C++ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 迷宮問(wèn)題
課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 軟件 學(xué) 院 軟件工程+電子商務(wù)2009 專 業(yè) 2 班 一、課程設(shè)計(jì)(論文)題目 迷宮問(wèn)題 二、課程設(shè)計(jì)(論文)工作自 2010 年 12月 27 日起至 2011 年 1月 2 日止 三、課程設(shè)計(jì)(論文) 地點(diǎn): 創(chuàng)新大樓實(shí)訓(xùn)中心 四、課程設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容要求:1本課程設(shè)計(jì)的目的(1)鞏固和加深對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識(shí)的理解,提高綜合運(yùn)用課程知識(shí)的能力。(2)使學(xué)生掌握軟件設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法,并培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行規(guī)范化軟件設(shè)計(jì)的能力。(3)使學(xué)生掌握使用各種計(jì)算機(jī)資料和有關(guān)參考資料,提高學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的基本能力。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求1)基本要求:(1)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊分析、控制模塊分析;(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要能完成題目所要求的功能;(3)編程簡(jiǎn)練,可用,盡可能的使系統(tǒng)的功能更加完善和全面;(4)說(shuō)明書(shū)、流程圖要清楚;(5)提高學(xué)生的論文寫(xiě)作能力; (6)特別要求自己獨(dú)立完成; 2)創(chuàng)新要求: 在基本要求達(dá)到后,可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),如改善算法性能、友好的人機(jī)界面。3)課程設(shè)計(jì)論文編寫(xiě)要求(1)要按照書(shū)稿的規(guī)格打印與寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文(2)論文包括目錄、正文、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄等(3)課程設(shè)計(jì)論文裝訂按學(xué)校的統(tǒng)一要求完成4)課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排內(nèi)容 天數(shù) 地點(diǎn)構(gòu)思及收集資料 1 圖書(shū)館編碼與調(diào)試 3 實(shí)驗(yàn)室撰寫(xiě)論文 1 圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室學(xué)生簽名: 20011 年 1 月 3日課程設(shè)計(jì)(論文)評(píng)審意見(jiàn)(1)基本算法 (20分):優(yōu)()、良()、中()、一般()、差(); (2)設(shè)計(jì)分析(20分):優(yōu)()、良()、中()、一般()、差(); (3)調(diào)試分析(20分):優(yōu)()、良()、中()、一般()、差();(4)論文內(nèi)容(20分):優(yōu)()、良()、中()、一般()、差();(5)答辯分析(20分):優(yōu)()、良()、中()、一般()、差();(6)格式規(guī)范性及考勤是否降等級(jí):是( )、否()評(píng)閱人: 職稱: 講師 2011 年 1月4日目錄一、需求分析1二、概要設(shè)計(jì)2三、詳細(xì)設(shè)計(jì)5四、調(diào)試分析及測(cè)試15五、個(gè)人工作及創(chuàng)新18六、小結(jié)19參考文獻(xiàn)20數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)一、 需求分析1.選題理由本次課設(shè)我選擇了迷宮問(wèn)題,迷宮求解是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題,迷宮問(wèn)題要求尋找一條從入口到出口的路徑。通常用的是“窮舉求解”的方法。為了保證在任何位置上都能原路退回,顯然需要用一個(gè)后進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)來(lái)保存從入口到當(dāng)前位置的路徑。因此,在求解迷宮通路的算法中要應(yīng)用“?!钡乃枷?。對(duì)于棧的內(nèi)容在整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)中我也有了一定的了解,所以選擇了迷宮這一經(jīng)典問(wèn)題作為本次課設(shè)的內(nèi)容。 2.基本原理分析 迷宮問(wèn)題通常是用“窮舉求解”方法解決,即從入口出發(fā),順著某一個(gè)方向進(jìn)行探索,若能走通,則繼續(xù)往前走;否則沿著原路退回,換一個(gè)方向繼續(xù)探索,直至出口位置,求得一條通路。假如所有可能的通路都探索到而未能到達(dá)出口,則所設(shè)定的迷宮沒(méi)有通路。棧是一個(gè)后進(jìn)先出的結(jié)構(gòu),可以用來(lái)保存從入口到當(dāng)前位置的路徑。以二維數(shù)組存儲(chǔ)迷宮數(shù)據(jù),通常設(shè)定入口點(diǎn)的下標(biāo)為(1,1),出口點(diǎn)的下標(biāo)為(n,n)。為處理方便起見(jiàn),在迷宮的四周加一圈障礙。對(duì)于迷宮任何一個(gè)位置,均約定東、南、西、北四個(gè)方向可通。 3.功能要求 (1)以一個(gè)二維數(shù)組Mazem+2n+2表示迷宮,其中:Maze0j和Mazem+1j(0<=j<=n+1)及Mazei0和Mazein+1 (0<=i<=m+1)為做外層的一圈障礙。數(shù)組中以0表示通路,1表示障礙,限定迷宮的大小為:m,n<=10。(2)用戶需用文件的形式輸入迷宮的數(shù)據(jù):文件中第一行的數(shù)據(jù)為迷宮的行數(shù)m和列數(shù)n;從第2行至第m+1行(每行n個(gè)數(shù))為迷宮值,用0,1輸入,同行中的兩個(gè)數(shù)字之間用空白字符相隔。(3)迷宮的入口位置和出口位置可由用戶隨時(shí)設(shè)定。(4)若設(shè)定的迷宮存在通路,則以長(zhǎng)方陣形式將迷宮及其通路輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出文件上,其中字符“#”表示障礙,“*”表示路徑,“”表示曾途經(jīng)該位置但不能到達(dá)出口,其余位置用空格符表示。若設(shè)定迷宮不存在通路則報(bào)告相應(yīng)信息(5)本程序只求出一條成功的通路。(6)程序執(zhí)行的命令為:1,創(chuàng)建迷宮;2,求解迷宮;3,輸出迷宮的解。二、 概要設(shè)計(jì)1、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其抽象數(shù)據(jù)類型的定義。(1)棧的抽象數(shù)據(jù)類型ADT Stack數(shù)據(jù)對(duì)象:D=ai| aiCharSet,i=1,2n,n>=0數(shù)據(jù)關(guān)系:R1=<ai-1, ai >| ai-1, aiD,i=2,n基本操作:InitStack(&S)操作結(jié)果:構(gòu)造一個(gè)空棧S。DestroyStack(&S)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:銷(xiāo)毀棧S。ClearStack(&S)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:將S清為空棧。StackLength(S)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:返回棧S的長(zhǎng)度。StackEmpty(S)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:若S為空棧,則返回TRUE,否則返回FALSE。GetTop(S,&e)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:若棧S不空,則以e返回棧頂元素。Push(&S, e)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:在棧S的棧頂插入新的棧頂元素e。Pop(&S,&e)初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:刪除S的棧頂元素,并以e返回其值。StackTraverse(S,visit()初始條件:棧S已存在。操作結(jié)果:從棧底到棧頂依次對(duì)S中的每個(gè)元素調(diào)用函數(shù)visit()。 ADT Stack (2)迷宮的抽象數(shù)據(jù)類型ADT maze數(shù)據(jù)對(duì)象:D=ai,j| ai,j ' ','#','','*',0<=i<=m+1,0<=j<=n+1,m,n<=10數(shù)據(jù)關(guān)系:R=ROW,COL基本操作:InitMaze(&M,a,row,col)初始條件:二維數(shù)組arow+2col+2已存在,其中自第1行至第row+1行,每行中自第1列至第col+1列的元素已有值,并且以值0表示通路,以值1表示障礙。操作結(jié)果:構(gòu)成迷宮的字符型數(shù)組,以空白字符表示通路,以字符#表示障礙,并在迷宮四周加上一圈障礙。MazePath(&M)初始條件:迷宮M已被賦值。操作結(jié)果:若迷宮M中存在一條通路,則按以下規(guī)定改變迷宮M的狀態(tài):以字符*表示路徑上的位置,字符表示“死胡同”,否則迷宮的狀態(tài)不變。PrintMaze(M)初始條件:迷宮M已存在。操作結(jié)果:以字符形式輸出迷宮。 ADT maze 2、整體框架 本程序包含三個(gè)模塊(1)棧模塊實(shí)現(xiàn)棧抽象數(shù)據(jù)類型(2)迷宮模塊實(shí)現(xiàn)迷宮抽象數(shù)據(jù)類型(3)主程序模塊:void mian() 初始化; Do接受命令;處理命令;while(命令!=“退出”);各模塊之間的調(diào)用關(guān)系如圖一: 圖一:調(diào)用關(guān)系圖函數(shù)的調(diào)用關(guān)系圖反映了程序的層次結(jié)構(gòu)如圖二: 圖二 :函數(shù)的調(diào)用關(guān)系圖三、 詳細(xì)設(shè)計(jì)源程序:#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#define MAXLEN 10/迷宮包括外墻最大行列數(shù)目#define TRUE 1#define FALSE 0#define OK 1#define ERROR 0 typedef int Status;/ 坐標(biāo)位置類型 typedef struct int r,c; PosType;/迷宮中r行c列的位置/迷宮類型 typedef struct int r; int c; char arrMAXLENMAXLEN;/可取' ','*','','#'MazeType; typedef struct/int step; / 當(dāng)前位置在路徑上的“序號(hào)” PosType seat; /當(dāng)前的坐標(biāo)位置 int di; /往下一坐標(biāo)位置的方向SElemType; /結(jié)點(diǎn)類型typedef struct NodeType SElemType data; NodeType *next;NodeType,*LinkType;/棧類型 typedef struct LinkType top; int stacksize;SqStack; PosType start;PosType end;MazeType maze;bool found; /創(chuàng)建棧Status InitStack(SqStack &S) S.top=(LinkType)malloc(sizeof(NodeType); S.top->next=NULL; S.stacksize=0; return OK; /進(jìn)棧Status Push(SqStack &S,SElemType &e) LinkType p; p=(NodeType*)malloc(sizeof(NodeType); p->data=e; p->next=S.top; S.top=p; S.stacksize+; return OK; /判斷是否為??誗tatus StackEmpty(SqStack S) if(S.top->next=NULL) return OK; return ERROR; /出棧Status Pop(SqStack &S,SElemType &e) LinkType p; if(StackEmpty(S) return ERROR; p=S.top; e=p->data; S.top=S.top->next; S.stacksize-; free(p); return OK; /銷(xiāo)毀棧Status DestroyStack(SqStack &S) LinkType p; while(S.top!=NULL) p=S.top; S.top=S.top->next; free(p); /一個(gè)一個(gè)刪除 if(S.top=NULL) return OK; else return ERROR; /曾走過(guò)但不是通路標(biāo)記并返回OKStatus MarkPrint(MazeType &maze,PosType curpos) maze.arrcurpos.rcurpos.c=''/""表示曾走過(guò)但不通 return OK; /曾走過(guò)而且是通路標(biāo)記并返回OKStatus FootPrint(MazeType &maze,PosType curpos) maze.arrcurpos.rcurpos.c='*'/"*"表示可通 return OK; /選擇下一步的方向PosType NextPos(PosType &curpos,int i) PosType cpos; cpos=curpos; switch(i) /1.2.3.4分別表示東,南,西,北方向 case 1 : cpos.c+=1; break; case 2 : cpos.r+=1; break; case 3 : cpos.c-=1; break; case 4 : cpos.r-=1; break;return cpos; /判斷當(dāng)前位置是否可通 Status Pass(MazeType &maze, PosType curpos) if(maze.arrcurpos.rcurpos.c=' ') return TRUE; else return FALSE; /創(chuàng)建迷宮/按照用戶輸入的二維數(shù)組(0或1),設(shè)置迷宮maze的初值,包括加上邊緣一圈的值void InitMaze(MazeType &maze, char aMAXLENMAXLEN, int row, int col) maze.r=row; maze.c=col; for(int i=0;i<=col+1;i+) a0i='1' arow+1i='1' for(i=0;i<=row+1;i+) ai0='1' aicol+1='1' for(i=0;i<=maze.r+2;i+) for(int j=0;j<maze.c+2;j+) if(aij='1') maze.arrij='#' else maze.arrij=' ' /求迷宮路徑的偽碼算法:Status MazePath(MazeType &maze,PosType start,PosType end)/求解迷宮maze中,從入口start到出口end的一條路徑,若存在,返回TRUE,否則返回FALSE PosType curpos; SqStack S; SElemType e; InitStack(S); curpos=start;/設(shè)定“當(dāng)前位置”為“入口位置” /curstep=1; /探索第一步 found=false;do if(Pass(maze,curpos) /當(dāng)前位置可以通過(guò),即是未曾走到過(guò)的通道塊留下足跡 FootPrint(maze,curpos);/做可以通過(guò)的標(biāo)識(shí)/e.step=curstep; e.seat=curpos; e.di=1; /為棧頂元素賦值 Push(S,e); /加入路徑 if(curpos.r=end.r && curpos.c=end.c) found=true;/如果到達(dá)終點(diǎn)返回true else curpos=NextPos(curpos,1);/下一位置是當(dāng)前位置的東鄰 else /當(dāng)前位置不能通過(guò) if(!StackEmpty(S) Pop(S,e); while(e.di=4 && !StackEmpty(S) MarkPrint(maze,e.seat); /留下不能通過(guò)的標(biāo)記 Pop(S,e); if(e.di<4) e.di+; /換下個(gè)方向 Push(S,e); / curpos=NextPos(e.seat,e.di); /進(jìn)行探索 while(!StackEmpty(S)&&!found);DestroyStack(S);return found; /將標(biāo)記路徑信息的迷宮(字符型方陣)輸出到終端(包括外墻)void PrintMaze(MazeType &maze) for(int i=0;i<=maze.r+2;i+) for(int j=0;j<=maze.c+2;j+) printf(" %c",maze.arrij);/輸出迷宮 printf("n"); /系統(tǒng)初始化void Initialization()system("cls"); printf(" welcome to the game! "); printf("n*");printf("n*創(chuàng)建迷宮-c 執(zhí)行迷宮-m 輸出迷宮-p 退出-q*");printf("n*");printf("nn 操作:-"); /讀入操作命令符,顯示提示信息void ReadCommand(char &cmd) do if(cmd='c') printf("n*"); printf("n*選擇操作 :執(zhí)行迷宮-m *"); printf("n* 退出-:q *"); printf("n*"); printf("nn 操作:-"); else if(cmd='m') printf("n*"); printf("n*選擇操作 :輸出迷宮-p *"); printf("n* 退出-:q *"); printf("n*"); printf("nn 操作:-"); else if(cmd='p') printf("n*"); printf("n*選擇操作 :執(zhí)行迷宮-c *"); printf("n* 退出-:q *"); printf("n*"); printf("nn 操作:-"); cmd=getchar();while(!(cmd='c'|cmd='m'|cmd='p'|cmd='q'); /解釋cmd-具體執(zhí)行void Interpre(char cmd)switch(cmd)case 'c': int rnum, cnum, i=0,m=1,n=1; char a2MAXLENMAXLEN; char input1; char data1000; printf("n請(qǐng)輸入迷宮數(shù)據(jù)文件名!n"); scanf("%s",input); FILE *fp; fp=fopen(input,"r"); if(!fp) printf("n不能打開(kāi)文件n"); break; while(!feof(fp) fscanf(fp,"%s",&datai); if(i=0) rnum=(int)datai-(int)'0' if(i=1) cnum=(int)datai-(int)'0' if(i>=2) if(n>cnum)m+;n=1; a2mn=datai; n+; i+; fclose(fp);InitMaze(maze, a2, rnum, cnum); printf("n迷宮建立完成!n"); break; case 'm': printf("n請(qǐng)輸入迷宮入口的坐標(biāo),以空格為間隔:-"); scanf("%d %d",&start.r,&start.c); printf("n請(qǐng)輸入迷宮出口的坐標(biāo),以空格為間隔:-"); scanf("%d %d",&end.r,&end.c); MazePath(maze, start, end); break; case 'p': if(found) printf("n求解迷宮的結(jié)果如下-n"); PrintMaze(maze); else printf("n找不到路徑!n"); void main()char cmd;Initialization();do ReadCommand(cmd); /讀入一個(gè)操作符命令 Interpre(cmd); /解釋執(zhí)行命令操作符while(cmd!='q');四、 調(diào)試分析及測(cè)試1、調(diào)試分析:(1)本程序有一個(gè)核心算法,即求迷宮的路徑,在調(diào)試的時(shí)候,出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題:沒(méi)有想到要用記號(hào),導(dǎo)致迷宮走不出來(lái);沒(méi)有設(shè)置found,不知何時(shí)跳出。(2)原本棧的元素e中除了di往下一坐標(biāo)位置的方向和seat當(dāng)前的坐標(biāo)位置,還有一個(gè)step當(dāng)前位置在路徑上的序號(hào),后來(lái)發(fā)現(xiàn)step沒(méi)什么用,就刪掉了。(3)函數(shù)ReadCommand中,cmd=getchar();的位置找不準(zhǔn),最后是試出來(lái)的。(4)調(diào)試的時(shí)候多次出現(xiàn),沒(méi)有錯(cuò)誤,但是dos環(huán)境下就是執(zhí)行不起來(lái),所以采用了一些輸出變量,判斷到底是哪里出了問(wèn)題。 (5)本程序中三個(gè)主要的算法:InitMaze,MazePath和MarkPrint的時(shí)間復(fù)雜度均為O(m*n), 本程序的空間復(fù)雜度也為O(m*n)(棧所占最大空間)2、 使用說(shuō)明和運(yùn)行結(jié)果:(1)首先以文件形式輸入迷宮數(shù)據(jù),如圖三: 圖三(2)進(jìn)入演示程序后,會(huì)出現(xiàn)以下界面如圖四: 圖四(3) 進(jìn)入“創(chuàng)建迷宮”的命令后,即提示輸入迷宮數(shù)據(jù)的文件名,結(jié)束符為“回車(chē)符”,該命令執(zhí)行之后輸出“迷宮建立完成”,且輸出下面可執(zhí)行的操作。如圖五:圖五(4) 進(jìn)入“執(zhí)行迷宮”的命令后,即提示輸入迷宮入口,出口的坐標(biāo),結(jié)束符為“回車(chē)符”,該命令執(zhí)行之后表示迷宮路徑已尋找完成或未找到路徑。請(qǐng)注意:若迷宮中存在路徑,執(zhí)行此命令后,迷宮狀態(tài)已經(jīng)改變,若要重復(fù)執(zhí)行此命令,需重新輸入迷宮數(shù)據(jù)。如圖六:圖六(5) 進(jìn)入“輸出迷宮”的命令后,即輸出迷宮求出路徑之后的狀態(tài)。#表示障礙, 表示曾走過(guò)但不通,*表示路徑。如圖七: 圖七(6) 進(jìn)入“退出”的命令后,按任意鍵結(jié)束。如圖八: 圖八3、 缺點(diǎn)與改進(jìn):(1) 在定義函數(shù)Mazepath的時(shí)候,開(kāi)始的循環(huán)語(yǔ)句的結(jié)束條件不對(duì),沒(méi)有出路時(shí),導(dǎo)致一直出現(xiàn)了不正確的結(jié)果,最后沒(méi)有新位置入棧,則返回上一個(gè)位置,否則沒(méi)有路徑。(2) 只是以文件形式輸入迷宮 ,如果迷宮數(shù)據(jù)量大時(shí),要先建好文件還是很浪費(fèi)時(shí)間,如果以隨機(jī)產(chǎn)生函數(shù)自動(dòng)產(chǎn)生迷宮會(huì)更好 。五、 個(gè)人工作及創(chuàng)新為了準(zhǔn)備這次課程設(shè)計(jì)我查找了很多的資料,對(duì)于迷宮問(wèn)題的求解中迷宮的產(chǎn)生方式有很多的不同,有的是直接輸入迷宮,有的是用文件輸入,有的是隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生,我的課設(shè)是參考了用文件輸入的方法,這樣做相比直接輸入迷宮操作要更簡(jiǎn)單。當(dāng)然用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生迷宮 比如用: for (i = 0; i < MAX_ROW; i+) for(j = 0; j < MAX_COL; j+) mazeij = (int) (rand() % 2); maze10 = 1; /* start point */ mazeMAX_ROW - 1MAX_COL - 2 = 1; /* end point */這樣產(chǎn)生迷宮要更加的方便。結(jié)果也有不確定性,可能可以有通路也可能沒(méi)有。對(duì)于迷宮的求解都是采用的“窮舉求解”的方法,用到了一些棧的知識(shí)。把以前學(xué)過(guò)的棧的基本操作實(shí)際應(yīng)用了一番也使有了更加清楚的認(rèn)識(shí)。 在求解迷宮的算法中,先設(shè)定當(dāng)前位置的初值為入口位置,然后Do若當(dāng)前位置可通,則將當(dāng)前位置插入棧頂; 若該位置是出口位置,則結(jié)束; 否則切換當(dāng)前位置的東鄰方塊為新的當(dāng)前位置; 否則 若棧不為空且棧頂位置尚有其它方向未被探索, 則設(shè)定新的當(dāng)前位置為延順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)找到的棧頂位置的下 一相鄰塊; 若棧不空但棧頂位置四周均不通, 則刪去棧頂位置; 若棧不為空,則重新測(cè)試新的棧頂位置, 直至找到一個(gè)可通的相鄰塊或出棧至???; 求解迷宮的算法大概就是這么個(gè)思路。六、 小結(jié)要能很好的掌握編程,僅僅通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的程序的編寫(xiě)是無(wú)法達(dá)成的,更需要的是大量的積累和深入研究才可能。在程序的編寫(xiě)中也不能一味的向已有的程序進(jìn)行模仿,而要自己去探索,去尋找最好的解決方法,只有帶著問(wèn)題去反復(fù)實(shí)踐,才能更熟練的掌握和運(yùn)用,當(dāng)然,對(duì)現(xiàn)有的程序也要多去接觸,因?yàn)橛行┏绦蚴俏覀冊(cè)诙虝r(shí)間內(nèi)無(wú)法想出來(lái)的,我們也應(yīng)該去參考別人的作品,這樣可以節(jié)約時(shí)間獲得更多的知識(shí)。最重要的是持之以恒,要經(jīng)常性的復(fù)習(xí)原來(lái)接觸到的程序,這樣才能保證我們有足夠的經(jīng)驗(yàn)去面對(duì)程序問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1. 嚴(yán)蔚敏,吳偉民數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語(yǔ)言版).清華大學(xué)出版社.20072. 嚴(yán)蔚敏,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)題集(C語(yǔ)言版).清華大學(xué)出版社.20073. 譚浩強(qiáng) ,C程序設(shè)計(jì)(第四版).清華大學(xué)出版社.200719