From 3b085825408b57b608b3d6c7d61a691a83fd6e0d Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: smirnovavyu Date: Fri, 4 Sep 2026 15:02:24 +0000 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=D0=97=D0=B0=D0=B3=D1=80=D1=83=D0=B7=D0=B8?= =?UTF-8?q?=D1=82=D1=8C=20=D1=84=D0=B0=D0=B9=D0=BB=D1=8B=20=D0=B2=20=C2=AB?= =?UTF-8?q?SmirnovaVYu/docs/data=C2=BB?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- SmirnovaVYu/docs/data/experiment.py | 94 +++++++ SmirnovaVYu/docs/data/hashtable.py | 30 +++ SmirnovaVYu/docs/data/linkedlist.py | 50 ++++ SmirnovaVYu/docs/data/main.py | 183 ++++--------- SmirnovaVYu/docs/data/results_analyzer.py | 297 ++++++++++++++++++++++ 5 files changed, 516 insertions(+), 138 deletions(-) create mode 100644 SmirnovaVYu/docs/data/experiment.py create mode 100644 SmirnovaVYu/docs/data/hashtable.py create mode 100644 SmirnovaVYu/docs/data/linkedlist.py create mode 100644 SmirnovaVYu/docs/data/results_analyzer.py diff --git a/SmirnovaVYu/docs/data/experiment.py b/SmirnovaVYu/docs/data/experiment.py new file mode 100644 index 0000000..3cfba7e --- /dev/null +++ b/SmirnovaVYu/docs/data/experiment.py @@ -0,0 +1,94 @@ +import time +import numpy as np +from linkedlist import ll_insert, ll_find, ll_delete +from hashtable import ht_create, ht_insert, ht_find, ht_delete +from bst import bst_insert, bst_find, bst_delete + + +def measure_insert(records, struct_type, params=None): #Замер времени вставки всех записей + start = time.perf_counter() + + if struct_type == 'linkedlist': + head = None + for name, phone in records: + head = ll_insert(head, name, phone) + result = head + + elif struct_type == 'hashtable': + size = params.get('size', 1000) if params else 1000 + buckets = ht_create(size) + for name, phone in records: + ht_insert(buckets, name, phone) + result = buckets + + elif struct_type == 'bst': + root = None + for name, phone in records: + root = bst_insert(root, name, phone) + result = root + + end = time.perf_counter() + return end - start, result + + +def measure_find(structure, names_to_find, struct_type): #Замер времени поиска записей + start = time.perf_counter() + + for name in names_to_find: + if struct_type == 'linkedlist': + ll_find(structure, name) + elif struct_type == 'hashtable': + ht_find(structure, name) + elif struct_type == 'bst': + bst_find(structure, name) + + end = time.perf_counter() + return end - start + + +def measure_delete(structure, names_to_delete, struct_type): #Замер времени удаления записей + start = time.perf_counter() + + for name in names_to_delete: + if struct_type == 'linkedlist': + structure = ll_delete(structure, name) + elif struct_type == 'hashtable': + ht_delete(structure, name) + elif struct_type == 'bst': + structure = bst_delete(structure, name) + + end = time.perf_counter() + return end - start, structure + + +def run_single_experiment(struct_type, mode, data_records, names_to_find, names_to_delete, repeats, params=None): #Запуск одного эксперимента + insert_times = [] + find_times = [] + delete_times = [] + + for i in range(repeats): + if struct_type == 'hashtable': + insert_time, structure = measure_insert(data_records, struct_type, params) + else: + insert_time, structure = measure_insert(data_records, struct_type) + insert_times.append(insert_time) + + find_time = measure_find(structure, names_to_find, struct_type) + find_times.append(find_time) + + delete_time, structure = measure_delete(structure, names_to_delete, struct_type) + delete_times.append(delete_time) + + return { + 'structure': struct_type, + 'mode': mode, + 'insert_mean': np.mean(insert_times), + 'insert_std': np.std(insert_times), + 'insert_all': insert_times, + 'find_mean': np.mean(find_times), + 'find_std': np.std(find_times), + 'find_all': find_times, + 'delete_mean': np.mean(delete_times), + 'delete_std': np.std(delete_times), + 'delete_all': delete_times + } \ No newline at end of file diff --git a/SmirnovaVYu/docs/data/hashtable.py b/SmirnovaVYu/docs/data/hashtable.py new file mode 100644 index 0000000..18fd39d --- /dev/null +++ b/SmirnovaVYu/docs/data/hashtable.py @@ -0,0 +1,30 @@ +from linkedlist import ll_insert, ll_find, ll_delete, ll_list_all + + +def hash_function(name, size): + return sum(ord(c) for c in name) % size + +def ht_create(size): + return [None] * size + +def ht_insert(buckets, name, phone): + index = hash_function(name, len(buckets)) + buckets[index] = ll_insert(buckets[index], name, phone) + +def ht_find(buckets, name): + index = hash_function(name, len(buckets)) + return ll_find(buckets[index], name) + +def ht_delete(buckets, name): + index = hash_function(name, len(buckets)) + buckets[index] = ll_delete(buckets[index], name) + +def ht_list_all(buckets): + records = [] + for bucket in buckets: + current = bucket + while current is not None: + records.append((current['name'], current['phone'])) + current = current['next'] + records.sort(key=lambda x: x[0]) + return records \ No newline at end of file diff --git a/SmirnovaVYu/docs/data/linkedlist.py b/SmirnovaVYu/docs/data/linkedlist.py new file mode 100644 index 0000000..6489ff9 --- /dev/null +++ b/SmirnovaVYu/docs/data/linkedlist.py @@ -0,0 +1,50 @@ +def ll_insert(head, name, phone): #Oбновление записи в связном списке + if head is None: + return {'name': name, 'phone': phone, 'next': None} + current = head + while current is not None: + if current['name'] == name: + current['phone'] = phone + return head + current = current['next'] + new_node = {'name': name, 'phone': phone, 'next': None} + current = head + while current['next'] is not None: + current = current['next'] + current['next'] = new_node + return head + + +def ll_find(head, name): #Поиск телефона по имени + current = head + while current is not None: + if current['name'] == name: + return current['phone'] + current = current['next'] + return None + + +def ll_delete(head, name): #Удаление записи по имени + if head is None: + return None + + if head['name'] == name: + return head['next'] + + current = head + while current['next'] is not None: + if current['next']['name'] == name: + current['next'] = current['next']['next'] + return head + current = current['next'] + return head + + +def ll_list_all(head): #Сбор всех записей и сортировка по имени + records = [] + current = head + while current is not None: + records.append((current['name'], current['phone'])) + current = current['next'] + records.sort(key=lambda x: x[0]) + return records \ No newline at end of file diff --git a/SmirnovaVYu/docs/data/main.py b/SmirnovaVYu/docs/data/main.py index 6926482..ecb7431 100644 --- a/SmirnovaVYu/docs/data/main.py +++ b/SmirnovaVYu/docs/data/main.py @@ -1,145 +1,52 @@ -import os -from builders import TextFileMazeBuilder -from strategies import BFSStrategy, DFSStrategy, AStarStrategy -from solver import MazeSolver -from observers import ConsoleView -from commands import Player -from experiments import run_all_experiments, save_results_to_csv, print_results_table - - -def create_test_mazes(): - os.makedirs("mazes", exist_ok=True) - - small = """########## -#S # -# ### ## # -# # # -### # #### -# # # -# ### # # -# # # -# # E# -##########""" - - medium = """#################### -#S # -# # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # -# E# -####################""" - - large = """############################## -#S # -# # # # # # # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # # # # # # -# # -# # # # # # # # # # # # # # # -# E# -##############################""" - - empty = "S" + " " * 28 + "E" - - no_exit = """####### -#S # -# ### # -# # # -#######""" - - with open("mazes/small.txt", "w") as f: - f.write(small) - with open("mazes/medium.txt", "w") as f: - f.write(medium) - with open("mazes/large.txt", "w") as f: - f.write(large) - with open("mazes/empty.txt", "w") as f: - f.write(empty) - with open("mazes/no_exit.txt", "w") as f: - f.write(no_exit) - - - -def demo_maze_solver(): - print("\n" + "=" * 60) - print("ДЕМОНСТРАЦИЯ РАБОТЫ MAZE SOLVER") - print("=" * 60) - - builder = TextFileMazeBuilder() - view = ConsoleView() - - maze = builder.build_from_file("mazes/small.txt") - view.update("maze_loaded", {"maze": maze}) - - strategies = [ - ("BFS", BFSStrategy(), "BFS"), - ("DFS", DFSStrategy(), "DFSs"), - ("A*", AStarStrategy(), "A*") - ] - - for name, strategy, description in strategies: - solver = MazeSolver(maze, strategy) - view.update("search_start", {"algorithm": description}) - - path, stats = solver.solve() - - if stats.path_found: - view.update("path_found", {"maze": maze, "path": path, "stats": stats}) - else: - view.update("no_path", {"stats": stats}) - - -def demo_player_controls(): - print("\n" + "=" * 60) - print("Command + Observer") - print("=" * 60) - - builder = TextFileMazeBuilder() - view = ConsoleView() - maze = builder.build_from_file("mazes/small.txt") - - player = Player(maze.start) - - view.update("maze_loaded", {"maze": maze}) - view.render(maze, player_position=player.current_cell) - - -def run_experiments(): - print("\n" + "=" * 60) - print("ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СРАВНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ") - print("=" * 60) - - maze_files = [ - "mazes/small.txt", - "mazes/medium.txt", - "mazes/large.txt", - "mazes/empty.txt", - "mazes/no_exit.txt" - ] - - results = run_all_experiments(maze_files, repeats=5) - save_results_to_csv(results) - print_results_table(results) +from config import N, REPEATS, HASH_TABLE_SIZE +from data_generator import generate_test_data, get_names_for_operations +from experiment import run_single_experiment +from results_analyzer import save_to_csv, plot_results, print_analysis, save_report_md def main(): - print("Объектно-ориентированная реализация с паттернами") - print("Паттерны: Builder, Strategy, Observer, Command") + print(f"Количество записей: {N}") + print(f"Количество повторов: {REPEATS}") + print(f"Размер хеш-таблицы: {HASH_TABLE_SIZE}") + print() + + records, records_shuffled, records_sorted = generate_test_data(N) + names_to_find, names_to_delete = get_names_for_operations(records) + + experiments = [ + ('linkedlist', 'случайный', records_shuffled), + ('linkedlist', 'отсортированный', records_sorted), + ('hashtable', 'случайный', records_shuffled), + ('hashtable', 'отсортированный', records_sorted), + ('bst', 'случайный', records_shuffled), + ('bst', 'отсортированный', records_sorted), + ] + + results = [] + + for struct_type, mode, data_records in experiments: + print(f"Тестирование: {struct_type} - {mode}") + + params = {'size': HASH_TABLE_SIZE} if struct_type == 'hashtable' else None + + result = run_single_experiment( + struct_type, mode, data_records, + names_to_find, names_to_delete, + REPEATS, params + ) + + results.append(result) + + print(f" Insert: {result['insert_mean']:.4f} ± {result['insert_std']:.4f} sec") + print(f" Find: {result['find_mean']:.4f} ± {result['find_std']:.4f} sec") + print(f" Delete: {result['delete_mean']:.4f} ± {result['delete_std']:.4f} sec") + print() + + save_to_csv(results) # docs/data/results.csv + plot_results(results) # docs/performance_chart.png + save_report_md(results) # docs/report.md + print_analysis(results) - create_test_mazes() - demo_maze_solver() - demo_player_controls() - run_experiments() if __name__ == "__main__": diff --git a/SmirnovaVYu/docs/data/results_analyzer.py b/SmirnovaVYu/docs/data/results_analyzer.py new file mode 100644 index 0000000..60b740b --- /dev/null +++ b/SmirnovaVYu/docs/data/results_analyzer.py @@ -0,0 +1,297 @@ +import csv +import os +import numpy as np +from matplotlib import pyplot as plt + + +def ensure_directories(): + os.makedirs('docs/data', exist_ok=True) + + +def save_to_csv(results, filename="docs/data/results.csv"): + ensure_directories() + + with open(filename, 'w', newline='', encoding='utf-8') as f: + writer = csv.writer(f) + writer.writerow(['Структура', 'Режим', 'Операция', + 'Повтор1', 'Повтор2', 'Повтор3', 'Повтор4', 'Повтор5', + 'Среднее', 'Стд_откл']) + + for res in results: + struct_name = res['structure'] + mode = res['mode'] + + for op, times, mean, std in [ + ('вставка', res['insert_all'], res['insert_mean'], res['insert_std']), + ('поиск', res['find_all'], res['find_mean'], res['find_std']), + ('удаление', res['delete_all'], res['delete_mean'], res['delete_std']) + ]: + row = [struct_name, mode, op] + times + [mean, std] + writer.writerow(row) + + +def plot_results(results, filename="docs/performance_chart.png"): + ensure_directories() + struct_names = { + 'linkedlist': 'LinkedList', + 'hashtable': 'HashTable', + 'bst': 'BST' + } + + operations = ['insert', 'find', 'delete'] + op_names = {'insert': 'Вставка', 'find': 'Поиск', 'delete': 'Удаление'} + random_data = {} + sorted_data = {} + + for res in results: + struct_name = struct_names.get(res['structure'], res['structure']) + mode = res['mode'] + + if mode == 'случайный': + random_data[struct_name] = { + 'insert': res['insert_mean'], + 'find': res['find_mean'], + 'delete': res['delete_mean'] + } + else: + sorted_data[struct_name] = { + 'insert': res['insert_mean'], + 'find': res['find_mean'], + 'delete': res['delete_mean'] + } + + structure_order = ['LinkedList', 'HashTable', 'BST'] + + fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(15, 5)) + + for idx, op in enumerate(operations): + ax = axes[idx] + + x = np.arange(len(structure_order)) + width = 0.35 + + random_means = [] + sorted_means = [] + + for struct in structure_order: + if struct in random_data: + random_means.append(random_data[struct][op]) + else: + random_means.append(0) + + if struct in sorted_data: + sorted_means.append(sorted_data[struct][op]) + else: + sorted_means.append(0) + + if not random_means and not sorted_means: + print(f" Нет данных для операции {op}") + continue + + bars1 = ax.bar(x - width/2, random_means, width, + label='Случайный порядок', color='skyblue') + bars2 = ax.bar(x + width/2, sorted_means, width, + label='Отсортированный порядок', color='salmon') + + ax.set_xlabel('Структура данных') + ax.set_ylabel('Время (секунды)') + ax.set_title(f'{op_names.get(op, op)}') + ax.set_xticks(x) + ax.set_xticklabels(structure_order) + ax.legend() + + for bar in bars1 + bars2: + height = bar.get_height() + if height > 0: + ax.annotate(f'{height:.3f}', + xy=(bar.get_x() + bar.get_width() / 2, height), + xytext=(0, 3), textcoords="offset points", + ha='center', va='bottom', fontsize=8) + + plt.tight_layout() + plt.savefig(filename, dpi=150) + plt.show() + +def save_report_md(results, filename="docs/report.md"): + ensure_directories() + + results_dict = {} + for res in results: + key = (res['structure'], res['mode']) + results_dict[key] = res + + def get_val(struct, mode, field): + key = (struct, mode) + if key in results_dict: + return results_dict[key][field] + return 0.0 + + ll_random_insert = get_val('linkedlist', 'случайный', 'insert_mean') + ll_random_find = get_val('linkedlist', 'случайный', 'find_mean') + ll_random_delete = get_val('linkedlist', 'случайный', 'delete_mean') + ll_sorted_insert = get_val('linkedlist', 'отсортированный', 'insert_mean') + ll_sorted_find = get_val('linkedlist', 'отсортированный', 'find_mean') + ll_sorted_delete = get_val('linkedlist', 'отсортированный', 'delete_mean') + + ht_random_insert = get_val('hashtable', 'случайный', 'insert_mean') + ht_random_find = get_val('hashtable', 'случайный', 'find_mean') + ht_random_delete = get_val('hashtable', 'случайный', 'delete_mean') + ht_sorted_insert = get_val('hashtable', 'отсортированный', 'insert_mean') + ht_sorted_find = get_val('hashtable', 'отсортированный', 'find_mean') + ht_sorted_delete = get_val('hashtable', 'отсортированный', 'delete_mean') + + bst_random_insert = get_val('bst', 'случайный', 'insert_mean') + bst_random_find = get_val('bst', 'случайный', 'find_mean') + bst_random_delete = get_val('bst', 'случайный', 'delete_mean') + bst_sorted_insert = get_val('bst', 'отсортированный', 'insert_mean') + bst_sorted_find = get_val('bst', 'отсортированный', 'find_mean') + bst_sorted_delete = get_val('bst', 'отсортированный', 'delete_mean') + + from datetime import datetime + + report_content = f"""# Отчёт по лабораторной работе + +## Цель работы + +Реализовать три структуры данных «с нуля» (связный список, хеш-таблица, двоичное дерево поиска), применить их для хранения записей телефонного справочника и экспериментально сравнить производительность основных операций. + +## Параметры эксперимента + +- Количество записей: 10000 +- Количество повторов каждого теста: 5 +- Размер хеш-таблицы: 1000 корзин + +## Результаты экспериментов + +### 1. Связный список + +| Режим | Вставка (сек) | Поиск (сек) | Удаление (сек) | +|-------|---------------|-------------|----------------| +| Случайный | {ll_random_insert:.4f} | {ll_random_find:.4f} | {ll_random_delete:.4f} | +| Отсортированный | {ll_sorted_insert:.4f} | {ll_sorted_find:.4f} | {ll_sorted_delete:.4f} | + +### 2. Хеш-таблица + +| Режим | Вставка (сек) | Поиск (сек) | Удаление (сек) | +|-------|---------------|-------------|----------------| +| Случайный | {ht_random_insert:.4f} | {ht_random_find:.4f} | {ht_random_delete:.4f} | +| Отсортированный | {ht_sorted_insert:.4f} | {ht_sorted_find:.4f} | {ht_sorted_delete:.4f} | + +### 3. Двоичное дерево поиска (BST) + +| Режим | Вставка (сек) | Поиск (сек) | Удаление (сек) | +|-------|---------------|-------------|----------------| +| Случайный | {bst_random_insert:.4f} | {bst_random_find:.4f} | {bst_random_delete:.4f} | +| Отсортированный | {bst_sorted_insert:.4f} | {bst_sorted_find:.4f} | {bst_sorted_delete:.4f} | + +## Анализ результатов + +### 1. Влияние порядка данных на BST + +На отсортированных данных BST деградирует с O(log n) до O(n). +Время вставки увеличилось с {bst_random_insert:.4f} до {bst_sorted_insert:.4f} секунд — в {bst_sorted_insert/bst_random_insert:.1f} раз. + +### 2. Почему хеш-таблица не чувствительна к порядку + +Хеш-функция распределяет элементы случайно, порядок ввода не влияет на позицию элемента. + +Разница между случайным и отсортированным порядком: +- Вставка: {ht_random_insert:.4f} vs {ht_sorted_insert:.4f} +- Отношение: {ht_sorted_insert/ht_random_insert:.2f}x (почти не чувствительна) + +### 3. Почему связный список медленный при поиске + +Поиск требует последовательного прохода O(n) без возможности индексации. +Поэтому связный список хорош только когда записей мало. +Для больших телефонных справочников он не подходит. + +Сравнение скорости поиска (случайные данные): +- LinkedList: {ll_random_find:.4f} сек +- HashTable: {ht_random_find:.4f} сек (в {ll_random_find/ht_random_find:.1f} раз быстрее) +- BST: {bst_random_find:.4f} сек + +### 4. Сравнение удаления + +| Структура | Сложность | Время на 50 удалений (случайные данные) | +|-----------|-----------|------------------------------------------| +| Связный список | O(n) | {ll_random_delete:.4f} сек | +| Хеш-таблица | O(1) в среднем | {ht_random_delete:.4f} сек | +| BST | O(log n) в среднем | {bst_random_delete:.4f} сек | + +## Вывод: + +| Задача | Рекомендация | Почему | +|--------|-------------|--------| +| Частый поиск | Хеш-таблица | O(1) в среднем, не зависит от порядка | +| Частые вставки/удаления | Хеш-таблица | Амортизированное O(1) | +| Нужен отсортированный вывод | Сбалансированное дерево (AVL/Red-Black) | In-order обход даёт сортировку | +| Мало данных (<100 элементов) | Связный список или массив | Простота, накладные расходы не оправданы | +| Последовательный доступ (очередь/стек) | Связный список | Вставка/удаление в начало/конец за O(1) | + +## Заключение + +Эксперимент наглядно демонстрирует: +1. **BST без балансировки опасен** — на отсортированных данных он деградирует до O(n) +2. **Хеш-таблица стабильна** — её производительность не зависит от порядка входных данных +3. **Связный список** подходит только для специфических задач с малым объёмом данных + +## Дата выполнения + +{datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')} +""" + + with open(filename, 'w', encoding='utf-8') as f: + f.write(report_content) + + +def print_analysis(results): + print("\n" + "="*60) + print("Анализ резов") + print("="*60) + + best_insert = min(results, key=lambda x: x['insert_mean']) + best_find = min(results, key=lambda x: x['find_mean']) + best_delete = min(results, key=lambda x: x['delete_mean']) + + print(f"\n Лучшая для вставки: {best_insert['structure']} ({best_insert['mode']}) - {best_insert['insert_mean']:.4f} сек") + print(f" Лучшая для поиска: {best_find['structure']} ({best_find['mode']}) - {best_find['find_mean']:.4f} сек") + print(f" Лучшая для удаления: {best_delete['structure']} ({best_delete['mode']}) - {best_delete['delete_mean']:.4f} сек") + + bst_random = None + bst_sorted = None + for res in results: + if res['structure'] == 'bst' and res['mode'] == 'случайный': + bst_random = res + elif res['structure'] == 'bst' and res['mode'] == 'отсортированный': + bst_sorted = res + + if bst_random and bst_sorted: + print("\n Влияние порядка данных на BST:") + print(f" Вставка: случайный {bst_random['insert_mean']:.4f} сек vs отсортированный {bst_sorted['insert_mean']:.4f} сек") + print(f" Деградация в {bst_sorted['insert_mean']/bst_random['insert_mean']:.1f}x") + + ht_random = None + ht_sorted = None + for res in results: + if res['structure'] == 'hashtable' and res['mode'] == 'случайный': + ht_random = res + elif res['structure'] == 'hashtable' and res['mode'] == 'отсортированный': + ht_sorted = res + + if ht_random and ht_sorted: + print("\n Чувствительность хеш-таблицы к порядку:") + print(f" Вставка: случайный {ht_random['insert_mean']:.4f} сек vs отсортированный {ht_sorted['insert_mean']:.4f} сек") + print(f" Отношение: {ht_sorted['insert_mean']/ht_random['insert_mean']:.2f}x (почти не чувствительна)") + + ll_random = None + for res in results: + if res['structure'] == 'linkedlist' and res['mode'] == 'случайный': + ll_random = res + elif res['structure'] == 'hashtable' and res['mode'] == 'случайный': + ht_random = res + + if ll_random and ht_random: + print("\n Сравнение скорости поиска:") + print(f" LinkedList: {ll_random['find_mean']:.4f} сек") + print(f" HashTable: {ht_random['find_mean']:.4f} сек") + print(f" HashTable быстрее в {ll_random['find_mean']/ht_random['find_mean']:.1f} раз") \ No newline at end of file