7.3 KiB
Лабораторная работа 2
Поиск выхода из лабиринта
Цель работы
Цель работы состоит в реализации программы для поиска выхода из лабиринта с использованием объектно ориентированного подхода и паттернов проектирования
В программе реализована загрузка лабиринта из файла несколько алгоритмов поиска и сравнение их работы
Структура программы
В программе используются классы Cell для отдельной клетки лабиринта и Maze для самого лабиринта
Для загрузки используется MazeBuilder и его реализация TextFileMazeBuilder
Для поиска пути используется общий класс PathFindingStrategy и три алгоритма BFSStrategy DFSStrategy и AStarStrategy
За хранение результатов отвечает SearchStats а запуск поиска выполняет MazeSolver
Для вывода информации используются Observer и ConsoleView
Использованные паттерны
В работе использованы три паттерна Builder Strategy и Observer
Builder используется для загрузки лабиринта из текстового файла
TextFileMazeBuilder читает файл и создаёт объект Maze
В файле символ # обозначает стену пробел обозначает свободную клетку S является началом а E выходом
Использование Builder позволяет отдельно реализовать загрузку лабиринта и сам класс лабиринта
Strategy используется для выбора алгоритма поиска
В программе реализованы BFS DFS и A*
Все алгоритмы имеют общий интерфейс PathFindingStrategy поэтому в MazeSolver можно менять алгоритм без изменения самого решателя
Observer используется для вывода информации о поиске
MazeSolver отправляет события а ConsoleView получает их и выводит информацию в консоль
Таким образом вывод отделён от основной логики поиска
Алгоритмы поиска
BFS использует очередь и при обычных условиях находит кратчайший путь в лабиринте без весов
DFS использует стек и может найти путь быстрее но найденный путь не обязательно будет кратчайшим
A* использует очередь с приоритетом и манхэттенскую эвристику поэтому старается в первую очередь проверять клетки которые находятся ближе к выходу
Схема классов
classDiagram
class Cell { x y is_wall is_start is_exit is_passable() }
class Maze { width height cells start exit get_cell() get_neighbors() }
class MazeBuilder { build_from_file() }
class TextFileMazeBuilder { build_from_file() }
class PathFindingStrategy { find_path() }
class BFSStrategy { find_path() }
class DFSStrategy { find_path() }
class AStarStrategy { find_path() }
class SearchStats { path time_ms visited_count path_length }
class MazeSolver { maze strategy set_strategy() solve() }
class Observer { update() }
class ConsoleView { update() }
MazeBuilder <|-- TextFileMazeBuilder PathFindingStrategy <|-- BFSStrategy PathFindingStrategy <|-- DFSStrategy PathFindingStrategy <|-- AStarStrategy Observer <|-- ConsoleView MazeSolver --> Maze MazeSolver --> PathFindingStrategy MazeSolver --> Observer Maze --> Cell Тестирование
Для проверки использовалось пять разных лабиринтов
simple.txt представляет простой лабиринт dead.txt содержит тупики large.txt является большим запутанным лабиринтом empty.txt не содержит стен а в noexit.txt выход недостижим
Каждый алгоритм запускался пять раз
Во время эксперимента измерялось время поиска количество посещённых клеток и длина найденного пути
Результаты сохранялись в файл results.csv
Результаты
simple.txt Алгоритм Время мс Посещено Путь BFS 0.01464 11 6 DFS 0.01018 9 8 A* 0.01774 9 6
Все алгоритмы работают быстро
BFS и A* нашли более короткий путь чем DFS
dead.txt Алгоритм Время мс Посещено Путь BFS 0.36430 307 35 DFS 0.23494 279 151 A* 0.38374 235 35
DFS работал немного быстрее но нашёл более длинный путь
BFS и A* нашли короткий путь
large.txt Алгоритм Время мс Посещено Путь BFS 23.89446 6812 2329 DFS 84.77876 6796 4537 A* 28.69542 6791 2329
На большом лабиринте DFS показал худшее время и самый длинный путь
BFS и A* нашли одинаковый путь
empty.txt Алгоритм Время мс Посещено Путь BFS 1.277
04 1176 48 DFS 7.60228 2304 1176 A* 0.10094 48 48
В лабиринте без стен лучше всего показал себя A*
Он посетил меньше всего клеток и работал быстрее
noexit.txt Алгоритм Время мс Посещено Путь BFS 0.00370 1 0 DFS 0.00320 1 0 A* 0.00412 1 0
В этом лабиринте выход недостижим поэтому все алгоритмы быстро закончили поиск
Графики
Для сравнения времени работы были построены графики для каждого лабиринта
Графики находятся в папке docs/data
simple_time.png dead_time.png large_time.png empty_time.png и noexit_time.png
Вывод
В работе была создана программа для поиска выхода из лабиринта
Были реализованы BFS DFS и A* а также использованы паттерны Builder Strategy и Observer
По результатам эксперимента BFS хорошо подходит для поиска кратчайшего пути DFS может найти путь быстрее но он не всегда получается коротким A* хорошо показывает себя на больших и открытых лабиринтах