【Leetcode hot 100】51.N皇后

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51.N皇后

问题描述

按照国际象棋的规则，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。

n 皇后问题研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上，并且使皇后彼此之间不能相互攻击。

给你一个整数 n ，返回所有不同的 n 皇后问题 的解决方案。

每一种解法包含一个不同的 n 皇后问题的棋子放置方案，该方案中 'Q' 和 '.' 分别代表了皇后和空位。

示例 1：

输入：n = 4

输出： $\[".Q...","...Q","Q...","...Q."$ , $"...Q.","Q...","...Q",".Q..."$ ]

解释：如上图所示，4 皇后问题存在两个不同的解法。

示例 2：

输入：n = 1

输出： $\["Q"$ ]

提示：

1 <= n <= 9

问题解答

解题思路

核心约束：皇后不能同行、同列、同斜线（45°和135°），因此可通过「按行放置」规避同行问题（每行仅放1个皇后）。
回溯逻辑 ：
- 终止条件 ：当遍历到第 n 行（行号从0开始）时，说明所有皇后已合法放置，将当前棋盘加入结果集。
- 递归尝试 ：对当前行的每一列，判断该位置是否合法（无同列、同斜线皇后），若合法则放置皇后，递归处理下一行，最后回溯（撤销当前皇后，尝试下一列）。
合法性校验 ：
- 检查当前列的上方是否有皇后（同列约束）。
- 检查当前位置左上斜线（行-1、列-1方向）是否有皇后（45°约束）。
- 检查当前位置右上斜线（行-1、列+1方向）是否有皇后（135°约束）。

完整 Java 代码

java 复制代码

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

class Solution {
    // 存储所有合法的 N 皇后方案
    private List<List<String>> result = new ArrayList<>();

    public List<List<String>> solveNQueens(int n) {
        // 初始化棋盘：n×n 大小，初始值为 '.'（空位）
        char[][] chessboard = new char[n][n];
        for (char[] row : chessboard) {
            Arrays.fill(row, '.');
        }
        // 从第 0 行开始回溯
        backtrack(n, 0, chessboard);
        return result;
    }

    /**
     * 回溯函数：尝试在第 row 行放置皇后
     * @param n 棋盘大小
     * @param row 当前处理的行号（从0开始）
     * @param chessboard 当前棋盘状态
     */
    private void backtrack(int n, int row, char[][] chessboard) {
        // 终止条件：所有行都已放置皇后（row == n）
        if (row == n) {
            // 将 char[][] 棋盘转换为 List<String> 格式，加入结果集
            result.add(convertChessboard(chessboard));
            return;
        }

        // 遍历当前行的每一列，尝试放置皇后
        for (int col = 0; col < n; col++) {
            // 校验当前位置 (row, col) 是否合法
            if (isValid(row, col, chessboard, n)) {
                // 放置皇后
                chessboard[row][col] = 'Q';
                // 递归处理下一行
                backtrack(n, row + 1, chessboard);
                // 回溯：撤销当前位置的皇后，尝试下一列
                chessboard[row][col] = '.';
            }
        }
    }

    /**
     * 校验 (row, col) 位置是否合法（无同列、同斜线皇后）
     * @param row 当前行号
     * @param col 当前列号
     * @param chessboard 棋盘状态
     * @param n 棋盘大小
     * @return 合法返回 true，否则 false
     */
    private boolean isValid(int row, int col, char[][] chessboard, int n) {
        // 1. 检查当前列的上方是否有皇后（同列约束）
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            if (chessboard[i][col] == 'Q') {
                return false;
            }
        }

        // 2. 检查左上斜线（行-1，列-1）是否有皇后（45°约束）
        for (int i = row - 1, j = col - 1; i >= 0 && j >= 0; i--, j--) {
            if (chessboard[i][j] == 'Q') {
                return false;
            }
        }

        // 3. 检查右上斜线（行-1，列+1）是否有皇后（135°约束）
        for (int i = row - 1, j = col + 1; i >= 0 && j < n; i--, j++) {
            if (chessboard[i][j] == 'Q') {
                return false;
            }
        }

        return true;
    }

    /**
     * 将 char[][] 格式的棋盘转换为 List<String> 格式
     * @param chessboard 原始棋盘
     * @return 转换后的字符串列表
     */
    private List<String> convertChessboard(char[][] chessboard) {
        List<String> board = new ArrayList<>();
        for (char[] row : chessboard) {
            board.add(new String(row));
        }
        return board;
    }
}

代码解释

初始化棋盘 ：通过 char[][] 存储棋盘（String 不可变，char 数组更易修改），初始所有位置为 .。
回溯函数 backtrack ：
- 按行遍历，每行尝试所有列；
- 合法位置放置皇后后，递归处理下一行；
- 递归返回后回溯（恢复为 .），确保后续尝试不受影响。
合法性校验 isValid ：
- 仅需检查「上方」的列和斜线（下方未处理，无皇后），减少冗余计算；
- 斜线遍历通过「行-1、列±1」实现，边界条件（i >=0、j >=0、j <n）避免数组越界。
棋盘转换 convertChessboard ：将 char[][] 每行转换为 String，符合题目返回格式 List<List<String>>。

复杂度分析

时间复杂度 ：O(n! * n)。n! 是所有可能的列选择（每行1列，无同列），每个方案需 O(n²) 校验合法性（实际优化后为 O(n)，仅检查上方），整体近似 O(n! * n)。
空间复杂度 ：O(n²)。递归栈深度为 n（行号从0到n-1），棋盘存储为 n²，结果集存储所有方案（最坏情况 O(n! * n)，不计入算法本身空间）。