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FE.GAME-五子棋AI博弈算法实践

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最终目标

使用nodejs实现控制台人机对战五子棋,人先着,一方赢后停止交互。(如下图gif)FE.GAME-五子棋AI博弈算法实践

人机对弈的程序主要构成

  • 某种在机器中表示棋局的方法,能够让程序知道博弈的状态。
  • 产生合法走法的规则,以使博弈公正地进行,并可判断人类对手是否乱走。
  • 从所有合法的走法中选择最佳的走法的技术。
  • 一种评估局面优劣的方法,用以同上面的技术配合做出智能的选择。
  • 一个界面,有了它,这个程序才能用。

本程序主要构成部分

本篇按由易到难的顺序分别讲述以下主要部分的实现

  • drawBoard 棋盘局面绘制
  • isEnd 判断该局结束
  • getMark 当前局面估值
  • abnegamax 一个minimax算法,用于双方对弈的决策树搜索

drawBoard 棋盘局面绘制

通过映射 1: '●', '-1': '○', 0: '+'局面绘制输出到控制台

function drawBoard(board, cursor) {
    if (typeof board === 'string')
        board = board.replace(/(\d{16})/g, "$1,").slice(0, -1).split(',').map(v => v.split('').map(v => v == 2 ? '-1' : v))
    console.log((cursor ? "人" : "机") + "  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F")
    for (let i = 0; i < board.length; i++)
        console.log((i > 9 ? i : ' ' + i) + ' ' + board[i].map((v, j) => {
            if (cursor && cursor.x === j && cursor.y === i)
                return '◎'
            return ({ 1: '●', '-1': '○', 0: '+' })[v]
        }).join(''))
}

人着子时,通过方向键控制'◎'代表将落子的位置,当按回车时确定落子

process.stdin.on('keypress', (str, key) => {
    if (key.name === 'return') {

    } else {
        switch (key.name) {
            case 'up': cursor.y = cursor.y - 1; break;
            case 'down': cursor.y = cursor.y + 1; break;
            case 'left': cursor.x = cursor.x - 1; break;
            case 'right': cursor.x = cursor.x + 1; break;
        }
        cursor.x = Math.min(15, Math.max(0, cursor.x))
        cursor.y = Math.min(15, Math.max(0, cursor.y))
        drawBoard(chessBoard.join(''), cursor)
    }

isEnd 判断该局结束

每当落子后,通过统计当前落子位置为起点的4条线(横竖撇捺)是否有五子连珠

function isEnd(x, y, chessBoard) {
    let vect = [[-1, 0], [-1, 1], [0, 1], [1, 1]]
    let qi = chessBoard[y][x]
    for (let i = 0; i < 4; i++) {
        let a = 1; let b = 1;
        while (chessBoard[y + vect[i][0] * a] && chessBoard[y + vect[i][0] * a][x + vect[i][1] * a] === qi) 
            a++
        while (chessBoard[y - vect[i][0] * b] && chessBoard[y - vect[i][0] * b][x - vect[i][1] * b] === qi) 
            b++
        if (a + b > 5) return true
    }
    return false;
}

getMark 当前局面估值

遍历每个格子的4条线(横竖撇捺)的连子数评分求和作为局面分打分参考:

连子得分连子得分
活51<<16眠51<<15
活41<<12眠41<<11
活31<<8眠31<<7
活21<<6眠21<<5
其他1
function getScore(cnt, flag) {
    flag = flag ? 0 : 1;
    switch (cnt) {
        case 5: return 1 << (15 + flag)
        case 4: return 1 << (11 + flag)
        case 3: return 1 << (7 + flag)
        case 2: return 1 << (5 + flag)
        default: return 1
    }
}

minimax 决策算法相关

可以直接看视频 https://www.bilibili.com/vide... 学习以下为nodejs实现描述

关于节点的数据结构(走法产生)

Nod类的属性属性对应的描述
board局面信息
cur刚才最后落子的一方
nxt接下来要着子的一方
deep当前节点深度
pos记录落子位置
mark当前局面评分
children()子节点
class Nod {
    constructor({ board, cur, nxt, deep, pos }) {
        this.board = board;
        this.cur = cur;
        this.nxt = nxt;
        this.deep = deep;
        this.pos = pos;
        this.mark = getMark(this.board);
    }
    children() {
        const arr = [];
        const reg = /0/g;
        while (reg.exec(this.board) != null) {
            arr.push(new Nod({
                board: this.board.slice(0, reg.lastIndex - 1) + this.nxt + this.board.slice(reg.lastIndex),
                cur: this.nxt,
                nxt: this.cur,
                deep: this.deep + 1,
                pos: [...this.pos, reg.lastIndex - 1]
            }));
        }
        return arr;
    }
}

minimax

又名极小化极大算法,是一种找出失败的最大可能性中的最小值的算法。

这个算法就是一个树形结构的递归算法,每个节点的孩子和父节点都是对方玩家,所有的节点被分为极大值(我方)节点和极小值(对方)节点。

也就是每次对方玩家都做最佳决策的情况下的决策路径下,我方依旧是优势最大的那个

function minimax(node, MAXDEEP) {
    if (node.deep >= MAXDEEP) return node;
    let arr = node.children().map(v => minimax(v, MAXDEEP));
    if (node.deep % 2)//min
        return arr.sort((a, b) => a.mark - b.mark)[0]
    else
        return arr.sort((a, b) => b.mark - a.mark)[0]
}

negamax

"负极值(Negamax)算法"是在"极大极小值(MiniMax)算法"提出近20年后才做一个小改进,在程序功能和效率上是没有区别的... 唯一不同之处是前者更看起来简洁(后者一会儿取极大,一会儿取极小).你可以发现NegaMax在传递参数时用-alpha,来起到反向取极大(也就是负极大值)的作用,因此不需要一次判断取极大,一次判断取最极小,实际上它也是在"正极大"和"负极大"间相互交替进行,原理是一样而实现手法不同。

function negamax(node, MAXDEEP) {
    if (node.deep >= MAXDEEP) return node;
    let arr = node.children();
    let bestV = arr.map(v => {
        const n = negamax(v, MAXDEEP);
        n.mark = -n.mark
        return n;
    }).sort((a, b) => b.mark - a.mark)[0];
    return bestV;
}

minimax做alpha-beta剪枝

在上述的极大极小算法中,MIN和MAX过程将所有的可能性省搜索树,然后再从端点的估计值倒推计算,这样的效率非常低下。而α-β算法的引入可以提高运算效率,对一些非必要的估计值进行舍弃。

其策略是进行深度优先搜索,当生成结点到达规定深度时,立即进行静态估计,一旦某一个非端点的节点可以确定倒推值的时候立即赋值,节省下其他分支拓展到节点的开销。

const MAXN = 1 << 28;
const MINN = -MAXN;
function abminimax(node, MAXDEEP, a, b) {
    if (node.deep >= MAXDEEP) return node
    let arr = node.childrenit();
    let bestV;
    if (node.deep % 2) {//min
        bestV = { mark: MAXN };
        for (let child of arr) {
            const val = abminimax(child, MAXDEEP, a, b)
            if (val.mark < bestV.mark) {
                bestV = val;
                b = bestV.mark
                if (a >= b) break;
            }
        }
    } else {
        bestV = { mark: MINN };
        for (let child of arr) {
            const val = abminimax(child, MAXDEEP, a, b)
            if (val.mark > bestV.mark) {
                bestV = val;
                b = bestV.mark
                if (a >= b) break;
            }
        }
    }
    return bestV;
}

negamax做alpha-beta剪枝

结合两者优势,代码精简且剪枝优化

const MINN = -(1 << 28);
const MAXDEEP = 2;
function abnegamax(node, a, b) {
    if (node.deep >= MAXDEEP) return node
    let arr = node.childrenit();
    let bestV = { mark: MINN };
    for (let child of arr) {
        const val = abnegamax(child, -b, -Math.max(a, bestV.mark));
        val.mark = -val.mark
        if (val.mark > bestV.mark) {
            bestV = val;
            if (bestV.mark >= b) break;
        }
    }

    return bestV;
}

源码

https://github.com/Seasonley/...