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SQL编程大赛第4名马尾蛟:一条 SQL 解数独?PostgreSQL 递归 CTE 封神思路全拆解

  • 2026-10-20 12:31:57
SQL编程大赛第4名马尾蛟:一条 SQL 解数独?PostgreSQL 递归 CTE 封神思路全拆解
数据库编程大赛:用一条 SQL 解数独问题
2025 NineData 第三届数据库编程大赛圆满举办!本次大赛由 NineData 和云数据库技术社区主办,并联合佰晟智算、达梦数据、 ITPUB、CSDN、IFclub、开源中国、DataFun、墨天轮等技术社区共同举办。本届大赛延续 "一条 SQL" 的核心挑战,设置题目为「用一条 SQL」解数独问题。查看赛题详情
以下是本次决赛第 4 名选手马尾蛟的参赛介绍:
第4名
马尾蛟
参赛选手:马尾蛟
选手简介:就职于某大型国际物流公司,从事数据科学多年
参赛数据库:PostgreSQL
性能评测:1 万级数据代码性能评测 13.875 秒
综合得分:83.4
以下是马尾蛟选手的代码说明思路简介:

1. 数据库选择
  • 最终选择 PG 数据库
  • 算力维度:PG 的递归 CTE 引擎对复杂逻辑的计算效率更好。
  • 表达维度:PG 拥有 generate_series、overlay 以及对 LATERAL JOIN 的完美支持,这让我能用更简洁、更接近算法逻辑的 SQL 表达 MRV 剪枝策略。
  • 物理维度:PG 在处理 81 位以上状态压缩或高频字符串变异时,底层开销更小。

2. 步骤分析

以官方测试数据中id = 996 的数据为例 。将其展开成 9宫格如图所示

2.1 外层框架

SELECT g.id,       g.puzzle,       regexp_replace(solution.result, '(.{9})(?=.)', '\1' || E'\n', 'g') AS resultFROM (  SELECT * FROM game3.sudoku9_9) gCROSS JOIN LATERAL (  ... 这里面是核心解题逻辑 ...) solutionORDER BY g.id;

FROM (...) g:把 sudoku9_9 表里的每一道题目(每一行)拿出来,标记为g

CROSS JOIN LATERAL (...):使用 LATERAL  对于每一道题目 g,都单独启动一次括号里的计算程序,算出结果叫 solution,然后把结果贴回题目后面。

2.2 核心逻辑

在 WITH RECURSIVE 里面,定义了一堆“临时表”(CTE),相当于解题前的准备工作。

2.2.1 常量初始化

digits AS (  SELECT n,         (n - 1) AS idx,         (1::bigint << (n - 1)) AS bit,  -- 重点!         n::text AS digit_text  FROM generate_series(1,9) n),

结果如下:

这里预计算了 1-9 的二进制位特征。

例如数字 1 对应二进制 000000001,数字 9 对应 100000000。

收益:后续校验时,只需做一次“按位与(&)”操作即可判断数字是否冲突,比数值比较或字符串匹配快得多。

2.2.2 坐标映射

cells AS (  SELECT pos,         pos/9 AS r,         pos%9 AS c,         ((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3) AS b, -- 算宫号         substring(clean.s FROM pos + 1 FOR 1) AS ch  FROM clean  CROSS JOIN generate_series(0,80) AS gs(pos)),

结果:

将 81 个字符的字符串展开成 81 行数据,并计算好每个格子所属的 r(行)、c(列)、b(宫)坐标。这是为了初始化掩码做准备。

2.2.3 状态初始化:位掩码生成

-- 行/列/宫掩码:每 9bit 表示一行/列/宫已用数字  row_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), (pos/9)*9 + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  col_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), (pos%9)*9 + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  box_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), ((((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3))*9) + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  -- todo:记录所有待填位置  todo AS (    SELECT coalesce(array_agg(pos ORDER BY pos), ARRAY[]::int[]) AS arr    FROM cells    WHERE ch = '?'  ),  seed AS (    SELECT clean.s,           row_mask.mask AS row_mask,           col_mask.mask AS col_mask,           box_mask.mask AS box_mask,           todo.arr AS todo    FROM clean, row_mask, col_mask, box_mask, todo  ),

结果:

没有用 3 个数组存状态,而是用了 3 个 81位的二进制串。

row_mask 的结构:前 9 位表示第 0 行使用了哪些数字,第 10-18 位表示第 1 行...

set_bit:将已存在的数字对应的位置为 1。

bit_or:聚合操作,将所有格子的状态合并成一个最终的掩码。

通过这 3 个二进制串,全盘的约束状态被压缩在极小的内存中,读取效率极高。

2.2.4 递归

solver AS (    -- 初始层    SELECT s, row_mask, col_mask, box_mask, todo    FROM seed    UNION ALL    -- 递归扩展:挑选一个空格尝试填数    SELECT overlay(c.s placing d.digit_text FROM pick.pos + 1 FOR 1) AS s,           set_bit(c.row_mask, pick.r*9 + (8 - d.idx), 1) AS row_mask,           set_bit(c.col_mask, pick.cidx*9 + (8 - d.idx), 1) AS col_mask,           set_bit(c.box_mask, pick.b*9 + (8 - d.idx), 1) AS box_mask,           array_remove(c.todo, pick.pos) AS todo    FROM solver c    JOIN LATERAL (      -- MRV:挑候选数最少的格子      SELECT pos,             pos / 9 AS r,             pos % 9 AS cidx,             ((pos / 9)/3)*3 + ((pos % 9)/3) AS b,             mask_int,             bit_count(((~mask_int) & 511)::bit(9)) AS free,             ord      FROM (        SELECT pos,               ord,               pos / 9 AS r,               pos % 9 AS cidx,               ((pos / 9)/3)*3 + ((pos % 9)/3) AS b,               (                 (substring(c.row_mask from (pos/9)*9 + 1 for 9)::bit(9)::int) |                 (substring(c.col_mask from (pos%9)*9 + 1 for 9)::bit(9)::int) |                 (substring(c.box_mask from ((((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3))*9) + 1 for 9)::bit(9)::int)               ) AS mask_int        FROM unnest(c.todo) WITH ORDINALITY AS todo(pos, ord)      ) base      ORDER BY free, ord      LIMIT 1    ) pick ON true    JOIN digits d ON (pick.mask_int & d.bit) = 0  )

join lateral 内部结果

取出约束:对于每一个空格,从 row_mask、col_mask、box_mask 中截取对应的 9 位。

合并约束:使用 位或(|) 运算。比如行里有1,列里有2,宫里有3,运算结果就是 ...00111,表示 1,2,3 都不能填。(图中mask_int = 509 ,他对应的二进制为 111111101 )

计算自由度:bit_count 计算有多少个位是 0(合法的候选数)。

排序 (ORDER BY free):这是关键点, 不按顺序填,而是永远挑那个“自由度最小”的格子填。

如果一个格子只剩 1 个能填的数(自由度=1),立刻填它。

如果自由度不是1,比如一个格子,它有两个合法的候选数:1 和 4,此时 JOIN digits 会匹配成功两次,然后两个数据同时进入到下一轮递归。直到后面某一轮 有一个分支,他的自由度为0,JOIN digits 找不到匹配的数字,这条数据没能生成下一代,直接“断子绝孙”,从内存中消失。

2.2.5 收尾

SELECT s AS resultFROM solverWHERE coalesce(array_length(todo, 1), 0) = 0LIMIT 1

递归会产生很多中间状态,我只要那个 todo 数组长度为 0 的(也就是全填完了的)那一行。

LIMIT 1:如果有多解,我只要第一个。

3. 总结

快在“不用眼睛看”,而用“开关查”:没有用程序去一个个对比数字(1等于1吗?),而是把数字变成了二进制开关。检查冲突只需要一次CPU的“且运算”,这比比对字符快了几十倍。
快在“先做必做题”:普通程序是从第1格试到第81格。我的程序每一步都会看全盘,发现哪个格子“只剩一个能填的数”,就立刻先填它。这避免了瞎猜导致的走弯路(回溯)。
自动剪枝:如果其中一条路是错的(比如填了 1),后续一定会遇到‘无路可走’的格子,那条数据流就会因为 JOIN 不到候选数而自然终止。
其他尝试
    • 因为注意到一开始 主办方提供的机器为4C32G ,希望能够充分利用机器资源,但是各种尝试都不行。pg 的 cte 无法多线程。
    • 注意到,其实编译占了大部分时间,如果允许关闭编译 即 set jit= off ,那么 时间可以从1.2秒左右,优化到0.6 秒左右。

参赛完整SQL:
SELECT g.id,       g.puzzle,       -- 将 81 位结果每 9 位插入换行,便于人工核对       regexp_replace(solution.result, '(.{9})(?=.)', '\1' || E'\n', 'g') AS resultFROM (  SELECT *  FROM game3.sudoku9_9) gCROSS JOIN LATERAL (  WITH RECURSIVE  -- digits:缓存 1~9 及其位掩码  digits AS (    SELECT n,           (n - 1) AS idx,           (1::bigint << (n - 1)) AS bit,           n::text AS digit_text    FROM generate_series(1,9) n  ),  -- clean:去掉 puzzle 中的空白/换行  clean AS (    SELECT translate(g.puzzle, E'\r\n\t ', '') AS s  ),  -- cells:展开 81 个格子并标注行/列/宫  cells AS (    SELECT pos,           pos/9 AS r,           pos%9 AS c,           ((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3) AS b,           substring(clean.s FROM pos + 1 FOR 1) AS ch    FROM clean    CROSS JOIN generate_series(0,80) AS gs(pos)  ),  -- 行/列/宫掩码:每 9bit 表示一行/列/宫已用数字  row_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), (pos/9)*9 + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  col_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), (pos%9)*9 + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  box_mask AS (    SELECT coalesce(             bit_or(set_bit(B'0'::bit(81), ((((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3))*9) + (8 - (ch::int - 1)), 1)),             B'0'::bit(81)           ) AS mask    FROM cells    WHERE ch <> '?'  ),  -- todo:记录所有待填位置  todo AS (    SELECT coalesce(array_agg(pos ORDER BY pos), ARRAY[]::int[]) AS arr    FROM cells    WHERE ch = '?'  ),  seed AS (    SELECT clean.s,           row_mask.mask AS row_mask,           col_mask.mask AS col_mask,           box_mask.mask AS box_mask,           todo.arr AS todo    FROM clean, row_mask, col_mask, box_mask, todo  ),  solver AS (    -- 初始层    SELECT s, row_mask, col_mask, box_mask, todo    FROM seed    UNION ALL    -- 递归扩展:挑选一个空格尝试填数    SELECT overlay(c.s placing d.digit_text FROM pick.pos + 1 FOR 1) AS s,           set_bit(c.row_mask, pick.r*9 + (8 - d.idx), 1) AS row_mask,           set_bit(c.col_mask, pick.cidx*9 + (8 - d.idx), 1) AS col_mask,           set_bit(c.box_mask, pick.b*9 + (8 - d.idx), 1) AS box_mask,           array_remove(c.todo, pick.pos) AS todo    FROM solver c    JOIN LATERAL (      -- MRV:挑候选数最少的格子      SELECT pos,             pos / 9 AS r,             pos % 9 AS cidx,             ((pos / 9)/3)*3 + ((pos % 9)/3) AS b,             mask_int,             bit_count(((~mask_int) & 511)::bit(9)) AS free,             ord      FROM (        SELECT pos,               ord,               pos / 9 AS r,               pos % 9 AS cidx,               ((pos / 9)/3)*3 + ((pos % 9)/3) AS b,               (                 (substring(c.row_mask from (pos/9)*9 + 1 for 9)::bit(9)::int) |                 (substring(c.col_mask from (pos%9)*9 + 1 for 9)::bit(9)::int) |                 (substring(c.box_mask from ((((pos/9)/3)*3 + ((pos%9)/3))*9) + 1 for 9)::bit(9)::int)               ) AS mask_int        FROM unnest(c.todo) WITH ORDINALITY AS todo(pos, ord)      ) base      ORDER BY free, ord      LIMIT 1    ) pick ON true    JOIN digits d ON (pick.mask_int & d.bit) = 0  )  SELECT s AS result  FROM solver  WHERE coalesce(array_length(todo, 1), 0) = 0  LIMIT 1) solutionORDER BY g.id;
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