组合游戏系列2: 井字棋Leetcode系列题解和Minimax最佳策略实现

继上一篇介绍了Minimax 和Alpha Beta 剪枝算法之后，本篇选择了Leetcode中的井字棋游戏题目，积累相关代码后实现井字棋游戏并扩展到五子棋和N子棋（战略井字棋），随后用Minimax和Alpha Beta剪枝算法解得小规模下N子棋的游戏结局，并分析其状态数量和每一步的最佳策略。后续篇章中，我们基于本篇代码完成一个N子棋的OpenAI Gym 图形环境，可用于人机对战或机器对战，并最终实现棋盘规模稍大的五子棋或者N子棋中的蒙特卡洛树搜索（MCTS）算法。

• 第一篇: Leetcode中的Minimax 和 Alpha Beta剪枝

• 第二篇: 井字棋Leetcode系列题解和Minimax最佳策略实现

• 第三篇: 井字棋、五子棋的OpenAI Gym GUI环境

• 第四篇: AlphaGo Zero 强化学习算法原理深度分析

• 第五篇: 井字棋、五子棋AlphaGo Zero 算法实战

Leetcode 上的井字棋系列

Leetcode 1275. 找出井字棋的获胜者 (简单)

A 和 B 在一个 3 x 3 的网格上玩井字棋。
井字棋游戏的规则如下：
玩家轮流将棋子放在空方格 (" ") 上。
第一个玩家 A 总是用 "X" 作为棋子，而第二个玩家 B 总是用 "O" 作为棋子。
"X" 和 "O" 只能放在空方格中，而不能放在已经被占用的方格上。
只要有 3 个相同的（非空）棋子排成一条直线（行、列、对角线）时，游戏结束。
如果所有方块都放满棋子（不为空），游戏也会结束。
游戏结束后，棋子无法再进行任何移动。
给你一个数组 moves，其中每个元素是大小为 2 的另一个数组（元素分别对应网格的行和列），它按照 A 和 B 的行动顺序（先 A 后 B）记录了两人各自的棋子位置。
如果游戏存在获胜者（A 或 B），就返回该游戏的获胜者；如果游戏以平局结束，则返回 "Draw"；如果仍会有行动（游戏未结束），则返回 "Pending"。
你可以假设 moves 都 有效（遵循井字棋规则），网格最初是空的，A 将先行动。

示例 1：
输入：moves = [[0,0],[2,0],[1,1],[2,1],[2,2]]
输出："A"
解释："A" 获胜，他总是先走。
"X " "X " "X " "X " "X "
" " -> " " -> " X " -> " X " -> " X "
" " "O " "O " "OO " "OOX"

示例 2： 输入：moves = [[0,0],[1,1],[0,1],[0,2],[1,0],[2,0]]
输出："B"
解释："B" 获胜。
"X " "X " "XX " "XXO" "XXO" "XXO"
" " -> " O " -> " O " -> " O " -> "XO " -> "XO "
" " " " " " " " " " "O "

第一种解法，检查A或者B赢的所有可能情况：某玩家占据8种连线的任意一种情况则胜利，我们使用八个变量来保存所有情况。下面的代码使用了一个小技巧，将moves转换成3x3的棋盘状态数组，元素的值为1，-1和0。1，-1代表两个玩家，0代表空的棋盘格子，其优势在于后续我们只需累加棋盘的值到八个变量中关联的若干个，再检查这八个变量是否满足取胜条件。例如，row[0]表示第一行的状态，当遍历一次所有棋盘格局后，row[0]为第一行的3个格子的总和，只有当row[0] == 3 才表明玩家A占据了第一行，-3表明玩家B占据了第一行。

{linenos

# AC
from typing import List

class Solution:
    def tictactoe(self, moves: List[List[int]]) -> str:
        board = [[0] * 3 for _ in range(3)]
        for idx, xy in enumerate(moves):
            player = 1 if idx % 2 == 0 else -1
            board[xy[0]][xy[1]] = player

        turn = 0
        row, col = [0, 0, 0], [0, 0, 0]
        diag1, diag2 = False, False
        for r in range(3):
            for c in range(3):
                turn += board[r][c]
                row[r] += board[r][c]
                col[c] += board[r][c]
                if r == c:
                    diag1 += board[r][c]
                if r + c == 2:
                    diag2 += board[r][c]

        oWin = any(row[r] == 3 for r in range(3)) or any(col[c] == 3 for c in range(3)) or diag1 == 3 or diag2 == 3
        xWin = any(row[r] == -3 for r in range(3)) or any(col[c] == -3 for c in range(3)) or diag1 == -3 or diag2 == -3

        return "A" if oWin else "B" if xWin else "Draw" if len(moves) == 9 else "Pending"

下面我们给出另一种解法，这种解法虽然代码较多，但可以不必遍历棋盘每个格子，比上一种严格遍历一次棋盘的解法略为高效。原理如下，题目保证了moves过程中不会产生输赢结果，因此我们直接检查最后一个棋子向外的八个方向，若任意方向有三连子，则此玩家获胜。这种解法主要是为后续井字棋扩展到五子棋时判断每个落子是否产生输赢做代码准备。

{linenos

# AC
from typing import List

class Solution:
    def checkWin(self, r: int, c: int) -> bool:
        north = self.getConnectedNum(r, c, -1, 0)
        south = self.getConnectedNum(r, c, 1, 0)

        east = self.getConnectedNum(r, c, 0, 1)
        west = self.getConnectedNum(r, c, 0, -1)

        south_east = self.getConnectedNum(r, c, 1, 1)
        north_west = self.getConnectedNum(r, c, -1, -1)

        north_east = self.getConnectedNum(r, c, -1, 1)
        south_west = self.getConnectedNum(r, c, 1, -1)

        if (north + south + 1 >= 3) or (east + west + 1 >= 3) or \
                (south_east + north_west + 1 >= 3) or (north_east + south_west + 1 >= 3):
            return True
        return False

    def getConnectedNum(self, r: int, c: int, dr: int, dc: int) -> int:
        player = self.board[r][c]
        result = 0
        i = 1
        while True:
            new_r = r + dr * i
            new_c = c + dc * i
            if 0 <= new_r < 3 and 0 <= new_c < 3:
                if self.board[new_r][new_c] == player:
                    result += 1
                else:
                    break
            else:
                break
            i += 1
        return result

    def tictactoe(self, moves: List[List[int]]) -> str:
        self.board = [[0] * 3 for _ in range(3)]
        for idx, xy in enumerate(moves):
            player = 1 if idx % 2 == 0 else -1
            self.board[xy[0]][xy[1]] = player

        # only check last move
        r, c = moves[-1]
        win = self.checkWin(r, c)
        if win:
            return "A" if len(moves) % 2 == 1 else "B"

        return "Draw" if len(moves) == 9 else "Pending"

Leetcode 794. 有效的井字游戏 (中等)

用字符串数组作为井字游戏的游戏板 board。当且仅当在井字游戏过程中，玩家有可能将字符放置成游戏板所显示的状态时，才返回 true。
该游戏板是一个 3 x 3 数组，由字符 " "，"X" 和 "O" 组成。字符 " " 代表一个空位。
以下是井字游戏的规则：
玩家轮流将字符放入空位（" "）中。
第一个玩家总是放字符 “X”，且第二个玩家总是放字符 “O”。
“X” 和 “O” 只允许放置在空位中，不允许对已放有字符的位置进行填充。
当有 3 个相同（且非空）的字符填充任何行、列或对角线时，游戏结束。
当所有位置非空时，也算为游戏结束。
如果游戏结束，玩家不允许再放置字符。

示例 1:
输入: board = ["O ", " ", " "]
输出: false
解释: 第一个玩家总是放置“X”。

示例 2:
输入: board = ["XOX", " X ", " "]
输出: false
解释: 玩家应该是轮流放置的。

示例 3:
输入: board = ["XXX", " ", "OOO"]
输出: false

示例 4:
输入: board = ["XOX", "O O", "XOX"]
输出: true
说明:

游戏板 board 是长度为 3 的字符串数组，其中每个字符串 board[i] 的长度为 3。 board[i][j] 是集合 {" ", "X", "O"} 中的一个字符。

这道题第一反应是需要DFS来判断给定状态是否可达，但其实可以用上面1275的思路，即通过检验最终棋盘的一些特点来判断给定状态是否合法。比如，X和O的数量只有可能相同，或X比O多一个。其关键在于需要找到判断状态合法的充要条件，就可以在\(O(1)\) 时间复杂度完成判断。 此外，这道题给了我们井字棋所有可能状态数量的启示。

{linenos

# AC
from typing import List

class Solution:

    def convertCell(self, c:str):
        return 1 if c == 'X' else -1 if c == 'O' else 0

    def validTicTacToe(self, board: List[str]) -> bool:
        turn = 0
        row, col = [0, 0, 0], [0, 0, 0]
        diag1, diag2 = False, False
        for r in range(3):
            for c in range(3):
                turn += self.convertCell(board[r][c])
                row[r] += self.convertCell(board[r][c])
                col[c] += self.convertCell(board[r][c])
                if r == c:
                    diag1 += self.convertCell(board[r][c])
                if r + c == 2:
                    diag2 += self.convertCell(board[r][c])

        xWin = any(row[r] == 3 for r in range(3)) or any(col[c] == 3 for c in range(3)) or diag1 == 3 or diag2 == 3
        oWin = any(row[r] == -3 for r in range(3)) or any(col[c] == -3 for c in range(3)) or diag1 == -3 or diag2 == -3
        if (xWin and turn == 0) or (oWin and turn == 1):
            return False
        return (turn == 0 or turn == 1) and (not xWin or not oWin)

Leetcode 348. 判定井字棋胜负 (中等，加锁)

请在 n × n 的棋盘上，实现一个判定井字棋（Tic-Tac-Toe）胜负的神器，判断每一次玩家落子后，是否有胜出的玩家。
在这个井字棋游戏中，会有 2 名玩家，他们将轮流在棋盘上放置自己的棋子。
在实现这个判定器的过程中，你可以假设以下这些规则一定成立：
每一步棋都是在棋盘内的，并且只能被放置在一个空的格子里；
一旦游戏中有一名玩家胜出的话，游戏将不能再继续；
一个玩家如果在同一行、同一列或者同一斜对角线上都放置了自己的棋子，那么他便获得胜利。

示例： 给定棋盘边长 n = 3, 玩家 1 的棋子符号是 "X"，玩家 2 的棋子符号是 "O"。
TicTacToe toe = new TicTacToe(3);
toe.move(0, 0, 1); -> 函数返回 0 (此时，暂时没有玩家赢得这场对决)
|X| | |
| | | | // 玩家 1 在 (0, 0) 落子。
| | | |

toe.move(0, 2, 2); -> 函数返回 0 (暂时没有玩家赢得本场比赛)
|X| |O|
| | | | // 玩家 2 在 (0, 2) 落子。
| | | |

toe.move(2, 2, 1); -> 函数返回 0 (暂时没有玩家赢得比赛)
|X| |O|
| | | | // 玩家 1 在 (2, 2) 落子。
| | |X|

toe.move(1, 1, 2); -> 函数返回 0 (暂没有玩家赢得比赛)
|X| |O|
| |O| | // 玩家 2 在 (1, 1) 落子。
| | |X|

toe.move(2, 0, 1); -> 函数返回 0 (暂无玩家赢得比赛)
|X| |O|
| |O| | // 玩家 1 在 (2, 0) 落子。
|X| |X|

toe.move(1, 0, 2); -> 函数返回 0 (没有玩家赢得比赛)
|X| |O|
|O|O| | // 玩家 2 在 (1, 0) 落子.
|X| |X|

toe.move(2, 1, 1); -> 函数返回 1 (此时，玩家 1 赢得了该场比赛)
|X| |O|
|O|O| | // 玩家 1 在 (2, 1) 落子。
|X|X|X|

348 是道加锁题，对于每次玩家的move，可以用1275第二种解法中的checkWin 函数。下面代码给出了另一种基于1275解法一的方法：保存八个关键变量，每次落子后更新这个子所关联的某几个变量。

{linenos

# AC
class TicTacToe:

    def __init__(self, n:int):
        """
        Initialize your data structure here.
        :type n: int
        """
        self.row, self.col, self.diag1, self.diag2, self.n = [0] * n, [0] * n, 0, 0, n

    def move(self, row:int, col:int, player:int) -> int:
        """
        Player {player} makes a move at ({row}, {col}).
        @param row The row of the board.
        @param col The column of the board.
        @param player The player, can be either 1 or 2.
        @return The current winning condition, can be either:
                0: No one wins.
                1: Player 1 wins.
                2: Player 2 wins.
        """
        if player == 2:
            player = -1

        self.row[row] += player
        self.col[col] += player
        if row == col:
            self.diag1 += player
        if row + col == self.n - 1:
            self.diag2 += player

        if self.n in [self.row[row], self.col[col], self.diag1, self.diag2]:
            return 1
        if -self.n in [self.row[row], self.col[col], self.diag1, self.diag2]:
            return 2
        return 0

井字棋最佳策略

井字棋的规模可以很自然的扩展成四子棋或五子棋等，区别在于棋盘大小和胜利时的连子数量。这类游戏最一般的形式为 M,n,k-game，中文可能翻译为战略井字游戏，表示棋盘大小为M x N，当k连子时获胜。 下面的ConnectNGame类实现了战略井字游戏（M=N）中，两个玩家轮流下子、更新棋盘状态和判断每次落子输赢等逻辑封装。其中undo方法用于撤销最后一个落子，方便在后续寻找最佳策略时回溯。

ConnectNGame

{linenos

class ConnectNGame:

    PLAYER_A = 1
    PLAYER_B = -1
    AVAILABLE = 0
    RESULT_TIE = 0
    RESULT_A_WIN = 1
    RESULT_B_WIN = -1

    def __init__(self, N:int = 3, board_size:int = 3):
        assert N <= board_size
        self.N = N
        self.board_size = board_size
        self.board = [[ConnectNGame.AVAILABLE] * board_size for _ in range(board_size)]
        self.gameOver = False
        self.gameResult = None
        self.currentPlayer = ConnectNGame.PLAYER_A
        self.remainingPosNum = board_size * board_size
        self.actionStack = []

    def move(self, r: int, c: int) -> int:
        """

        :param r:
        :param c:
        :return: None: game ongoing
        """
        assert self.board[r][c] == ConnectNGame.AVAILABLE
        self.board[r][c] = self.currentPlayer
        self.actionStack.append((r, c))
        self.remainingPosNum -= 1
        if self.checkWin(r, c):
            self.gameOver = True
            self.gameResult = self.currentPlayer
            return self.currentPlayer
        if self.remainingPosNum == 0:
            self.gameOver = True
            self.gameResult = ConnectNGame.RESULT_TIE
            return ConnectNGame.RESULT_TIE
        self.currentPlayer *= -1

    def undo(self):
        if len(self.actionStack) > 0:
            lastAction = self.actionStack.pop()
            r, c = lastAction
            self.board[r][c] = ConnectNGame.AVAILABLE
            self.currentPlayer = ConnectNGame.PLAYER_A if len(self.actionStack) % 2 == 0 else ConnectNGame.PLAYER_B
            self.remainingPosNum += 1
            self.gameOver = False
            self.gameResult = None
        else:
            raise Exception('No lastAction')

    def getAvailablePositions(self) -> List[Tuple[int, int]]:
        return [(i,j) for i in range(self.board_size) for j in range(self.board_size) if self.board[i][j] == ConnectNGame.AVAILABLE]

    def getStatus(self) -> Tuple[Tuple[int, ...]]:
        return tuple([tuple(self.board[i]) for i in range(self.board_size)])

其中checkWin和1275解法二中的逻辑一致。

Minimax 算法

此战略井字游戏的逻辑代码，结合之前的minimax算法，可以实现游戏最佳策略。

先定义一个通用的策略基类和抽象方法 action。action表示给定一个棋盘状态，返回一个动作决定。返回Tuple的第一个int值表示估计走这一步的结局，第二个值类型是Tuple[int, int]，表示这次落子的位置，例如（1，1）。

{linenos

class Strategy(ABC):

    def __init__(self):
        super().__init__()

    @abstractmethod
    def action(self, game: ConnectNGame) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        pass

MinimaxStrategy 的逻辑和之前的minimax模版算法大致相同，多了保存最佳move对应的动作，用于最后返回。

{linenos

class MinimaxStrategy(Strategy):
    def action(self, game: ConnectNGame) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        self.game = copy.deepcopy(game)
        result, move = self.minimax()
        return result, move

    def minimax(self) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        game = self.game
        bestMove = None
        assert not game.gameOver
        if game.currentPlayer == ConnectNGame.PLAYER_A:
            ret = -math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.minimax()
                game.undo()
                ret = max(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if ret == 1:
                    return 1, move
            return ret, bestMove
        else:
            ret = math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.minimax()
                game.undo()
                ret = min(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if ret == -1:
                    return -1, move
            return ret, bestMove

通过上面的代码可以画出初始两步的井字棋最终结局。对于先手O来说可以落9个位置，排除对称位置后只有三种，分别为角落，边上和正中。但无论哪一个位置作为先手，最好的结局都是被对方逼平，不存在必赢的开局。所以井字棋的结局是：如果两个玩家都采用最优策略（无失误），游戏结果为双方逼平。

井字棋第一步结局

下面分别画出三种开局后进一步的游戏结局。

井字棋角落开局

井字棋边上开局

井字棋中间开局

井字棋游戏状态数和解

有趣的是井字棋游戏的状态数量，简单的上限估算是\(3^9=19683\)。这显然是个较宽泛的上限，因为很多状态在游戏结束后无法达到。 这篇文章 Tic-Tac-Toe (Naughts and Crosses, Cheese and Crackers, etc 中列出了每一步的状态数，合计5478个。

Moves	Positions	Terminal Positions
0	1
1	9
2	72
3	252
4	756
5	1260	120
6	1520	148
7	1140	444
8	390	168
9	78	78
Total	5478	958

我们已经实现了井字棋的minimax策略，算法本质上遍历了所有情况，稍加改造后增加dp数组，就可以确认上面的总状态数。

{linenos

class CountingMinimaxStrategy(Strategy):
    def action(self, game: ConnectNGame) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        self.game = copy.deepcopy(game)
        self.dpMap = {}
        result, move = self.minimax(game.getStatus())
        return result, move

    def minimax(self, gameStatus: Tuple[Tuple[int, ...]]) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        # print(f'Current {len(strategy.dpMap)}')

        if gameStatus in self.dpMap:
            return self.dpMap[gameStatus]

        game = self.game
        bestMove = None
        assert not game.gameOver
        if game.currentPlayer == ConnectNGame.PLAYER_A:
            ret = -math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.minimax(game.getStatus())
                    self.dpMap[game.getStatus()] = result, oppMove
                else:
                    self.dpMap[game.getStatus()] = result, move
                game.undo()
                ret = max(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
            self.dpMap[gameStatus] = ret, bestMove
            return ret, bestMove
        else:
            ret = math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)

                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.minimax(game.getStatus())
                    self.dpMap[game.getStatus()] = result, oppMove
                else:
                    self.dpMap[game.getStatus()] = result, move
                game.undo()
                ret = min(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
            self.dpMap[gameStatus] = ret, bestMove
            return ret, bestMove


if __name__ == '__main__':
    tic_tac_toe = ConnectNGame(N=3, board_size=3)
    strategy = CountingMinimaxStrategy()
    strategy.action(tic_tac_toe)
    print(f'Game States Number {len(strategy.dpMap)}')

运行程序证实了井字棋状态数为5478，下面是一些极小规模时代码运行结果：

	3x3	4x4
k=3	5478 （Draw)	6035992 （Win）
k=4		9722011 （Draw）
k=5

根据 Wikipedia M,n,k-game, 列出了一些小规模下的游戏解：

	3x3	4x4	5x5	6x6
k=3	Draw	Win	Win	Win
k=4		Draw	Draw	Win
k=5			Draw	Draw

值得一提的是，五子棋（棋盘15x15或以上）被 L. Victor Allis证明是先手赢。

Alpha-Beta剪枝策略

Alpha Beta 剪枝策略的代码如下（和之前代码比较类似，不再赘述）：

{linenos

class AlphaBetaStrategy(Strategy):
    def action(self, game: ConnectNGame) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        self.game = game
        result, move = self.alpha_beta(self.game.getStatus(), -math.inf, math.inf)
        return result, move

    def alpha_beta(self, gameStatus: Tuple[Tuple[int, ...]], alpha:int=None, beta:int=None) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        game = self.game
        bestMove = None
        assert not game.gameOver
        if game.currentPlayer == ConnectNGame.PLAYER_A:
            ret = -math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.alpha_beta(game.getStatus(), alpha, beta)
                game.undo()
                alpha = max(alpha, result)
                ret = max(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if alpha >= beta or ret == 1:
                    return ret, move
            return ret, bestMove
        else:
            ret = math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    result, oppMove = self.alpha_beta(game.getStatus(), alpha, beta)
                game.undo()
                beta = min(beta, result)
                ret = min(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if alpha >= beta or ret == -1:
                    return ret, move
            return ret, bestMove

Alpha Beta 的DP版本中，由于lru_cache无法指定cache的有效参数，递归函数并没有传入alpha, beta。因此我们将alpha，beta参数隐式放入自己维护的栈中，并保证栈的状态和alpha_beta_dp函数调用状态一致。

{linenos

class AlphaBetaDPStrategy(Strategy):
    def action(self, game: ConnectNGame) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        self.game = game
        self.alphaBetaStack = [(-math.inf, math.inf)]
        result, move = self.alpha_beta_dp(self.game.getStatus())
        return result, move

    @lru_cache(maxsize=None)
    def alpha_beta_dp(self, gameStatus: Tuple[Tuple[int, ...]]) -> Tuple[int, Tuple[int, int]]:
        alpha, beta = self.alphaBetaStack[-1]
        game = self.game
        bestMove = None
        assert not game.gameOver
        if game.currentPlayer == ConnectNGame.PLAYER_A:
            ret = -math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    self.alphaBetaStack.append((alpha, beta))
                    result, oppMove = self.alpha_beta_dp(game.getStatus())
                    self.alphaBetaStack.pop()
                game.undo()
                alpha = max(alpha, result)
                ret = max(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if alpha >= beta or ret == 1:
                    return ret, move
            return ret, bestMove
        else:
            ret = math.inf
            for pos in game.getAvailablePositions():
                move = pos
                result = game.move(*pos)
                if result is None:
                    assert not game.gameOver
                    self.alphaBetaStack.append((alpha, beta))
                    result, oppMove = self.alpha_beta_dp(game.getStatus())
                    self.alphaBetaStack.pop()
                game.undo()
                beta = min(beta, result)
                ret = min(ret, result)
                bestMove = move if ret == result else bestMove
                if alpha >= beta or ret == -1:
                    return ret, move
            return ret, bestMove