个人项目Individual Project:迷宫求解

源码的github链接:     

     https://github.com/zhangxue520/test

1.1问题描述:

a.问题描述:以一个m * n的长方阵表示迷宫,0和1分别表示迷宫的通路和障碍。设计一个程序,对任意设定的迷宫,求出一条从入口到出口的通路,或得出没有通路的结论。

b.基本要求 :

(1)实现一个以链表做存储的栈类型,然后编写一个求解迷宫的非递归程序。求的通路以三元组(i,j,d)的形式输出,其中:(i,j)指示迷宫中的一个坐标,d表示走到下一坐标的方向。如:对于下列数据的迷宫,输出一条通路:(1,1,1),(1,2,2),(2,2,2),(3,2,3),(3,1,2)……。

(2)编写递归形式的算法,求得迷宫中所有可能的道路;

(3)以方阵形式输出迷宫及其到道路(选做)

c.测试数据:迷宫的测试数据如下:左上角(1,1)为入口,右下角(8,9)为出口。

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

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1

1

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0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

d.实现提示:计算机解迷宫通常用的是“穷举求解”方法,即从入口出发,顺着米一个方向进行探索,若能走通,则继续往前进;否则沿着原路退回,换一个方向继续探索,直至出口位置,求的一条通路。假如所有的可能的通路都探索到而未能到出口,则所设定的迷宫没有通路。可以二维数组存储迷宫数据,通常设定入口点的下标为(1,1),出口点的下标为(n,n)。为处理器方便起见,可在迷宫的四周加上一圈障碍 。对于迷宫中任一位置,均可约定有东、西、南、北四个方向可通。

1.2需求分析:

本课程设计是解决迷宫求解的问题,从入口出发,顺某一方向向前探索,若能走通,则继续往前走;否则沿原路退回,换一个方向再继续探索,直至所有可能的通路都探索到为止。为了保证在任何位置上都能沿原路退回,显然需要用一个后进先出的结构来保存从入口到当前位置的路径。因此,在求迷宫通路的算法中要应用“栈”的思想假设“当前位置”指的是“在搜索过程中的某一时刻所在图中某个方块位置”,则求迷宫中一条路径的算法的基本思想是:若当前位置“可通”,则纳入“当前路径”,并继续朝“下一位置”探索,即切换“下一位置”为“当前位置”,如此重复直至到达出口;若当前位置“不可通”,则应顺着“来向”退回到“前一通道块”,然后朝着除“来向”之外的其他方向继续探索;若该通道块的四周4个方块均“不可通”,则应从“当前路径”上删除该通道块。所谓“下一位置”指的是当前位置四周4个方向(上、下、左、右)上相邻的方块。假设以栈记录“当前路径”,则栈顶中存放的是“当前路径上最后一个通道块”。由此,“纳入路径”

的操作即为“当前位置入栈”;“从当前路径上删除前一通道块”的操作即为“出栈”。

1.3设计要求:

要求设计程序输出如下:

(1) 建立一个大小为m×n的任意迷宫(迷宫数据可由用户输入或由程序自动生成),并在屏幕上显示出来;

(2)找出一条通路的二元组(i,j)数据序列,(i,j)表示通路上某一点的坐标。

(3)用一种标志(如数字8)在迷宫中标出该条通路;

(4)在屏幕上输出迷宫和通路;

(5)上述功能可用菜单选择。

二.实验总体方案及分析

2.1 问题分析:

1.迷宫的建立:

迷宫中存在通路和障碍,为了方便迷宫的创建,可用0表示通路,用1表示障碍,这样迷宫就可以用0、1矩阵来描述,

2.迷宫的存储:

迷宫是一个矩形区域,可以使用二维数组表示迷宫,这样迷宫的每一个位置都可以用其行列号来唯一指定,但是二维数组不能动态定义其大小,我们可以考虑先定义一个较大的二维数组maze[M+2][N+2],然后用它的前m行n列来存放元素,即可得到一个m×n的二维数组,这样(0,0)表示迷宫入口位置,(m-1,n-1)表示迷宫出口位置。

注:其中M,N分别表示迷宫最大行、列数,本程序M、N的缺省值为39、39,当然,用户也可根据需要,调整其大小。

3.迷宫路径的搜索:

首先从迷宫的入口开始,如果该位置就是迷宫出口,则已经找到了一条路径,搜索工作结束。否则搜索其上、下、左、右位置是否是障碍,若不是障碍,就移动到该位置,然后再从该位置开始搜索通往出口的路径;若是障碍就选择另一个相邻的位置,并从它开始搜索路径。为防止搜索重复出现,则将已搜索过的位置标记为2,同时保留搜索痕迹,在考虑进入下一个位置搜索之前,将当前位置保存在一个队列中,如果所有相邻的非障碍位置均被搜索过,且未找到通往出口的路径,则表明不存在从入口到出口的路径。这实现的是广度优先遍历的算法,如果找到路径,则为最短路径。

以矩阵 0 0 1 0 1  为例,来示范一下

1 0 0 1 0

1 0 0 0 1

0 0 1 0 0

首先,将位置(0,0)(序号0)放入队列中,其前节点为空,从它开始搜索,其标记变为2,由于其只有一个非障碍位置,所以接下来移动到(0,1)(序号1),其前节点序号为0,标记变为2,然后从(0,1)移动到(1,1)(序号2),放入队列中,其前节点序号为1,(1,1)存在(1,2)(序号3)、(2,1)(序号4)两个可移动位置,其前节点序号均为2.对于每一个非障碍位置,它的相邻非障碍节点均入队列,且它们的前节点序号均为该位置的序号,所以如果存在路径,则从出口处节点的位置,逆序就可以找到其从出口到入口的通路。

如下表所示:

0           1          2           3            4           5           6          7          8           9          10

(0,0)

(0,1)

(1,1)

(1,2)

(2,1)

(2,2)

(1,3)

(2,3)

(0,3)

(3,3)

(3,4)

-1

0

1

2

2

3

4

5

6

7

9

由此可以看出,得到最短路径:(3,4)(3,3)(2,3)(2,2)(1,2)(1,1)(0,1)(0,0)

搜索算法流程图如下所示:

个人项目Individual Project:迷宫求解

2.2 概要设计

1.①构建一个二维数组maze[M+2][N+2]用于存储迷宫矩阵

②自动或手动生成迷宫,即为二维数组maze[M+2][N+2]赋值

③构建一个队列用于存储迷宫路径

④建立迷宫节点struct point,用于存储迷宫中每个节点的访问情况

⑤实现搜索算法

⑥屏幕上显示操作菜单

2.本程序包含10个函数:

(1)主函数 main()

(2)手动生成迷宫函数 shoudong_maze()

(3)自动生成迷宫函数 zidong_maze()

(4)将迷宫打印成图形 print_maze()

(5)打印迷宫路径 (若存在路径) result_maze()

(6)入队 enqueue()

(7)出队 dequeue()

(8)判断队列是否为空 is_empty()

(9)访问节点 visit()

(10)搜索迷宫路径 mgpath()

2.3 详细设计

实现概要设计中定义的所有数据类型及操作的伪代码算法

  1. 节点类型和指针类型

迷宫矩阵类型:int maze[M+2][N+2];为方便操作使其为全局变量

迷宫中节点类型及队列类型:struct point{int row,col,predecessor} que[512]

  1. 迷宫的操作

(1)手动生成迷宫

void shoudong_maze(int m,int n)

{定义i,j为循环变量

for(i<=m)

for(j<=n)

输入maze[i][j]的值

}

(2)自动生成迷宫

void zidong_maze(int m,int n)

{定义i,j为循环变量

for(i<=m)

for(j<=n)

maze[i][j]=rand()%2   //由于rand()产生的随机数是从0到RAND_MAX,RAND_MAX是定义在stdlib.h中的,其值至少为32767),要产生从X到Y的数,只需要这样写:k=rand()%(Y-X+1)+X;

}

(3)打印迷宫图形

void print_maze(int m,int n)

{用i,j循环变量,将maze[i][j]输出 □、■}

(4)打印迷宫路径

void result_maze(int m,int n)

{用i,j循环变量,将maze[i][j]输出 □、■、☆}

(5)搜索迷宫路径

①迷宫中队列入队操作

void enqueue(struct point p)

{将p放入队尾,tail++}

②迷宫中队列出队操作

struct point dequeue(struct point p)

{head++,返回que[head-1]}

③判断队列是否为空

int is_empty()

{返回head==tail的值,当队列为空时,返回0}

④访问迷宫矩阵中节点

void visit(int row,int col,int maze[41][41])

{建立新的队列节点visit_point,将其值分别赋为row,col,head-1,maze[row][col]=2,表示该节点以被访问过;调用enqueue(visit_point),将该节点入队}

⑤路径求解

void mgpath(int maze[41][41],int m,int n)

{先定义入口节点为struct point p={0,0,-1},从maze[0][0]开始访问。如果入口处即为障碍,则此迷宫无解,返回0 ,程序结束。否则访问入口节点,将入口节点标记为访问过maze[p.row][p.col]=2,调用函数enqueue(p)将该节点入队。

判断队列是否为空,当队列不为空时,则运行以下操作:

{ 调用dequeue()函数,将队头元素返回给p,

如果p.row==m-1且p.col==n-1,即到达出口节点,即找到了路径,结束

如果p.col+1<n且maze[p.row][p.col+1]==0,说明未到迷宫右边界,且其右方有通路,则visit(p.row,p.col+1,maze),将右边节点入队标记已访问

如果p.row+1<m且maze[p.row+1][p.col]==0,说明未到迷宫下边界,且其下方有通路,则visit(p.row+1,p.col,maze),将下方节点入队标记已访问

如果p.col-1>0且maze[p.row][p.col-1]==0,说明未到迷宫左边界,且其左方有通路,则visit(p.row,p.col-1,maze),将左方节点入队标记已访问

如果p.row-1>0且maze[p.row-1][p.col]==0,说明未到迷宫上边界,且其上方有通路,则visit(p.row,p.col+1,maze),将上方节点入队标记已访问

}

访问到出口(找到路径)即p.row==m-1且p.col==n-1,则逆序将路径标记为3即maze[p.row][p.col]==3;

while(p.predecessor!=-1)

{p=queue[p.predecessor]; maze[p.row][p.col]==3;}

最后将路径图形打印出来。

3.菜单选择

while(cycle!=(-1))

☆  手动生成迷宫  请按:1

☆  自动生成迷宫  请按:2

☆  退出          请按:3

scanf("%d",&i);

switch(i)

{ case 1:请输入行列数(如果超出预设范围则提示重新输入)

shoudong_maze(m,n);

print_maze(m,n);

mgpath(maze,m,n);

if(X!=0) result_maze(m,n);

case 2 :请输入行列数(如果超出预设范围则提示重新输入)

zidong_maze(m,n);

print_maze(m,n);

mgpath(maze,m,n);

if(X!=0) result_maze(m,n);

case 3:cycle=(-1); break;

}

注:具体源代码见附录

2.4 调试分析

1.在调试过程中,首先使用的是栈进行存储,但是产生的路径是多条或不是最短路径,所以通过算法比较,改用此算法

2.调试过程出现了最多60个错误。后经多次调试检查,发现有些格式问题没有注意比如函数括号的放置等。

2.5 测试结果

1.手动输入迷宫

个人项目Individual Project:迷宫求解

2.自动生成迷宫

个人项目Individual Project:迷宫求解

实验总结:

通过这段时间的实验,我对计算机的应用,C语言的使用都有了更深的了解。尤其是C语言的进步让我深刻的感受到任何所学的知识都需要实践,没有实践就无法真正理解这些知识以及掌握它们,使其成为自己的财富。在理论学习和上机实践的各个环节中,通过自主学习和跟同学交流,我收获了不少。当然也遇到不少的问题,也正是因为这些问题引发的思考给我带了收获。从当初不喜欢上机写程序到现在能主动写程序,从当初拿着程序不只如何下手到现在知道如何分析问题,如何用专业知识解决实际问题的转变,我发现无论是专业知识还是动手能力,自己都有很大程度的提高。在这段时间里,我对for、while等的循环函数用法更加熟悉,逐渐形成了较好的编程习惯。在老师的指导帮助下,同学们课余时间的讨论中,这些问题都一一得到了解决。在程序的调试能力上,无形中得到了许多的提高。例如:头文件的使用,变量和数组的范围问题,定义变量时出现的问题等等。

在实际的上机操作过程中,不仅是让我们了解数据结构的理论知识,更重要的是培养解决实际问题的能力,所以相信通过此次实习可以提高我们分析设计能力和编程能力,为后续课程的学习及实践打下良好的基础。

附录:

#include"stdlib.h"

#include"stdio.h"

#define N 39

#define M 39

int X;

int maze[N+2][M+2];

struct point{

int row,col,predecessor;

}queue[512];

int head=0,tail=0;

void shoudong_maze(int m,int n){

int i,j;

printf("\n\n");

printf("请按行输入迷宫,0表示通路,1表示障碍:\n\n");

for(i=0;i<m;i++)

for(j=0;j<n;j++)

scanf("%d",&maze[i][j]);

}

void zidong_maze(int m,int n){

int i,j;

printf("\n迷宫生成中……\n\n");

system("pause");

for(i=0;i<m;i++)

for(j=0;j<n;j++)

maze[i][j]=rand()%2;

//由于rand()产生的随机数是从0到RAND_MAX

//RAND_MAX是定义在stdlib.h中的,其值至少为32767)

//要产生从X到Y的数,只需要这样写:k=rand()%(Y-X+1)+X;

}

void print_maze(int m,int n){

int i,j;

printf("\n迷宫生成结果如下:\n\n");

printf("迷宫入口\n");

printf("↓");

for(i=0;i<m;i++)

{printf("\n");

for(j=0;j<n;j++)

{if(maze[i][j]==0) printf("□");

if(maze[i][j]==1) printf("■");}

}

printf("→迷宫出口\n");

}

void result_maze(int m,int n){

int i,j;

printf("迷宫通路(用☆表示)如下所示:\n\t");

for(i=0;i<m;i++)

{printf("\n");

for(j=0;j<n;j++)

{if(maze[i][j]==0||maze[i][j]==2) printf("□");

if(maze[i][j]==1) printf("■");

if(maze[i][j]==3) printf("☆");

}

}

}

void enqueue(struct point p){

queue[tail]=p;

tail++;

}

struct point dequeue(){

head++;

return queue[head-1];

}

int is_empty(){

return head==tail;

}

void visit(int row,int col,int maze[41][41]){

struct point visit_point={row,col,head-1};

maze[row][col]=2;

enqueue(visit_point);

}

int mgpath(int maze[41][41],int m,int n){

X=1;

struct point p={0,0,-1};

if(maze[p.row][p.col]==1)

{printf("\n===============================================\n");

printf("此迷宫无解\n\n");X=0;return 0;}

maze[p.row][p.col]=2;

enqueue(p);

while(!is_empty())

{p=dequeue();

if((p.row==m-1)&&(p.col==n-1)) break;

if((p.col+1<n)&&(maze[p.row][p.col+1]==0)) visit(p.row,p.col+1,maze);

if((p.row+1<m)&&(maze[p.row+1][p.col]==0)) visit(p.row+1,p.col,maze);

if((p.col-1>=0)&&(maze[p.row][p.col-1]==0)) visit(p.row,p.col-1,maze);

if((p.row-1>=0)&&(maze[p.row-1][p.col]==0)) visit(p.row-1,p.col,maze);

}

if(p.row==m-1&&p.col==n-1)

{printf("\n==================================================================\n");

printf("迷宫路径为:\n");

printf("(%d,%d)\n",p.row,p.col);

maze[p.row][p.col]=3;

while(p.predecessor!=-1)

{p=queue[p.predecessor];

printf("(%d,%d)\n",p.row,p.col);

maze[p.row][p.col]=3;

}

}

else {printf("\n=============================================================\n");

printf("此迷宫无解!\n\n");X=0;}

return 0;

}

void main()

{int i,m,n,cycle=0;

while(cycle!=(-1))

{

printf("********************************************************************************\n");

printf("                              欢迎进入迷宫求解系统\n");

printf("                                                    设计者:董学菲               \n");

printf("********************************************************************************\n");

printf("                           ☆  手动生成迷宫  请按:1\n");

printf("                           ☆  自动生成迷宫  请按:2\n");

printf("                           ☆  退出          请按:3\n\n");

printf("********************************************************************************\n");

printf("\n");

printf("请选择你的操作:\n");

scanf("%d",&i);

switch(i)

{case 1:printf("\n请输入行数:");scanf("%d",&m);

printf("\n");

printf("请输入列数:");scanf("%d",&n);

while((m<=0||m>39)||(n<=0||n>39))

{printf("\n抱歉,你输入的行列数超出预设范围(0-39,0-39),请重新输入:\n\n");

printf("请输入行数:");scanf("%d",&m);

printf("\n");

printf("请输入列数:");scanf("%d",&n);

}

shoudong_maze(m,n);

print_maze(m,n);

mgpath(maze,m,n);

if(X!=0) result_maze(m,n);

printf("\n\nPress Enter Contiue!\n");getchar();while(getchar()!='\n');break;

case 2:printf("\n请输入行数:");scanf("%d",&m);

printf("\n");

printf("请输入列数:");scanf("%d",&n);

while((m<=0||m>39)||(n<=0||n>39))

{printf("\n抱歉,你输入的行列数超出预设范围(0-39,0-39),请重新输入:\n\n");

printf("请输入行数:");scanf("%d",&m);

printf("\n");

printf("请输入列数:");scanf("%d",&n);

}

zidong_maze(m,n);

print_maze(m,n);

mgpath(maze,m,n);

if(X!=0) result_maze(m,n);

printf("\n\nPress Enter Contiue!\n");getchar();while(getchar()!='\n');break;

case 3:cycle=(-1);break;

default:printf("\n");printf("你的输入有误!\n");

printf("\nPress Enter Contiue!\n");getchar();while(getchar()!='\n');break;

}

}

}

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