diff --git a/GorkinMM/docs/data/1-st-exercize/report_for_1-st-exercize.txt b/GorkinMM/docs/data/1-st-exercize/report_for_1-st-exercize.txt new file mode 100644 index 0000000..f237164 --- /dev/null +++ b/GorkinMM/docs/data/1-st-exercize/report_for_1-st-exercize.txt @@ -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 50–60 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. \ No newline at end of file diff --git a/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/WayOutOfTheMaze.py b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/WayOutOfTheMaze.py new file mode 100644 index 0000000..d327aff --- /dev/null +++ b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/WayOutOfTheMaze.py @@ -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() \ No newline at end of file diff --git a/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/report_for_2-nd-exercize.txt b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/report_for_2-nd-exercize.txt new file mode 100644 index 0000000..99d22ff --- /dev/null +++ b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/report_for_2-nd-exercize.txt @@ -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 { + <> + +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 { + <> + +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. \ No newline at end of file diff --git a/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/results.csv b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/results.csv new file mode 100644 index 0000000..e4ba3ea --- /dev/null +++ b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/results.csv @@ -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 diff --git a/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/time_comparison.png b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/time_comparison.png new file mode 100644 index 0000000..b3d0a9e Binary files /dev/null and b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/time_comparison.png differ diff --git a/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/visited_comparison.png b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/visited_comparison.png new file mode 100644 index 0000000..b7ab198 Binary files /dev/null and b/GorkinMM/docs/data/2-nd-exercize/results/visited_comparison.png differ