行，1表示障碍物start: 起点坐标 (x, y)end: 终点坐标 (x, y)返回:路径列表（从起点到终点）或None（如果无解）"""# 创建起点和终点节点start_node = Node(start)end_node = Node(end)# 初始化开放列表和关闭列表open_list = []closed_list = set()# 将起点加入开放列表heapq.heappush(open_list, start_node)# 定义可能的移动方向（8方向）directions = [(-1, -1), (-1, 0), (-1, 1),(0, -1),          (0, 1),(1, -1),  (1, 0), (1, 1)]# 网格的行列数rows = len(grid)cols = len(grid[0]) if rows > 0 else 0while open_list:# 获取f值最小的节点current_node = heapq.heappop(open_list)# 如果到达终点，回溯路径if current_node == end_node:path = []current = current_nodewhile current is not None:path.append(current.position)current = current.parentreturn path[::-1]  # 反转路径，从起点到终点# 将当前节点加入关闭列表closed_list.add(current_node.position)# 检查所有相邻节点for direction in directions:# 计算相邻节点位置node_position = (current_node.position[0] + direction[0], current_node.position[1] + direction[1])# 确保在网格范围内if (node_position[0] < 0 or node_position[0] >= rows ornode_position[1] < 0 or node_position[1] >= cols):continue# 确保可通行if grid[node_position[0]][node_position[1]] != 0:continue# 如果节点在关闭列表中，跳过if node_position in closed_list:continue# 创建新节点new_node = Node(node_position, current_node)# 计算g, h, f值# 对角线移动成本为sqrt(2)，否则为1new_node.g = current_node.g + (1.414 if direction[0] and direction[1] else 1)new_node.h = heuristic(node_position, end)new_node.f = new_node.g + new_node.h# 如果节点已在开放列表中且g值更高，跳过for open_node in open_list:if new_node == open_node and new_node.g >= open_node.g:breakelse:heapq.heappush(open_list, new_node)# 开放列表为空但未找到路径return None# 示例使用
if __name__ == "__main__":# 0表示可通行，1表示障碍物grid = [[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0],[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]start = (0, 0)end = (9, 9)path = a_star(grid, start, end)if path:print("找到路径:")for step in path:print(step)else:print("未找到路径")

五、算法优化

  1. 优先队列优化：使用堆结构来高效获取f值最小的节点

  2. 哈希表优化：使用字典快速查找节点是否在开放列表中

  3. 启发函数选择：根据具体问题选择合适的启发函数

  4. 双向A*：同时从起点和终点开始搜索

  5. 跳点搜索(JPS)：针对网格地图的优化算法

六、应用场景

A*算法广泛应用于：

  • 游戏中的NPC路径规划

  • 机器人导航

  • 地图导航系统

  • 拼图游戏解决方案

  • 网络路由

七、总结

A算法是一种强大而高效的路径查找算法，通过合理选择启发函数，可以在保证找到最优解的同时显著提高搜索效率。本文提供的Python实现展示了A算法的核心思想，你可以根据具体需求进行调整和优化。

希望这篇博客能帮助你理解并实现A*算法！如果你有任何问题或建议，欢迎留言讨论。

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RabbitMQ运维 一.集群1.简单介绍2.集群的作用 二.搭建集群1.多机多节点搭建步骤 2.单机单节点搭建步骤 3.宕机演示 三.仲裁队列1.简单介绍2.Raft协议Raft基本概念主节点选举选举过程 3.仲裁队列的使用 四.HAProxy负载均衡1.安装HAProxy2.HAProxy的使用 一.集群 1.简单介绍 Ra…...

编程日记 2025/8/21 19:25:10

【ESP32】ESP32物联网应用：MQTT控制与状态监测

ESP32物联网应用&#xff1a;MQTT控制与状态监测 引言 在物联网时代&#xff0c;远程监测和控制设备已经成为现实生活中常见的需求。本文将介绍如何使用ESP32微控制器配合MQTT协议&#xff0c;实现一个简单而强大的物联网应用&#xff1a;远程状态监测和设备控制。我们将以巴…...

编程日记 2025/8/20 19:52:16

如何保证RabbitMQ消息的可靠传输?

在这个图中&#xff0c;消息可能丢失的场景是1&#xff0c;2&#xff0c;3 1.在生产者将消息发送给RabbitMQ的时候&#xff0c;消息到底有没有正确的到达服务器呢&#xff0c;RabbitMQ提供了两种解决方案&#xff1a; a. 通过事务机制实现&#xff08;比较消耗性能&#xff0…...

编程日记 2025/8/20 22:38:35

Redis高可用

主从复制 为什么要主从复制&#xff1f; 由于数据都是存储在一台服务器上&#xff0c;如果出事就完犊子了&#xff0c;比如&#xff1a; 如果服务器发生了宕机&#xff0c;由于数据恢复是需要点时间&#xff0c;那么这个期间是无法服务新的请求的&#xff1b;如果这台服务器…...

编程日记 2025/8/20 15:53:30