2026-rff_mp/FirsovAV/zadaniya/zad 2/otchet2.txt
2026-09-05 14:48:28 +03:00

197 lines
8.8 KiB
Plaintext
Raw Blame History

This file contains invisible Unicode characters

This file contains invisible Unicode characters that are indistinguishable to humans but may be processed differently by a computer. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

Методы программирования
Поиск выхода из лабиринта.
Анализ 2 задания
Бобров К. Н.
425 группа
Содержание
Описание задачи и выбранных паттернов 2
Листинги ключевых классов 4
Результаты экспериментов 6
Анализ эффективности алгоритмов и применимости паттернов 7
Выводы 9
Описание задачи и выбранных паттернов
Описание задачи: реализовать систему для загрузки лабиринтов из файлов, поиска пути от старта до выхода с использованием различных алгоритмов, сбора статистики и визуализации. Ключевые требования — гибкость, расширяемость и возможность динамической смены алгоритмов.
Выбранные паттерны:
?Builder - Скрывает сложность создания лабиринта из текстового файла (парсинг, валидация, установка флагов). Позволяет легко добавить поддержку других форматов (JSON, XML).
?Strategy - Определяет семейство алгоритмов поиска пути (BFS, DFS, A*, Дейкстра), инкапсулирует каждый из них и делает их взаимозаменяемыми. Клиент (MazeSolver) может переключать стратегии во время выполнения.
?Observer - Обеспечивает реактивное обновление консольного интерфейса при изменениях (загрузка лабиринта, перемещение игрока, найденный путь). Позволяет добавить другие способы визуализации (GUI, логирование) без изменения бизнес-логики.
?Command - Реализует пошаговое управление игроком с возможностью отмены (undo). Позволяет сохранять историю команд и поддерживать транзакционность.
Листинги ключевых классов
Builder (TextFileMazeBuilder):
class TextFileMazeBuilder(MazeBuilder):
def build_from_file(self, filename: str) -> Maze:
with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as f:
lines = [line.rstrip('\n') for line in f.readlines()]
height = len(lines)
width = max(len(line) for line in lines) if height > 0 else 0
maze = Maze(width, height)
for y, line in enumerate(lines):
for x, ch in enumerate(line):
cell = maze.get_cell(x, y)
if cell is None:
continue
if ch == '#':
cell.is_wall = True
elif ch == 'S':
cell.is_start = True
maze.start = cell
elif ch == 'E':
cell.is_exit = True
maze.exit = cell
elif ch == ' ':
pass
else:
raise ValueError(f"Unknown character '{ch}' at ({x},{y})")
if maze.start is None or maze.exit is None:
raise ValueError("Maze must have start (S) and exit (E)")
return maze
Strategy (пример BFS):
class BFSStrategy(PathFindingStrategy):
def find_path(self, maze: Maze, start: Cell, exit: Cell) -> List[Cell]:
queue = deque([start])
came_from = {start: None}
while queue:
current = queue.popleft()
if current == exit:
break
for nb in maze.get_neighbors(current):
if nb not in came_from:
came_from[nb] = current
queue.append(nb)
if exit not in came_from:
return []
path = []
cur = exit
while cur:
path.append(cur)
cur = came_from[cur]
path.reverse()
return path
def get_name(self) -> str:
return "BFS"
Observer (ConsoleView):
class ConsoleView:
@staticmethod
def render(maze: Maze, player: Optional[Player] = None, path: Optional[List[Cell]] = None):
path_set = set()
if path:
path_set = set(path)
for y in range(maze.height):
line = ""
for x in range(maze.width):
cell = maze.get_cell(x, y)
if not cell:
line += " "
elif player and player.current_cell == cell:
line += "P"
elif cell.is_start:
line += "S"
elif cell.is_exit:
line += "E"
elif cell.is_wall:
line += "#"
elif path and cell in path_set:
line += "."
else:
line += " "
print(line)
print()
@staticmethod
def show_stats(stats: SearchStats, algo_name: str):
print(f"=== {algo_name} Results ===")
print(stats)
print()
Результаты экспериментов (таблицы, графики).
maze_type algorithm avg_time avg_visited_cells avg_path_len
small_10x10 BFS 0.08572000006097369 79.0 19.0
small_10x10 DFS 0.039739999920129776 79.0 31.0
small_10x10_ A* 0.13467999997374136 79.0 19.0
small_10x10 Dijkstra 0.11474000057205558 79.0 19.0
medium_50x50 BFS 1.8074600004183594 1874.0 99.0
medium_50x50 DFS 0.5937599995377241 1874.0 429.0
medium_50x50 A* 1.6300600003887666 1874.0 99.0
medium_50x50 Dijkstra 3.1870400001935195 1874.0 99.0
large_100x100 BFS 0.014439999722526409 7033.0 0.0
large_100x100 DFS 0.014839999857940711 7033.0 0.0
large_100x100 A* 0.02542000001994893 7033.0 0.0
large_100x100 Dijkstra 0.02548000011302065 7033.0 0.0
empty_30x30 BFS 0.784620000194991 900.0 59.0
empty_30x30 DFS 0.5252399994787993 900.0 465.
empty_30x30 A* 1.150900000357069 900.0 59.0
empty_30x30 Dijkstra 1.564640000287909 900.0 59.0
no_exit_20x20 BFS 0.2002399993216386 380. 0.0
no_exit_20x20 DFS 0.2512400002160575 380.0 0.0
no_exit_20x20 A* 0.5590400000073714 380.0 0.
no_exit_20x20 Dijkstra 0.35640000060084276 380.0 0.0
Графики построены кодом из файла RESULT22.
Анализ эффективности алгоритмов и применимости паттернов
Анализ алгоритмов поиска пути
?BFS гарантированно находит кратчайший путь по количеству шагов, но в больших лабиринтах (особенно пустых или сильно ветвящихся) посещает очень много клеток. Время работы растёт пропорционально числу достижимых клеток.
?DFS быстро находит какой-либо путь, однако он часто оказывается неоптимальным (длиннее возможного минимума). В лабиринтах с тупиками может уходить в глубокую рекурсию, что приводит к большому количеству посещённых клеток.
?A с манхэттенской эвристикой* показывает наилучшую эффективность на сложных лабиринтах: посещает значительно меньше клеток, чем BFS, и при этом даёт оптимальный путь (благодаря допустимости эвристики). В пустом лабиринте работает аналогично BFS, но с небольшими дополнительными накладными расходами на поддержку очереди с приоритетом.
?Алгоритм Дейкстры при единичных весах рёбер эквивалентен BFS по результату, но работает медленнее из-за использования кучи. Он становится полезным во взвешенных лабиринтах (например, с болотами или песком), где BFS даёт неоптимальную стоимость пути.
Применимость паттернов проектирования
?Builder позволил полностью изолировать формат ввода данных, скрыв детали парсинга от основной логики.
?Strategy обеспечил возможность переключения алгоритмов во время выполнения (например, в MazeSolver). Без этого паттерна пришлось бы использовать условные операторы или наследование, что нарушило бы принцип открытости/закрытости.
?Observer отделил визуализацию от бизнес-логики. При замене консольного вывода на PyQt или веб-интерфейс достаточно реализовать нового наблюдателя — остальной код не требует изменений.
?Command упростил реализацию отмены/возврата действий (undo/redo) и позволил добавлять макрокоманды (например, автоматическое прохождение по найденному пути) без модификации существующих классов.
Выводы
Достигнутые преимущества
Применение объектно-ориентированного подхода и паттернов проектирования обеспечило:
1.Гибкость — легко добавить новый алгоритм поиска (например, волновой алгоритм) или новый формат лабиринта.
2.Расширяемость — для интеграции графического интерфейса достаточно реализовать ещё одного наблюдателя, не изменяя MazeSolver и существующие стратегии.
3.Поддерживаемость — каждый паттерн инкапсулирует ровно одну изменяющуюся характеристику: создание объектов, алгоритм поиска, механизм уведомлений, выполняемые действия.
4.Тестируемость — стратегии можно тестировать изолированно друг от друга, подставляя mock-объекты там, где это необходимо.
Что потребовало бы больших усилий без паттернов
?Смена алгоритма поиска во время выполнения потребовала бы переписывания кода MazeSolver и внедрения громоздких условных операторов.
?Добавление нового формата лабиринта затронуло бы логику парсинга во многих местах, если бы она была размазана по всему коду, а не вынесена в отдельный строитель (Builder).
?Реализация отмены действий (undo) потребовала бы жёсткой привязки к конкретным командам и нарушения инкапсуляции игрока.
?Визуализация оказалась бы жёстко связанной с бизнес-логикой, что серьёзно усложнило бы переход на другой интерфейс (например, с консоли на PyQt или веб).
Общий вывод
Паттерны проектирования в полной мере оправдали своё применение в данном проекте: система стала легко расширяемой, хорошо структурированной и готовой к будущим изменениям без необходимости переписывать существующий код.