较高人工智能的人机博弈程序实现(多个算法结合)含C++源码

本文由恋花蝶最初发表于http://blog.csdn.net/lanphaday 上，您可以转载、引用、打印和分发等，但必须保留本文完整和包含本声明，否则必究责任。

到昨天晚上，Topcoder Marathon Match 6结束了，我取得了第18名的成绩，已经是自己参加Marathon四次以来的最好名次啦，高兴ing。因为这次的题目比较偏：写一个人工智能程序和服务器端的程序进行博弈。人机博弈是一门比较专的学科，大部分中国高手都不能快速的在比赛中学习和实现一些复杂的算法，以致成绩不太如意；我挟之前对这方面的了解，做得还算行，所以把代码公开出来，可以多一点中文方面的资料和源码给大家参考，我也感到非常荣幸。
比赛的题目请看这里：http://www.topcoder.com/longcontest/?module=ViewProblemStatement&rd=10118&pm=6759 主要的游戏规则也是在这里的，我就不在这里重复啦，主要讲讲我的代码用到了什么算法。麻将虽小，五脏俱全，主要应用的算法有主要变量搜索(PVS)、历史启发(HH)、杀手启发(KH)、Null Move和迭代深化(ID)，可惜后来不够时间实现置换表(TT)，不然可以多一个算法了。代码里还实现了时间控制策略，可以几乎用尽20秒的测试时间，为争取更好的着法提供了保证。还有值得一提的是棋盘表示，我使用了棋盘表、棋子位置表结合的方式来表示，后来发现加上空位表的话，可以加快不少走法生成和估值的速度。反正棋盘表示是一切的基础，一种好的表示方法可以带来很大的性能提升。对于代码，大家注意class SE里的search_move和pvs两个函数，上述的算法和策略都在那里。class MG是关于棋盘表示、走法生成和估值的，class KH和class HH分别是杀手启发和历史启发。Null Move是简单有效的算法，不过我的实现里是比较简单的那种，如果有兴趣，可以查询其它资料。

讲了这么多，应该说一下这份代码的计算能力：以6*6的棋盘为例，这份代码在VC6的release模式下编译运行可以在1秒内搜索并评估83万个叶子节点，计算层次在8-9层；如果用MiniMax算法不进行剪枝，只能搜索到3-4层（测试机器皆为超线程P4 3.0G＋1G内存）。这就是算法的力量吧。另声明一下，本代码未作优化，不代表我不懂，只是没有时间，看的朋友请海涵了。

下面是代码，在VC和G++上皆可编译、执行

因为比赛期间写的，代码比较乱，但整体的风格还是可以的，复制到IDE上看可能会更好看些。

代码如下：

#include  < iostream > #include  < cstdlib > #include  < ctime > #include  < cassert > #include  < vector > #include  < algorithm > using   namespace  std;typedef unsigned  int  UINT;typedef UINT MOVE;const   int  INFINITY  =   100000000 ;const   int  MAX_DEPTH  =   16 ;const  UINT max_board_size  =   256 ;const  UINT max_stones_cnt  =   256 ;const  UINT empty  =   0 ;const  UINT my_color  =   1 ;const  UINT svr_color  =   2 ;#ifdef WIN32const  clock_t all_time  =   19200 ;#else const  clock_t all_time  =   19200000 ;#endif const  UINT check_time_cnt  =   0x00001fff ;#define  is_empty(x) (x==empty) #define  opp_color(x) (x==my_color?svr_color:my_color) int  leaf_cnt  =   0 ;class  MG{private :UINT N_;UINT board_[max_board_size];UINT stones_[max_stones_cnt];private :void  extend(UINT pos, unsigned  char *  eht, unsigned  char *  est, UINT &  area, UINT &  round);public :MOVE move_table[MAX_DEPTH][max_board_size];UINT curr_stones_cnt;UINT curr_board_size;void  set_N( int  n) {N_  =  n;curr_board_size  =  n * n;curr_stones_cnt  =   0 ;memset(board_,  0 ,  sizeof (UINT) * max_board_size);memset(stones_,  0 ,  sizeof (UINT) * max_stones_cnt);} void  make_move( int  idx,  int  color) {board_[idx] = color;stones_[curr_stones_cnt ++ ]  =  idx;} void  unmake_move( int  idx) {board_[idx]  =  empty;-- curr_stones_cnt;} inline  bool  is_game_over() { return  curr_stones_cnt  ==  curr_board_size;} UINT gen_move( int  depth);int  evaluatoin( int  color);int  evaluatoin_4_end( int  color);void  print_board(){int  cnt  =   0 ;for (UINT i  =   0 ; i  <  curr_board_size;  ++ i){if (is_empty(board_[i]))cout  <<   " o  " ;else cout  <<  ((board_[i] == my_color) ? " @  " : " -  " );++ cnt;if (cnt  ==  N_){cnt  =   0 ;cout  <<  endl;} } } bool  can_move(MOVE move) { return  is_empty(board_[move]);} void  remove_killers( int  depth,  int  move_cnt, MOVE *  killers,  int  killers_cnt){for ( int  i  =   0 ; i  <  killers_cnt;  ++ i){MOVE m  =  killers[i];for ( int  j  =   0 ; j  <  move_cnt;  ++ j){if (move_table[depth][j]  !=  m)continue ;for ( int  k  =  j + 1 ; k  <  move_cnt;  ++ k){move_table[depth][k - 1 ]  =  move_table[depth][k];} break ;} } } } ;UINT MG::gen_move( int  depth){int  cnt  =   0 ;for (UINT i  =   0 ; i  <  curr_board_size;  ++ i){if (is_empty(board_[i]))move_table[depth][cnt ++ ]  =  i;} return  cnt;} int  MG::evaluatoin( int  color){if (curr_stones_cnt + 1   ==  curr_board_size){for ( int  i  =   0 ; i  <  curr_board_size;  ++ i){if (is_empty(board_[i])){board_[i]  =  color;int  value  =   - evaluatoin_4_end(opp_color(color));board_[i]  =  empty;return  value;} } } ++ leaf_cnt;unsigned  char  extended_hash_table[max_board_size]  =   { 0 } ;int  my_score  =   0 , svr_score  =   0 ;for (UINT i  =   0 ; i  <  curr_stones_cnt;  ++ i){UINT pos  =  stones_[i];if (extended_hash_table[pos])continue ;UINT area  =   0 , round  =   0 ;unsigned  char  extended_space_table[max_board_size]  =   { 0 } ;extend(pos, extended_hash_table, extended_space_table, area, round);if (board_[pos]  ==  my_color){my_score  +=  area * area * round;} else {svr_score  +=  area * area * round;} } if (color  ==  my_color)return  my_score  -  svr_score;return  svr_score  -  my_score;} int  MG::evaluatoin_4_end( int  color){++ leaf_cnt;unsigned  char  extended_hash_table[max_board_size]  =   { 0 } ;int  my_score  =   0 , svr_score  =   0 ;for (UINT i  =   0 ; i  <  curr_stones_cnt;  ++ i){UINT pos  =  stones_[i];if (extended_hash_table[pos])continue ;UINT area  =   0 , round  =   0 ;unsigned  char  extended_space_table[max_board_size]  =   { 0 } ;extend(pos, extended_hash_table, extended_space_table, area, round);if (board_[pos]  ==  my_color){my_score  +=  area * area;} else {svr_score  +=  area * area;} } if (color  ==  my_color)return  my_score  -  svr_score;return  svr_score  -  my_score;} void  MG::extend(UINT pos, unsigned  char *  eht, unsigned  char *  est, UINT &  area, UINT &  round){const  UINT round_cnt  =   4 ;int   is [round_cnt]  =   { - N_,  - 1 ,  1 , N_} ;++ area;eht[pos]  =   1 ;for (UINT i  =   0 ; i  <  round_cnt;  ++ i){int  new_idx  =  pos  +   is [i];if (new_idx  <   0   ||  new_idx  >=  curr_board_size)continue ;if (i  ==   1   &&  pos  %  N_  ==   0 )continue ;if (i  ==   2   &&  new_idx  %  N_  ==   0 )continue ;if (is_empty(board_[new_idx])  &&  ( ! est[new_idx])){++ round;est[new_idx]  =   1 ;continue ;} if (eht[new_idx])continue ;if (board_[new_idx]  ==  board_[pos])extend(new_idx, eht, est, area, round);} } class  HH{private :UINT board_[ 2 ][max_board_size];public :void  reset() {memset(board_,  0 ,  sizeof (UINT) * max_board_size);} void  update_value( int  depth,  int  color, MOVE move);MOVE get_best(MOVE *  move_list,  int  color,  int  cnt);} ;void  HH::update_value( int  depth,  int  color, MOVE move){board_[color - 1 ][move]  +=  ( 1   <<  depth);} MOVE HH::get_best(MOVE *  move_list,  int  color,  int  cnt){int  real_color  =  color - 1 ;MOVE *  p  =  move_list;int  best  =  board_[real_color][ * move_list];int  best_idx  =   0 ;for ( int  i  =   1 ; i  <  cnt;  ++ i){++ move_list;if (board_[real_color][ * move_list]  <=  best)continue ;best  =  board_[real_color][ * move_list];best_idx  =  i;} MOVE tmp  =   * p;* p  =  p[best_idx];p[best_idx]  =  tmp;return   * p;} struct  KH_item{MOVE move;int  cnt;} ;class  less_than{public :inline  bool   operator ()( const  KH_item &  lhs,  const  KH_item &  rhs){return  lhs.cnt  <  rhs.cnt;} } ;const   int  max_kh_item_cnt  =   4 ;class  KH{private :KH_item KH_table[MAX_DEPTH][max_kh_item_cnt];int  cnt_table[MAX_DEPTH];public :void  add_to_kh(MOVE move,  int  depth){int  cnt_mini_idx  =   0 ;int  cnt_mini  =  KH_table[depth][ 0 ].cnt;int  i  =   0 ;for (i  =   0 ; i  <  cnt_table[depth];  ++ i){KH_item &  tmp  =  KH_table[depth][i];if (tmp.move  ==  move){++ tmp.cnt;return ;} if (tmp.cnt  <  cnt_mini){cnt_mini_idx  =  i;cnt_mini  =  tmp.cnt;} } if (i  <  max_kh_item_cnt){KH_table[depth][i].move  =  move;++ (cnt_table[depth]);} else {KH_item &  tmp  =  KH_table[depth][cnt_mini_idx];tmp.move  =  move;tmp.cnt  =   1 ;} } int  get_killers(MOVE *  killers,  int  depth){sort < KH_item *> (KH_table[depth], KH_table[depth] + cnt_table[depth], less_than());int  i  =   0 ;for (i  =   0 ; i  <  cnt_table[depth];  ++ i){killers[i]  =  KH_table[depth][i].move;} return  i;} void  reset(){memset(cnt_table,  0 ,  sizeof ( int ) * MAX_DEPTH);memset(KH_table,  0 ,  sizeof (KH_item) * MAX_DEPTH * max_kh_item_cnt);} } ;class  SE{private :MG mg;HH hh;KH kh;int  N_;int  best_move;int  max_depth_;public :void  print_board(){mg.print_board();} void  set_N( int  N){N_  =  N;used_time  =   0 ;best_move  =   0xffff ;mg.set_N(N);} vector < int >  get_best_move(){int  row  =  best_move  /  N_;int  col  =  best_move  %  N_;vector < int >  move;move.push_back(row);move.push_back(col);return  move;} void  do_move( int  row,  int  col,  int  color){mg.make_move(row * N_ + col, color);} void  make_sure_best_move_first(MOVE *  moves,  int  cnt, MOVE best_move);vector < int >  search_move( int  max_depth);int  pvs( int ,  int ,  int ,  int ,  int );private :clock_t bgn_time;clock_t used_time;clock_t curr_time_limit;} ;void  SE::make_sure_best_move_first(MOVE *  moves,  int  cnt, MOVE best_move){for ( int  i  =   0 ; i  <  cnt;  ++ i){if (moves[i]  ==  best_move){moves[i]  =  moves[ 0 ];moves[ 0 ]  =  best_move;} } } vector < int >  SE::search_move( int  max_depth){leaf_cnt  =   1 ;bgn_time  =  clock();     // ³õÊ¼Ê±¼ä// ¼ÆËã±¾´ÎÊ±ÏÞ UINT leave_space_cnt  =  mg.curr_board_size  -  mg.curr_stones_cnt;if (leave_space_cnt  >=   2 )leave_space_cnt  /=   2 ;curr_time_limit  =  (all_time  -  used_time)  /  leave_space_cnt;if (curr_time_limit  >  all_time  ||  curr_time_limit  <   0 ){curr_time_limit  =   1 ;} if (leave_space_cnt  <  mg.curr_board_size / 3 )curr_time_limit  =  (( double )curr_time_limit)  *  ( 1.4 );else   if (leave_space_cnt  <  mg.curr_board_size / 2 )curr_time_limit  =  (( double )curr_time_limit)  *  ( 1.3 );if (N_  >   12 )curr_time_limit  =  (( double )curr_time_limit)  *  ( 0.9 );hh.reset();kh.reset();int  md  =   0 ;int  backup_max_depth  =  max_depth;while (md  <  max_depth){++ md;max_depth_  =  md;pvs(md, my_color,  0 ,  - INFINITY, INFINITY);if (max_depth  >=  backup_max_depth){// »¹ÓÐÊ±¼ä£¿ if (clock() - bgn_time  <  curr_time_limit){// ²»»á¶ÑÕ»Òç³ö£¿ÔÙËã¶àÒ»²ã if (max_depth  <  MAX_DEPTH  -   1 )++ max_depth;} } if (clock() - bgn_time  >=  curr_time_limit){break ;} } clock_t curr_used  =  clock()  -  bgn_time;used_time  +=  curr_used;     // Ôö¼ÓÓÃµôµÄÊ±¼ä return  get_best_move();} int  SE::pvs( int  depth,  int  color,  int  nullmove,  int  alpha,  int  beta){if (mg.is_game_over())return  mg.evaluatoin_4_end(color);if (depth  <=   0 )return  mg.evaluatoin(color);if ((leaf_cnt  &  check_time_cnt)  ==   0 )     // ¼ì²âÊÇ·ñ³¬Ê± {if (clock() - bgn_time  >=  curr_time_limit)return  mg.evaluatoin(color);} //  Null Move if (depth  <  max_depth_  &&  nullmove  ==   0 ){int  value  =   - pvs(depth - 2 , opp_color(color),  1 ,  - alpha - 1 ,  - alpha);if (value  >=  beta){return  value;} } //  killer move int  best;MOVE bm  =   0xffff ;MOVE killers[max_kh_item_cnt];int  killers_cnt  =  kh.get_killers(killers, depth);if (killers_cnt  >   0   &&  depth  ==  max_depth_)make_sure_best_move_first(killers, killers_cnt, best_move);for ( int  k  =   0 ; k  <  killers_cnt;  ++ k){MOVE m  =  killers[k];if ( ! mg.can_move(m))continue ;mg.make_move(m, color);best  =   - pvs(depth - 1 , opp_color(color),  0 ,  - alpha - 1 ,  - alpha);if (best  >=  beta){if (depth  ==  max_depth_)best_move  =  m;kh.add_to_kh(m, depth);hh.update_value(depth, color, m);mg.unmake_move(m);return  best;} else   if (best  >  alpha){alpha  =  best;bm  =  m;} mg.unmake_move(m);if ((leaf_cnt  &  check_time_cnt)  ==   0 )     // ¼ì²âÊÇ·ñ³¬Ê± {if (clock() - bgn_time  >=  curr_time_limit)break ;} } //  PVS int  move_cnt  =  mg.gen_move(depth);if (depth  ==  max_depth_)make_sure_best_move_first(mg.move_table[depth], move_cnt, best_move);if (killers_cnt  ==   0   ||  bm  ==   0xffff )  //  bm == 0xffff±íÊ¾killersÎÞÐ§£¡ {if (depth  ==  max_depth_)bm  =  mg.move_table[depth][ 0 ];else bm  =  hh.get_best(mg.move_table[depth], color, move_cnt);mg.make_move(bm, color);best  =   - pvs(depth - 1 , opp_color(color),  0 ,  - beta,  - alpha);mg.unmake_move(bm);} else {//  remove killers from move_table if (killers_cnt  >   0 )mg.remove_killers(depth, move_cnt, killers, killers_cnt);MOVE bm_;if (depth  ==  max_depth_)bm_  =  mg.move_table[depth][ 0 ];else bm_  =  hh.get_best(mg.move_table[depth], color, move_cnt);mg.make_move(bm_, color);int  best_  =   - pvs(depth - 1 , opp_color(color),  0 ,  - beta,  - alpha);if (best_  >  best){best  =  best_;bm  =  bm_;} mg.unmake_move(bm_);} for ( int  i  =   1 ; i  <  move_cnt;  ++ i){if (best  >=  beta)break ;if (best  >  alpha)alpha  =  best;if ((leaf_cnt  &  check_time_cnt)  ==   0 )     // ¼ì²âÊÇ·ñ³¬Ê± {if (clock() - bgn_time  >=  curr_time_limit)break ;} MOVE m  =  hh.get_best(mg.move_table[depth] + i, color, move_cnt - i);mg.make_move(m, color);int  value  =   - pvs(depth - 1 , opp_color(color),  0 ,  - alpha - 1 ,  - alpha);if (value  >  alpha  &&  value  <  beta){best  =   - pvs(depth - 1 , opp_color(color),  0 ,  - beta,  - value);bm  =  m;} else   if (value  >  best){best  =  value;bm  =  m;} mg.unmake_move(m);} if (depth  ==  max_depth_)best_move  =  bm;if (best  >=  alpha){kh.add_to_kh(bm, depth);hh.update_value(depth, color, bm);} return  best;} class  PseudoTonga{public :vector < int >  move( int  row,  int  col);vector < int >  init( int  N,  int  row,  int  col);private :int  N_;SE se;void  do_move( int  row,  int  col,  int  color);} ;vector < int >  PseudoTonga::init( int  N,  int  row,  int  col){N_  =  N;se.set_N(N);int  r  =   0 , c  =   0 ;if (row  >=   0   ||  col  >=   0 ){return  move(row, col);} vector < int >  move;r  =  c  =  N / 2 ;do_move(r, c, my_color);move.push_back(r);move.push_back(c);cout  <<   " player: row =  "   <<  move[ 0 ]  <<   " ,  col =  "   <<  move[ 1 ]  <<   " ; "  ;return  move;} vector < int >  PseudoTonga::move( int  row,  int  col){do_move(row, col, svr_color);cout  <<   " server: row =  "   <<  row  <<   " ,  col =  "   <<  col  <<   " ; " ;vector < int >  move;int  d  =   3 ;move  =  se.search_move(d);do_move(move[ 0 ], move[ 1 ], my_color);cout  <<   " player: row =  "   <<  move[ 0 ]  <<   " ,  col =  "   <<  move[ 1 ]  <<   " ; " ;cout  <<   " leaf count is  "   <<  leaf_cnt  <<  endl;return  move;} void  PseudoTonga::do_move( int  row,  int  col,  int  color){se.do_move(row, col, color);}int main()
{PseudoTonga pt;pt.init(6, 2, 2);pt.move(2,4);return 0;
}

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