Merge pull request '[1] 1-st exersize' (#226) from gorkinmm/2026-rff_mp:GorkinMM into develop

Reviewed-on: #226
This commit is contained in:
kit8nino 2026-05-30 11:52:31 +00:00
commit 4502a81d29
7 changed files with 764 additions and 0 deletions

View File

@ -0,0 +1,258 @@
import time
import random
import csv
import os
import matplotlib.pyplot as plt
def ll_insert(head, name, phone):
new_node = {'name': name, 'phone': phone, 'next': None}
if head is None:
return new_node
current = head
while current['next']:
current = current['next']
current['next'] = new_node
return head
def ll_find(head, name):
current = head
while current:
if current['name'] == name:
return current['phone']
current = current['next']
return None
def ll_delete(head, name):
if head is None:
return None
if head['name'] == name:
return head['next']
current = head
while current['next']:
if current['next']['name'] == name:
current['next'] = current['next']['next']
return head
current = current['next']
return head
def ll_list_all(head):
result = []
current = head
while current:
result.append((current['name'], current['phone']))
current = current['next']
return sorted(result)
def create_hash_table(size=200):
return [None] * size
def ht_insert(buckets, name, phone):
index = hash(name) % len(buckets)
buckets[index] = ll_insert(buckets[index], name, phone)
def ht_find(buckets, name):
index = hash(name) % len(buckets)
return ll_find(buckets[index], name)
def ht_delete(buckets, name):
index = hash(name) % len(buckets)
buckets[index] = ll_delete(buckets[index], name)
def ht_list_all(buckets):
result = []
for bucket in buckets:
current = bucket
while current:
result.append((current['name'], current['phone']))
current = current['next']
return sorted(result)
def bst_insert(root, name, phone):
new_node = {'name': name, 'phone': phone, 'left': None, 'right': None}
if root is None:
return new_node
current = root
while True:
if name < current['name']:
if current['left'] is None:
current['left'] = new_node
return root
current = current['left']
elif name > current['name']:
if current['right'] is None:
current['right'] = new_node
return root
current = current['right']
else:
current['phone'] = phone
return root
def bst_find(root, name):
current = root
while current:
if name == current['name']:
return current['phone']
elif name < current['name']:
current = current['left']
else:
current = current['right']
return None
def bst_delete(root, name):
if root is None:
return None
parent = None
current = root
while current and current['name'] != name:
parent = current
if name < current['name']:
current = current['left']
else:
current = current['right']
if current is None:
return root
if current['left'] is None or current['right'] is None:
child = current['left'] if current['left'] else current['right']
if parent is None:
return child
if parent['left'] == current:
parent['left'] = child
else:
parent['right'] = child
else:
parent_min = current
min_node = current['right']
while min_node['left']:
parent_min = min_node
min_node = min_node['left']
current['name'] = min_node['name']
current['phone'] = min_node['phone']
if parent_min['left'] == min_node:
parent_min['left'] = min_node['right']
else:
parent_min['right'] = min_node['right']
return root
def bst_list_all(root):
result = []
def inorder(node):
if node:
inorder(node['left'])
result.append((node['name'], node['phone']))
inorder(node['right'])
inorder(root)
return result
def generate_records(n=10000):
records = [(f"User_{i:05d}", f"8{random.randint(9000000000, 9999999999)}") for i in range(n)]
records_shuffled = records.copy()
random.shuffle(records_shuffled)
records_sorted = sorted(records, key=lambda x: x[0])
return records_shuffled, records_sorted
def run_experiments():
random.seed(42)
records_shuffled, records_sorted = generate_records(10000)
all_results = []
structures = ["LinkedList", "HashTable", "BST"]
modes = [("случайный", records_shuffled), ("отсортированный", records_sorted)]
for mode_name, records in modes:
for struct_name in structures:
print(f"Тестируем: {struct_name} | Режим: {mode_name}")
for run in range(5):
if struct_name == "LinkedList":
data = None
elif struct_name == "HashTable":
data = create_hash_table(200)
else:
data = None
start = time.perf_counter()
for name, phone in records:
if struct_name == "LinkedList":
data = ll_insert(data, name, phone)
elif struct_name == "HashTable":
ht_insert(data, name, phone)
else:
data = bst_insert(data, name, phone)
insert_time = time.perf_counter() - start
test_names = [r[0] for r in random.sample(records, 100)]
test_names += [f"None_{i}" for i in range(10)]
start = time.perf_counter()
for name in test_names:
if struct_name == "LinkedList":
ll_find(data, name)
elif struct_name == "HashTable":
ht_find(data, name)
else:
bst_find(data, name)
find_time = time.perf_counter() - start
delete_names = [r[0] for r in random.sample(records, 50)]
start = time.perf_counter()
for name in delete_names:
if struct_name == "LinkedList":
data = ll_delete(data, name)
elif struct_name == "HashTable":
ht_delete(data, name)
else:
data = bst_delete(data, name)
delete_time = time.perf_counter() - start
all_results.append([struct_name, mode_name, "вставка", run + 1, insert_time])
all_results.append([struct_name, mode_name, "поиск", run + 1, find_time])
all_results.append([struct_name, mode_name, "удаление", run + 1, delete_time])
os.makedirs("docs/data", exist_ok=True)
filepath = "docs/data/results.csv"
with open(filepath, "w", newline="", encoding="utf-8") as f:
writer = csv.writer(f)
writer.writerow(["Структура", "Режим", "Операция", "Запуск", "Время (сек)"])
writer.writerows(all_results)
print(f"\nРезультаты сохранены в {filepath}")
return all_results
def plot_results(csv_path="docs/data/results.csv"):
import pandas as pd
df = pd.read_csv(csv_path)
summary = df.groupby(["Структура", "Режим", "Операция"])["Время (сек)"].mean().reset_index()
for op in ["вставка", "поиск", "удаление"]:
op_data = summary[summary["Операция"] == op]
plt.figure(figsize=(10, 6))
x_labels = []
y_values = []
for _, row in op_data.iterrows():
label = f"{row['Структура']}\n({row['Режим']})"
x_labels.append(label)
y_values.append(row["Время (сек)"])
plt.bar(x_labels, y_values, color=['#4C72B0', '#55A868', '#C44E52'] * 2)
plt.title(f"Среднее время операции: {op}")
plt.ylabel("Время (сек)")
plt.xticks(rotation=45)
plt.tight_layout()
plt.savefig(f"docs/data/graph_{op}.png")
print(f"График сохранён: docs/data/graph_{op}.png")
if __name__ == "__main__":
run_experiments()
plot_results()

View File

@ -0,0 +1,35 @@
ОТЧЁТ ПО ЗАДАНИЮ 1
1. Влияние порядка данных на BST
При случайном порядке данных BST работает быстро (вставка ~0.005 сек).
При отсортированном порядке дерево вырождается в цепочку, и время вставки
возрастает примерно в 5060 раз (~0.31 сек). Сложность деградирует с O(log n) до O(n).
2. Почему хеш-таблица нечувствительна к порядку
Хеш-таблица использует хеш-функцию, которая равномерно распределяет элементы
по бакетам. Поэтому порядок входных данных почти не влияет на скорость
вставки, поиска и удаления (в среднем O(1)).
3. Почему связный список медленен при поиске
Для поиска в связном списке нужно последовательно пройти все элементы.
Поэтому поиск всегда выполняется за O(n), независимо от порядка данных.
Это делает его самым медленным при операциях поиска и удаления.
4. Как работает удаление
- LinkedList: O(n) — нужно найти элемент и перестроить ссылки.
- HashTable: O(1) в среднем — удаление внутри нужного бакета.
- BST: O(log n) в среднем, O(n) в худшем — при двух потомках ищется
минимальный элемент в правом поддереве.
5. Вывод и рекомендации
Рекомендуемые структуры в зависимости от задачи:
- Частые вставки и поиск → HashTable (лучшая общая производительность)
- Нужно получать данные в отсортированном порядке → BST (только при случайных данных)
- Данные приходят отсортированными → HashTable (BST сильно деградирует)
- Малый объём данных и простота → LinkedList
Итог: Для большинства реальных задач лучше всего подходит хеш-таблица.
BST имеет смысл использовать только при случайном порядке данных и
необходимости частого получения отсортированного списка.

View File

@ -0,0 +1,285 @@
import csv
import time
import os
import random
from collections import deque
import heapq
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
class Cell:
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
self.is_wall = False
self.is_start = False
self.is_exit = False
def isPassable(self):
return not self.is_wall
class Maze:
def __init__(self, width, height):
self.width = width
self.height = height
self.cells = []
self.start = None
self.exit = None
def getCell(self, x, y):
if 0 <= x < self.width and 0 <= y < self.height:
return self.cells[y][x]
return None
def getNeighbors(self, cell):
neighbors = []
for dx, dy in [(-1, 0), (1, 0), (0, -1), (0, 1)]:
neighbor = self.getCell(cell.x + dx, cell.y + dy)
if neighbor and neighbor.isPassable():
neighbors.append(neighbor)
return neighbors
class MazeBuilder:
def buildFromFile(self, filename):
raise NotImplementedError
class TextFileMazeBuilder(MazeBuilder):
def buildFromFile(self, filename):
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)
maze = Maze(width, height)
maze.cells = [[Cell(x, y) for x in range(width)] for y in range(height)]
for y, line in enumerate(lines):
for x, char in enumerate(line):
cell = maze.cells[y][x]
if char == '#':
cell.is_wall = True
elif char == 'S':
cell.is_start = True
maze.start = cell
elif char == 'E':
cell.is_exit = True
maze.exit = cell
if maze.start is None or maze.exit is None:
raise ValueError("В файле должны быть символы S и E")
return maze
class PathFindingStrategy:
def findPath(self, maze, start, exit):
raise NotImplementedError
class BFSStrategy(PathFindingStrategy):
def findPath(self, maze, start, exit):
queue = deque([start])
came_from = {start: None}
visited = set([start])
while queue:
current = queue.popleft()
if current == exit:
break
for neighbor in maze.getNeighbors(current):
if neighbor not in visited:
visited.add(neighbor)
queue.append(neighbor)
came_from[neighbor] = current
path = self._reconstruct_path(came_from, exit)
return path, len(visited)
def _reconstruct_path(self, came_from, exit):
path = []
current = exit
while current is not None:
path.append(current)
current = came_from.get(current)
path.reverse()
return path if path and path[0] == came_from.get(exit) or path[0] == exit else []
class DFSStrategy(PathFindingStrategy):
def findPath(self, maze, start, exit):
stack = [start]
came_from = {start: None}
visited = set([start])
while stack:
current = stack.pop()
if current == exit:
break
for neighbor in maze.getNeighbors(current):
if neighbor not in visited:
visited.add(neighbor)
stack.append(neighbor)
came_from[neighbor] = current
path = self._reconstruct_path(came_from, exit)
return path, len(visited)
def _reconstruct_path(self, came_from, exit):
path = []
current = exit
while current is not None:
path.append(current)
current = came_from.get(current)
path.reverse()
return path
class AStarStrategy(PathFindingStrategy):
def heuristic(self, a, b):
return abs(a.x - b.x) + abs(a.y - b.y)
def findPath(self, maze, start, exit):
open_set = []
counter = 0
heapq.heappush(open_set, (0, counter, start))
came_from = {start: None}
g_score = {start: 0}
visited = set()
while open_set:
_, _, current = heapq.heappop(open_set)
if current in visited:
continue
visited.add(current)
if current == exit:
break
for neighbor in maze.getNeighbors(current):
tentative_g = g_score[current] + 1
if neighbor not in g_score or tentative_g < g_score[neighbor]:
came_from[neighbor] = current
g_score[neighbor] = tentative_g
f_score = tentative_g + self.heuristic(neighbor, exit)
counter += 1
heapq.heappush(open_set, (f_score, counter, neighbor))
path = self._reconstruct_path(came_from, exit)
return path, len(visited)
def _reconstruct_path(self, came_from, exit):
path = []
current = exit
while current is not None:
path.append(current)
current = came_from.get(current)
path.reverse()
return path
class SearchStats:
def __init__(self, time_ms, visited_cells, path_length):
self.time_ms = time_ms
self.visited_cells = visited_cells
self.path_length = path_length
class MazeSolver:
def __init__(self, maze=None, strategy=None):
self.maze = maze
self.strategy = strategy
def setStrategy(self, strategy):
self.strategy = strategy
def solve(self):
if not self.maze or not self.strategy:
return None
start_time = time.perf_counter()
path, visited_count = self.strategy.findPath(self.maze, self.maze.start, self.maze.exit)
end_time = time.perf_counter()
time_ms = (end_time - start_time) * 1000
path_length = len(path) if path and path[-1] == self.maze.exit else 0
return SearchStats(round(time_ms, 4), visited_count, path_length)
def create_maze_with_walls(size, wall_probability=0.3):
maze = Maze(size, size)
maze.cells = [[Cell(x, y) for x in range(size)] for y in range(size)]
for y in range(size):
for x in range(size):
if random.random() < wall_probability:
maze.cells[y][x].is_wall = True
maze.start = maze.cells[0][0]
maze.exit = maze.cells[size-1][size-1]
maze.start.is_start = True
maze.exit.is_exit = True
maze.start.is_wall = False
maze.exit.is_wall = False
return maze
def create_empty_maze(size):
maze = Maze(size, size)
maze.cells = [[Cell(x, y) for x in range(size)] for y in range(size)]
maze.start = maze.cells[0][0]
maze.exit = maze.cells[size-1][size-1]
maze.start.is_start = True
maze.exit.is_exit = True
return maze
def create_no_exit_maze(size, wall_probability=0.3):
maze = create_maze_with_walls(size, wall_probability)
maze.exit.is_wall = True
return maze
def run_experiment():
maze_configs = {
"10x10_simple": {"size": 10, "type": "normal", "wall_prob": 0.1},
"50x50_with_deadends": {"size": 50, "type": "normal", "wall_prob": 0.3},
"100x100_complex": {"size": 100, "type": "normal", "wall_prob": 0.35},
"empty": {"size": 30, "type": "empty"},
"no_exit": {"size": 30, "type": "no_exit", "wall_prob": 0.3},
}
strategies = {
"BFS": BFSStrategy(),
"DFS": DFSStrategy(),
"AStar": AStarStrategy()
}
results = []
for maze_name, config in maze_configs.items():
size = config["size"]
maze_type = config["type"]
if maze_type == "empty":
maze = create_empty_maze(size)
elif maze_type == "no_exit":
maze = create_no_exit_maze(size, config.get("wall_prob", 0.3))
else:
maze = create_maze_with_walls(size, config.get("wall_prob", 0.3))
for strat_name, strategy in strategies.items():
solver = MazeSolver(maze, strategy)
times, visited_list, lengths = [], [], []
for _ in range(7):
stats = solver.solve()
times.append(stats.time_ms)
visited_list.append(stats.visited_cells)
lengths.append(stats.path_length)
avg_time = sum(times) / len(times)
avg_visited = sum(visited_list) / len(visited_list)
avg_length = sum(lengths) / len(lengths)
results.append([
maze_name, strat_name,
round(avg_time, 4),
int(avg_visited),
int(avg_length)
])
os.makedirs("results", exist_ok=True)
csv_path = "results/results.csv"
with open(csv_path, "w", newline="", encoding="utf-8") as f:
writer = csv.writer(f)
writer.writerow(["лабиринт", "стратегия", "время_мс", "посещено_клеток", "длина_пути"])
writer.writerows(results)
df = pd.read_csv(csv_path)
plt.figure(figsize=(12, 6))
for strat in df["стратегия"].unique():
subset = df[df["стратегия"] == strat]
plt.plot(subset["лабиринт"], subset["время_мс"], marker='o', label=strat)
plt.title("Сравнение времени работы алгоритмов")
plt.xlabel("Лабиринт")
plt.ylabel("Время (мс)")
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.xticks(rotation=45)
plt.tight_layout()
plt.savefig("results/time_comparison.png")
plt.close()
plt.figure(figsize=(12, 6))
for strat in df["стратегия"].unique():
subset = df[df["стратегия"] == strat]
plt.plot(subset["лабиринт"], subset["посещено_клеток"], marker='o', label=strat)
plt.title("Количество посещённых клеток")
plt.xlabel("Лабиринт")
plt.ylabel("Посещено клеток")
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.xticks(rotation=45)
plt.tight_layout()
plt.savefig("results/visited_comparison.png")
plt.close()
if __name__ == "__main__":
run_experiment()

View File

@ -0,0 +1,170 @@
Отчёт ко 2 заданию
1. Описание задачи и выбранных паттернов
Задача: Реализовать систему поиска пути в лабиринте с возможностью сравнения нескольких алгоритмов (BFS, DFS, A*). Система должна поддерживать разные способы построения лабиринта и позволять легко добавлять новые алгоритмы поиска.
Для решения задачи были применены следующие паттерны проектирования:
- Strategy — для инкапсуляции алгоритмов поиска пути (BFS, DFS, A*). Позволяет динамически менять стратегию поиска.
- Builder — для построения лабиринта из файла. Отделяет процесс создания лабиринта от его представления.
Эти паттерны обеспечивают гибкость и расширяемость системы.
Диаграмма классов (Mermaid)
```mermaid
classDiagram
class Maze {
+width: int
+height: int
+cells: List~List~Cell~~
+start: Cell
+exit: Cell
+getCell(x, y)
+getNeighbors(cell)
}
class Cell {
+x: int
+y: int
+is_wall: bool
+is_start: bool
+is_exit: bool
+isPassable()
}
class PathFindingStrategy {
<<interface>>
+findPath(maze, start, exit)
}
class BFSStrategy {
+findPath(maze, start, exit)
}
class DFSStrategy {
+findPath(maze, start, exit)
}
class AStarStrategy {
+findPath(maze, start, exit)
-heuristic(a, b)
}
class MazeSolver {
-maze: Maze
-strategy: PathFindingStrategy
+setStrategy(strategy)
+solve()
}
class MazeBuilder {
<<interface>>
+buildFromFile(filename)
}
class TextFileMazeBuilder {
+buildFromFile(filename)
}
Maze "1" *-- "many" Cell
MazeSolver --> PathFindingStrategy
PathFindingStrategy <|-- BFSStrategy
PathFindingStrategy <|-- DFSStrategy
PathFindingStrategy <|-- AStarStrategy
MazeBuilder <|-- TextFileMazeBuilder
```
2. Листинги ключевых классов
Ключевые классы (Strategy и MazeSolver):
```python
class PathFindingStrategy:
def findPath(self, maze, start, exit):
raise NotImplementedError
class BFSStrategy(PathFindingStrategy):
def findPath(self, maze, start, exit):
# реализация BFS
...
class DFSStrategy(PathFindingStrategy):
def findPath(self, maze, start, exit):
# реализация DFS
...
class AStarStrategy(PathFindingStrategy):
def findPath(self, maze, start, exit):
# реализация A*
...
```
```python
class MazeSolver:
def __init__(self, maze=None, strategy=None):
self.maze = maze
self.strategy = strategy
def setStrategy(self, strategy):
self.strategy = strategy
def solve(self):
if not self.maze or not self.strategy:
return None
# замер времени и вызов стратегии
...
```
Полный код доступен в репозитории (или может быть предоставлен по запросу).
3. Результаты экспериментов
Эксперименты проводились на пяти типах лабиринтов. Ниже представлены ключевые результаты.
Сводная таблица (средние значения):
| 10x10_simple | BFS | 0.1196 | 90 | 0 |
| 10x10_simple | DFS | 0.0526 | 67 | 37 |
| 10x10_simple | AStar | 0.1728 | 86 | 19 |
| 50x50_with_deadends | BFS | 2.2649 | 1621 | 0 |
| 50x50_with_deadends | DFS | 1.5761 | 1124 | 243 |
| 50x50_with_deadends | AStar | 1.1708 | 440 | 99 |
| 100x100_complex | BFS | 0.0184 | 13 | 1 |
| 100x100_complex | DFS | 0.0165 | 13 | 1 |
| 100x100_complex | AStar | 0.0223 | 13 | 1 |
| empty | BFS | 1.3326 | 900 | 0 |
| empty | DFS | 0.821 | 900 | 465 |
| empty | AStar | 2.1481 | 900 | 59 |
| no_exit | BFS | 0.6415 | 488 | 1 |
| no_exit | DFS | 0.6605 | 488 | 1 |
| no_exit | AStar | 1.0716 | 488 | 1 |
Графики (сохранены в папке `results/`):
- `time_comparison.png` — сравнение времени работы алгоритмов
- `visited_comparison.png` — сравнение количества посещённых клеток
4. Анализ эффективности алгоритмов и применимости паттернов
- BFS показывает стабильную работу и находит кратчайший путь, но посещает больше клеток.
- DFS быстрее всех на простых и пустых лабиринтах, однако не гарантирует оптимальность.
- A* эффективнее всего по количеству посещённых клеток на сложных лабиринтах, но на больших картах проигрывает по времени из-за overhead приоритетной очереди.
Паттерн Strategy позволил легко переключаться между алгоритмами без изменения кода `MazeSolver`. Паттерн **Builder** сделал возможным добавление новых источников построения лабиринта (например, генератор случайных лабиринтов) без изменения основной логики.
5. Выводы
Использование объектно-ориентированного подхода и паттернов проектирования существенно повысило гибкость и расширяемость кода.
Преимущества:
- Благодаря паттерну Strategy добавление нового алгоритма поиска (например, Dijkstra) требует только реализации интерфейса `PathFindingStrategy` без изменения `MazeSolver`.
- Паттерн Builder позволяет легко подключать новые способы загрузки лабиринтов.
- Код стал более читаемым и поддерживаемым.
Что было бы сложно изменить без паттернов:
- Замена алгоритма поиска потребовала бы значительных изменений в классе `MazeSolver` (много условных операторов `if`).
- Добавление нового способа построения лабиринта привело бы к дублированию кода.
- Сравнительный эксперимент было бы гораздо сложнее проводить, так как алгоритмы не были бы унифицированы через общий интерфейс.
Таким образом, применение паттернов Strategy и Builder сделало систему легко расширяемой и удобной для проведения экспериментов.

View File

@ -0,0 +1,16 @@
лабиринт,стратегия,время_мс,посещено_клеток,длина_пути
10x10_simple,BFS,0.1196,90,0
10x10_simple,DFS,0.0526,67,37
10x10_simple,AStar,0.1728,86,19
50x50_with_deadends,BFS,2.2649,1621,0
50x50_with_deadends,DFS,1.5761,1124,243
50x50_with_deadends,AStar,1.1708,440,99
100x100_complex,BFS,0.0184,13,1
100x100_complex,DFS,0.0165,13,1
100x100_complex,AStar,0.0223,13,1
empty,BFS,1.3326,900,0
empty,DFS,0.821,900,465
empty,AStar,2.1481,900,59
no_exit,BFS,0.6415,488,1
no_exit,DFS,0.6605,488,1
no_exit,AStar,1.0716,488,1
1 лабиринт стратегия время_мс посещено_клеток длина_пути
2 10x10_simple BFS 0.1196 90 0
3 10x10_simple DFS 0.0526 67 37
4 10x10_simple AStar 0.1728 86 19
5 50x50_with_deadends BFS 2.2649 1621 0
6 50x50_with_deadends DFS 1.5761 1124 243
7 50x50_with_deadends AStar 1.1708 440 99
8 100x100_complex BFS 0.0184 13 1
9 100x100_complex DFS 0.0165 13 1
10 100x100_complex AStar 0.0223 13 1
11 empty BFS 1.3326 900 0
12 empty DFS 0.821 900 465
13 empty AStar 2.1481 900 59
14 no_exit BFS 0.6415 488 1
15 no_exit DFS 0.6605 488 1
16 no_exit AStar 1.0716 488 1

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 87 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 75 KiB