數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設計-迷宮問題.doc

課程設計(論文)題 目 名 稱 迷宮問題 課 程 名 稱 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設計 學 生 姓 名 學 號 系 、專 業(yè) 信息工程系、電子科學與技術(shù) 指 導 教 師 2011年 12月 13 日目 錄1課程設計內(nèi)容和要求31問題描述32 設計要求33設計的目的32 需求分析4 1 迷宮的建立4 2 迷宮的存儲4 3 迷宮路徑的搜索53 概要設計64 詳細設計75 測試分析106 課程設計總結(jié)11參考文獻12附錄（源程序清單）131課程設計內(nèi)容和要求1問題描述 設計一個簡單迷宮程序，從入口出發(fā)，按某一方向向前探索，若能走通（未走過的），即某處可以到達，則到達新點，否則試探下一方向；若所有方向均沒有通路，則沿原點返回前一點，換下一個方向在繼續(xù)試探，直到所有可能的通路都探索到，或找到一條通路，或無路可走又返回到入口點。并利用兩種方法實現(xiàn)：一種用棧實現(xiàn)，另一種用隊列實現(xiàn)。 2設計要求要求設計程序輸出如下：(1) 建立一個大小為mn的任意迷宮（迷宮數(shù)據(jù)可由用戶輸入或由程序自動生成），并在屏幕上顯示出來；（2）找出一條通路的二元組（i,j）數(shù)據(jù)序列，（i,j）表示通路上某一點的坐標。（3）用一種標志（如數(shù)字8）在迷宮中標出該條通路；（4）在屏幕上輸出迷宮和通路；（5）上述功能可用菜單選擇。3設計的目的僅僅認識到隊列是一種特殊的線性表是遠遠不夠的，本次實習的目的在于使學生深入了解隊列的特征，以便在實際問題背景下靈活運用它，同時還將鞏固這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法2 需求分析 1.迷宮的建立：迷宮中存在通路和障礙，為了方便迷宮的創(chuàng)建，可用0表示通路，用1表示障礙，這樣迷宮就可以用0、1矩陣來描述，2.迷宮的存儲：迷宮是一個矩形區(qū)域，可以使用二維數(shù)組表示迷宮，這樣迷宮的每一個位置都可以用其行列號來唯一指定，但是二維數(shù)組不能動態(tài)定義其大小，我們可以考慮先定義一個較大的二維數(shù)組mazeM+2N+2,然后用它的前m行n列來存放元素，即可得到一個mn的二維數(shù)組，這樣(0,0)表示迷宮入口位置，(m-1,n-1)表示迷宮出口位置。注：其中M，N分別表示迷宮最大行、列數(shù)，本程序M、N的缺省值為39、39，當然，用戶也可根據(jù)需要，調(diào)整其大小。3.迷宮路徑的搜索：首先從迷宮的入口開始，如果該位置就是迷宮出口，則已經(jīng)找到了一條路徑，搜索工作結(jié)束。否則搜索其上、下、左、右位置是否是障礙，若不是障礙，就移動到該位置，然后再從該位置開始搜索通往出口的路徑；若是障礙就選擇另一個相鄰的位置，并從它開始搜索路徑。為防止搜索重復出現(xiàn)，則將已搜索過的位置標記為2，同時保留搜索痕跡，在考慮進入下一個位置搜索之前，將當前位置保存在一個隊列中，如果所有相鄰的非障礙位置均被搜索過，且未找到通往出口的路徑，則表明不存在從入口到出口的路徑。這實現(xiàn)的是廣度優(yōu)先遍歷的算法，如果找到路徑，則為最短路徑。以矩陣 0 0 1 0 1 為例，來示范一下 1 0 0 1 0 1 0 0 0 10 0 1 0 0搜索算法流程圖如下所示： 首先，將位置(0,0)(序號0)放入隊列中，其前節(jié)點為空，從它開始搜索，其標記變?yōu)?，由于其只有一個非障礙位置，所以接下來移動到(0,1)(序號1)，其前節(jié)點序號為0，標記變?yōu)?，然后從(0,1)移動到(1,1)(序號2)，放入隊列中，其前節(jié)點序號為1，(1,1)存在(1，2)(序號3)、(2，1)(序號4)兩個可移動位置，其前節(jié)點序號均為2.對于每一個非障礙位置，它的相鄰非障礙節(jié)點均入隊列，且它們的前節(jié)點序號均為該位置的序號，所以如果存在路徑，則從出口處節(jié)點的位置，逆序就可以找到其從出口到入口的通路。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)-10122345679由此可以看出，得到最短路徑：(3,4)(3,3)(2,3)(2,2)(1,2)(1,1)(0,1)(0,0)3 概要設計1 .構(gòu)建一個二維數(shù)組mazeM+2N+2用于存儲迷宮矩陣自動或手動生成迷宮，即為二維數(shù)組mazeM+2N+2賦值構(gòu)建一個隊列用于存儲迷宮路徑建立迷宮節(jié)點struct point,用于存儲迷宮中每個節(jié)點的訪問情況實現(xiàn)搜索算法屏幕上顯示操作菜單2.本程序包含10個函數(shù)： (1)主函數(shù) main()(2)手動生成迷宮函數(shù) shoudong_maze()(3)自動生成迷宮函數(shù) zidong_maze()(4)將迷宮打印成圖形 print_maze()(5)打印迷宮路徑 (若存在路徑) result_maze()(6)入隊 enqueue()(7)出隊 dequeue()(8)判斷隊列是否為空 is_empty()(9)訪問節(jié)點 visit()(10)搜索迷宮路徑 mgpath()4 詳細設計實現(xiàn)概要設計中定義的所有數(shù)據(jù)類型及操作的偽代碼算法1. 節(jié)點類型和指針類型迷宮矩陣類型：int mazeM+2N+2;為方便操作使其為全局變量迷宮中節(jié)點類型及隊列類型：struct pointint row,col,predecessor que5122. 迷宮的操作(1)手動生成迷宮void shoudong_maze(int m,int n)定義i,j為循環(huán)變量for(i=m)for(j=n)輸入mazeij的值(2)自動生成迷宮void zidong_maze(int m,int n)定義i,j為循環(huán)變量for(i=m)for(j=n)mazeij=rand()%2 /由于rand()產(chǎn)生的隨機數(shù)是從0到RAND_MAX,RAND_MAX是定義在stdlib.h中的,其值至少為32767),要產(chǎn)生從X到Y(jié)的數(shù),只需要這樣寫：k=rand()%(Y-X+1)+X;(3)打印迷宮圖形void print_maze(int m,int n)用i,j循環(huán)變量，將mazeij輸出 、(4)打印迷宮路徑void result_maze(int m,int n)用i,j循環(huán)變量，將mazeij輸出 、(5)搜索迷宮路徑迷宮中隊列入隊操作void enqueue(struct point p)將p放入隊尾，tail+迷宮中隊列出隊操作struct point dequeue(struct point p)head+,返回quehead-1判斷隊列是否為空int is_empty()返回head=tail的值，當隊列為空時，返回0訪問迷宮矩陣中節(jié)點void visit(int row,int col,int maze4141)建立新的隊列節(jié)點visit_point,將其值分別賦為row, col,head-1,mazerowcol=2,表示該節(jié)點以被訪問過;調(diào)用enqueue(visit_point),將該節(jié)點入隊路徑求解void mgpath(int maze4141,int m,int n)先定義入口節(jié)點為struct point p=0,0,-1,從maze00開始訪問。如果入口處即為障礙，則此迷宮無解，返回0 ，程序結(jié)束。否則訪問入口節(jié)點，將入口節(jié)點標記為訪問過mazep.rowp.col=2,調(diào)用函數(shù)enqueue(p)將該節(jié)點入隊。判斷隊列是否為空，當隊列不為空時，則運行以下操作： 調(diào)用dequeue()函數(shù)，將隊頭元素返回給p，如果p.row=m-1且p.col=n-1,即到達出口節(jié)點，即找到了路徑，結(jié)束如果p.col+1n且mazep.rowp.col+1=0,說明未到迷宮右邊界，且其右方有通路,則visit(p.row,p.col+1,maze),將右邊節(jié)點入隊標記已訪問如果p.row+10且mazep.rowp.col-1=0,說明未到迷宮左邊界，且其左方有通路,則visit(p.row,p.col-1,maze),將左方節(jié)點入隊標記已訪問如果p.row-10且mazep.row-1p.col=0,說明未到迷宮上邊界，且其上方有通路,則visit(p.row,p.col+1,maze),將上方節(jié)點入隊標記已訪問訪問到出口(找到路徑)即p.row=m-1且p.col=n-1,則逆序?qū)⒙窂綐擞洖?即mazep.rowp.col=3;while(p.predecessor!=-1)p=queuep.predecessor; mazep.rowp.col=3; 最后將路徑圖形打印出來。3.菜單選擇 while(cycle!=(-1) 手動生成迷宮 請按：1 自動生成迷宮 請按：2 退出 請按：3 scanf(%d,&i); switch(i) case 1：請輸入行列數(shù)(如果超出預設范圍則提示重新輸入) shoudong_maze(m,n); print_maze(m,n);mgpath(maze,m,n);if(X!=0) result_maze(m,n);case 2 ：請輸入行列數(shù)(如果超出預設范圍則提示重新輸入) 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：具體源代碼見附錄5 測試分析測試數(shù)據(jù)，輸出測試的結(jié)果，這里的測試數(shù)據(jù)應該完整和嚴格。并對結(jié)果進行分析。測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如下：在調(diào)試過程中，首先使用的是棧進行存儲，但是產(chǎn)生的路徑是多條或不是最短路徑，所以通過算法比較，棧算法求得的路徑不一定是最短路徑，而用隊列求得的路徑是最短路徑。6 課程設計總結(jié)通過這段時間的課程設計，本人對計算機的應用，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用以及C語言的使用都有了更深的了解。尤其是C語言的進步讓我深刻的感受到任何所學的知識都需要實踐，沒有實踐就無法真正理解這些知識以及掌握它們，使其成為自己的財富。在理論學習和上機實踐的各個環(huán)節(jié)中，通過自主學習和請教老師，我收獲了不少。當然也遇到不少的問題，也正是因為這些問題引發(fā)的思考給我?guī)Я耸斋@。從當初不喜歡上機寫程序到現(xiàn)在能主動寫程序，從當初拿著程序不只如何下手到現(xiàn)在知道如何分析問題，如何用專業(yè)知識解決實際問題的轉(zhuǎn)變，我發(fā)現(xiàn)無論是專業(yè)知識還是動手能力，自己都有很大程度的提高。在這段時間里，我對for、while等的循環(huán)函數(shù)用法更加熟悉，逐漸形成了較好的編程習慣。在老師的指導幫助下，同學們課余時間的討論中，這些問題都一一得到了解決。在程序的調(diào)試能力上，無形中得到了許多的提高。例如：頭文件的使用，變量和數(shù)組的范圍問題，定義變量時出現(xiàn)的問題等等。在實際的上機操作過程中，不僅是讓我們了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識，更重要的是培養(yǎng)解決實際問題的能力，所以相信通過此次實習可以提高我們分析設計能力和編程能力，為后續(xù)課程的學習及實踐打下良好的基礎。在這次短短的課程實踐里，我們得到了老師的關心和幫助。她給了我們很多的信息，與我們一起探討問題，詢問我們遇到了哪些問題并耐心給予指導。當我們遇到技術(shù)上難以解決的問題時，她就會指導我們解決問題，她把自己多年來積累的經(jīng)驗教授給我們，使我們順利地完成了課程實踐任務。時間過得真快，大學生活不知不覺就走過了一年，一年的大學學習和課程實踐階段的提高，使我們本身知識得到提高的同時，也增強了我們對未來工作的信心，我們相信自己未來三年的學習更使我們有能力勝任將來的工作。參考文獻1 黃同成，黃俊民，董建寅數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M北京：中國電力出版社，20082 董建寅，黃俊民，黃同成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗指導與題解M北京：中國電力出版社，20083 嚴蔚敏，吳偉民. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）M. 北京：清華大學出版社，20024 劉振鵬，張曉莉，郝杰數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M北京：中國鐵道出版社，2003附錄（源程序清單）#includestdlib.h#includestdio.h#define N 39#define M 39int X;int mazeN+2M+2;struct pointint row,col,predecessor;queue512;int head=0,tail=0;void shoudong_maze(int m,int n)int i,j;printf(nn);printf(請按行輸入迷宮，0表示通路，1表示障礙:nn);for(i=0;im;i+)for(j=0;jn;j+) scanf(%d,&mazeij);void zidong_maze(int m,int n)int i,j;printf(n迷宮生成中nn);system(pause);for(i=0;im;i+)for(j=0;jn;j+)mazeij=rand()%2;/由于rand()產(chǎn)生的隨機數(shù)是從0到RAND_MAX/RAND_MAX是定義在stdlib.h中的,其值至少為32767)/要產(chǎn)生從X到Y(jié)的數(shù),只需要這樣寫：k=rand()%(Y-X+1)+X; void print_maze(int m,int n)int i,j;printf(n迷宮生成結(jié)果如下:nn);printf(迷宮入口n);printf();for(i=0;im;i+)printf(n);for(j=0;jn;j+) if(mazeij=0) printf(); if(mazeij=1) printf();printf(迷宮出口n);void result_maze(int m,int n)int i,j;printf(迷宮通路(用表示)如下所示：nt);for(i=0;im;i+)printf(n); for(j=0;jn;j+) if(mazeij=0|mazeij=2) printf(); if(mazeij=1) printf(); if(mazeij=3) printf(); void enqueue(struct point p)queuetail=p;tail+;struct point dequeue()head+;return queuehead-1;int is_empty()return head=tail;void visit(int row,int col,int maze4141)struct point visit_point=row,col,head-1;mazerowcol=2;enqueue(visit_point);int mgpath(int maze4141,int m,int n)X=1;struct point p=0,0,-1;if(mazep.rowp.col=1)printf(n=n);printf(此迷宮無解nn);X=0;return 0;mazep.rowp.col=2;enqueue(p);while(!is_empty()p=dequeue();if(p.row=m-1)&(p.col=n-1) break;if(p.col+1n)&(mazep.rowp.col+1=0) visit(p.row,p.col+1,maze);if(p.row+1=0)&(mazep.rowp.col-1=0) visit(p.row,p.col-1,maze);if(p.row-1=0)&(mazep.row-1p.col=0) visit(p.row-1,p.col,maze);if(p.row=m-1&p.col=n-1)printf(n=n);printf(迷宮路徑為：n);printf(%d,%d)n,p.row,p.col);mazep.rowp.col=3;while(p.predecessor!=-1)p=queuep.predecessor;printf(%d,%d)n,p.row,p.col);mazep.rowp.col=3;else printf(n=n); printf(此迷宮無解！nn);X=0;return 0;void main()int i,m,n,cycle=0;while(cycle!=(-1)printf(*n); printf(歡迎進入迷宮求解系統(tǒng)n);printf(*n); printf( 手動生成迷宮 請按：1n); printf( 自動生成迷宮 請按：2n); printf( 退出 請按：3nn); printf(*n); printf(n); printf(請選擇你的操作：n); scanf(%d,&i); switch(i) case 1:printf(n請輸入行數(shù)：);scanf(%d,&m); printf(n); printf(請輸入列數(shù)：);scanf(%d,&n); while(m39)|(n