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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

2008-04-09 12:25 831 查看
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,这次终于中国人的成绩超过日本人了。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,我们因为英文劣势,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


#include 


#include 


#include 


#include 


#include 


#include 




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 WIN32


const 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_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 get_best_move()




    ...{


        int row = best_move / N_;


        int col = best_move % N_;


        vector 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 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 SE::search_move(int max_depth)




...{


    leaf_cnt = 1;


    bgn_time = clock();    //³õʼʱ¼ä


    //¼ÆËã±¾´ÎʱÏÞ


    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)




        ...{


            //»¹ÓÐʱ¼ä£¿


            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;    //Ôö¼ÓÓõôµÄʱ¼ä


    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±íʾkillersÎÞЧ£¡




    ...{


        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 move(int row, int col);


    vector init(int N, int row, int col);


private:


    int N_;


    SE se;


    void do_move(int row, int col, int color);


};




vector 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 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 PseudoTonga::move(int row, int col)




...{


    do_move(row, col, svr_color);


    cout << "server: row = " << row << ",  col = " << col << "; ";


    vector 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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