（感谢网友 @bnu_chenshuo 投稿）

华容道是一个有益的智力游戏，游戏规则不再赘述。用计算机求解华容道也是一道不错的编程练习题，为了寻求最少步数，求解程序一般用广度优先搜索算法。华容道的一种常见开局如图 1 所示。

广度优先搜索算法求解华容道的基本步骤：

1. 准备两个“全局变量”，队列 Q 和和集合 S，S 代表“已知局面”。初时 Q 和 S 皆为空。
2. 将初始局面加入队列 Q 的末尾，并将初始局面设为已知。
3. 当队列不为空时，从 Q 的队首取出当前局面 curr。如果队列为空则结束搜索，表明无解。
4. 如果 curr 是最终局面（曹操位于门口，图 2），则结束搜索，否则继续到第 5 步。
5. 考虑 curr 中每个可以移动的棋子，试着上下左右移动一步，得到新局面 next，如果新局面未知（next ∉ S），则把它加入队列 Q，并设为已知。这一步可能产生多个新局面。
6. 回到第2步。

其中“局面已知”并不要求每个棋子的位置相同，而是指棋子的投影的形状相同（代码中用 mask 表示），例如交换图 1 中的张飞和赵云并不产生新局面，这一规定可以大大缩小搜索空间。

以上步骤很容易转换为 C++ 代码，这篇文章重点关注的是第 5 步的实现。

// 第 1 步
std::unordered_set<Mask> seen;
std::deque<State> queue;

// 第 2 步
State initial;
// 填入 initial，略。
queue.push_back(initial);
seen.insert(initial.toMask());

// 第 3 步
while (!queue.empty())
{
  const State curr = queue.front();
  queue.pop_front();

  // 第 4 步
  if (curr.isSolved())
    break;

  // 第 5 步
  for (const State& next : curr.moves())
  {
    auto result = seen.insert(next.toMask());
    if (result.second)
      queue.push_back(next);
  }
}

在以上原始实现中，curr.move() 将返回一个 std::vector<State> 临时对象。一种节省开销的办法是准备一个 std::vector<State> “涂改变量”，让 curr.move() 反复修改它，比如改成：

// 第 1 步新增一个 scratch 变量
std::vector<State> nextMoves;

// 第 3 步
while (!queue.empty())
{
  // ...
  // 第 5 步
  curr.fillMoves(&nextMoves);
  for (const State& next : nextMoves)
  { /* 略 */ }
}

还有一种彻底不用这个 std::vector<State> 的办法，把一部分逻辑以 lambda 的形式传给 curr.move()，代码的结构基本不变：

// 第 3 步
while (!queue.empty())
{
  // ...
  // 第 5 步
  curr.move([&seen, &queue](const State& next) {
    auto result = seen.insert(next.toMask());
    if (result.second)
      queue.push_back(next);
  });
}

这样一来，主程序的逻辑依然清晰，不必要的开销也降到了最小。

在我最早的实现中，curr.move() 的参数是 const std::function<void(const State&)> &，但是我发现这里每次构造 std::function<void(const State&)> 对象都会分配一次内存，似乎有些不值。因此在现在的实现中 curr.move() 是个函数模板，这样就能自动匹配lambda参数（通常是个 struct 对象），省去了 std::function的内存分配。

本文完整的代码见 https://github.com/chenshuo/recipes/…/puzzle/huarong.cc，需用 GCC 4.7 编译，求解图 1 的题目的耗时约几十毫秒。

练习：修改程序，打印每一步移动棋子的情况。

（感谢网友 @bnu_chenshuo 投稿）

C++ 的一个常见面试题是让你实现一个 String 类，限于时间，不可能要求具备 std::string 的功能，但至少要求能正确管理资源。具体来说：

1. 能像 int 类型那样定义变量，并且支持赋值、复制。
2. 能用作函数的参数类型及返回类型。
3. 能用作标准库容器的元素类型，即 vector/list/deque 的 value_type。（用作 std::map 的 key_type 是更进一步的要求，本文从略）。

换言之，你的 String 能让以下代码编译运行通过，并且没有内存方面的错误。

void foo(String x)
{
}

void bar(const String& x)
{
}

String baz()
{
  String ret("world");
  return ret;
}

int main()
{
  String s0;
  String s1("hello");
  String s2(s0);
  String s3 = s1;
  s2 = s1;

  foo(s1);
  bar(s1);
  foo("temporary");
  bar("temporary");
  String s4 = baz();

  std::vector<String> svec;
  svec.push_back(s0);
  svec.push_back(s1);
  svec.push_back(baz());
  svec.push_back("good job");
}

本文给出我认为适合面试的答案，强调正确性及易实现（白板上写也不会错），不强调效率。某种意义上可以说是以时间（运行快慢）换空间（代码简洁）。

首先选择数据成员，最简单的 String 只有一个 char* 成员变量。好处是容易实现，坏处是某些操作的复杂度较高（例如 size() 会是线性时间）。为了面试时写代码不出错，本文设计的 String 只有一个 char* data_成员。而且规定 invariant 如下：一个 valid 的 string 对象的 data_ 保证不为 NULL，data_ 以 '\0' 结尾，以方便配合 C 语言的 str*() 系列函数。

其次决定支持哪些操作，构造、析构、拷贝构造、赋值这几样是肯定要有的（以前合称 big three，现在叫 copy control）。如果钻得深一点，C++11的移动构造和移动赋值也可以有。为了突出重点，本文就不考虑 operator[] 之类的重载了。

这样代码基本上就定型了：

#include <utility>
#include <string.h>

class String
{
 public:
  String()
    : data_(new char[1])
  {
    *data_ = '\0';
  }

  String(const char* str)
    : data_(new char[strlen(str) + 1])
  {
    strcpy(data_, str);
  }

  String(const String& rhs)
    : data_(new char[rhs.size() + 1])
  {
    strcpy(data_, rhs.c_str());
  }
  /* Delegate constructor in C++11
  String(const String& rhs)
    : String(rhs.data_)
  {
  }
  */

  ~String()
  {
    delete[] data_;
  }

  /* Traditional:
  String& operator=(const String& rhs)
  {
    String tmp(rhs);
    swap(tmp);
    return *this;
  }
  */
  String& operator=(String rhs) // yes, pass-by-value
  {
    swap(rhs);
    return *this;
  }

  // C++ 11
  String(String&& rhs)
    : data_(rhs.data_)
  {
    rhs.data_ = nullptr;
  }

  String& operator=(String&& rhs)
  {
    swap(rhs);
    return *this;
  }

  // Accessors

  size_t size() const
  {
    return strlen(data_);
  }

  const char* c_str() const
  {
    return data_;
  }

  void swap(String& rhs)
  {
    std::swap(data_, rhs.data_);
  }

 private:
  char* data_;
};

注意代码的几个要点：

1. 只在构造函数里调用 new char[]，只在析构函数里调用 delete[]。
2. 赋值操作符采用了《C++编程规范》推荐的现代写法。
3. 每个函数都只有一两行代码，没有条件判断。
4. 析构函数不必检查 data_ 是否为 NULL。
5. 构造函数 String(const char* str) 没有检查 str 的合法性，这是一个永无止境的争论话题。这里在初始化列表里就用到了 str，因此在函数体内用 assert() 是无意义的。

这恐怕是最简洁的 String 实现了。

练习1：增加 operator==、operator<、operator[] 等操作符重载。

练习2：实现一个带 int size_; 成员的版本，以空间换时间。

练习3：受益于右值引用及移动语意，在 C++11 中对 String 实施直接插入排序的性能比C++98/03要高，试编程验证之。（g++的标准库也用到了此技术。）

陈皓注：同时，大家可以移步看看我的一篇老文《STL中String类的问题》