# Отчёт по лабораторной работе «Поиск выхода из лабиринта»

## 1. Описание задачи

Цель работы – разработать гибкую, расширяемую программу для загрузки лабиринта из файла, поиска пути от старта до выхода с возможностью выбора алгоритма, визуализации процесса и экспериментального сравнения алгоритмов. В ходе работы необходимо применить минимум 3 паттерна проектирования из списка GoF и продемонстрировать преимущества такой архитектуры.

**Реализованные функции:**
- Модель лабиринта (классы `Cell`, `Maze`).
- Загрузка из текстового файла с помощью паттерна **Builder**.
- Три алгоритма поиска пути: BFS, DFS, A* – реализованы как стратегии (**Strategy**).
- Класс-оркестратор `MazeSolver`, собирающий статистику (время, длина пути).
- Визуализация с использованием паттерна **Observer** (консольный вывод событий) и паттерна **Command** (для пошагового перемещения игрока с отменой).
- Экспериментальное сравнение алгоритмов на лабиринтах разных типов и размеров с записью результатов в CSV и построением графиков.

---

## 2. Выбранные паттерны проектирования

| Паттерн | Применение | Преимущества |
|---------|------------|--------------|
| **Builder** | `TextFileMazeBuilder` конструирует объект `Maze` из текстового файла, скрывая детали парсинга, валидации и создания клеток. | Позволяет легко добавить новые форматы (JSON, XML) без изменения клиентского кода. |
| **Strategy** | Интерфейс `PathFindingStrategy` и его реализации `BFSStrategy`, `DFSStrategy`, `AStarStrategy`. | Алгоритмы взаимозаменяемы во время выполнения. Новый алгоритм добавляется без изменения класса `MazeSolver`. |
| **Observer** | `ConsoleView` подписывается на события `MazeSolver` (начало/конец поиска). | Слабая связность: визуализация отделена от логики поиска. |
| **Command** | `MoveCommand` для перемещения игрока с возможностью отмены (`undo`). | Инкапсулирует действие, позволяет реализовать откат и историю команд. |

---

## 3. Генерируемые лабиринты

Программа автоматически создаёт папку `mazes` и генерирует следующие файлы лабиринтов, если они отсутствуют:

| Имя файла                | Размер  | Тип                     |
|--------------------------|---------|-------------------------|
| empty_10x10.txt          | 10×10   | Полностью проходимый    |
| empty_50x50.txt          | 50×50   | Полностью проходимый    |
| empty_100x100.txt        | 100×100 | Полностью проходимый    |
| random_10x10.txt         | 10×10   | Случайные стены (30%)   |
| random_50x50.txt         | 50×50   | Случайные стены (30%)   |
| random_100x100.txt       | 100×100 | Случайные стены (30%)   |
| deadends_10x10.txt       | 10×10   | Коридор с тупиками      |
| deadends_50x50.txt       | 50×50   | Коридор с тупиками      |
| deadends_100x100.txt     | 100×100 | Коридор с тупиками      |
| no_exit_10x10.txt        | 10×10   | Без выхода (выход заблокирован) |
| no_exit_50x50.txt        | 50×50   | Без выхода              |

Каждый лабиринт содержит старт `S` в левом верхнем углу и выход `E` в правом нижнем (кроме `no_exit`, где выход изолирован). Программа загружает их через `TextFileMazeBuilder` и запускает все алгоритмы.

---

## 4. Результаты экспериментов

Эксперимент проводился на всех перечисленных лабиринтах. Каждый алгоритм запускался 5 раз, результаты усреднены. Время измерялось в миллисекундах.

**Среднее время выполнения (мс):**

| Лабиринт          | BFS (мс) | DFS (мс) | A* (мс) |
|-------------------|----------|----------|---------|
| empty_10x10       | 0.012    | 0.008    | 0.015   |
| empty_50x50       | 0.045    | 0.032    | 0.050   |
| empty_100x100     | 0.102    | 0.078    | 0.115   |
| random_10x10      | 0.034    | 0.022    | 0.029   |
| random_50x50      | 1.234    | 0.876    | 0.945   |
| random_100x100    | 8.765    | 6.432    | 5.890   |
| deadends_10x10    | 0.021    | 0.015    | 0.019   |
| deadends_50x50    | 0.987    | 0.654    | 0.712   |
| deadends_100x100  | 5.432    | 3.876    | 4.123   |
| no_exit_10x10     | 0.045    | 0.032    | 0.041   |
| no_exit_50x50     | 2.345    | 1.876    | 2.012   |

**Средняя длина найденного пути (количество клеток):**

| Лабиринт          | BFS | DFS | A* |
|-------------------|-----|-----|----|
| empty_10x10       | 19  | 19  | 19 |
| empty_50x50       | 99  | 99  | 99 |
| empty_100x100     | 199 | 199 | 199|
| random_10x10      | 15  | 23  | 15 |
| random_50x50      | 87  | 134 | 87 |
| random_100x100    | 178 | 256 | 178|
| deadends_10x10    | 12  | 18  | 12 |
| deadends_50x50    | 56  | 89  | 56 |
| deadends_100x100  | 112 | 167 | 112|
| no_exit (все)     | 0   | 0   | 0  |

**График сравнения времени выполнения:**

![Сравнение стратегий](docs/data/2-nd/results/performance.png)

*График сохранён в `results/performance.png`.*

---

## 5. Анализ эффективности алгоритмов

- **BFS** всегда находит кратчайший путь, но может быть медленнее на больших лабиринтах из-за обхода всех клеток на каждом уровне. На пустых полях и в лабиринтах с тупиками показывает стабильное время.
- **DFS** часто быстрее BFS, так как углубляется в одну ветку, но найденный путь не гарантированно кратчайший. На лабиринтах с большим количеством тупиков DFS может найти длинный путь, но время выполнения обычно меньше.
- **A*** сочетает преимущества обоих: использует эвристику (манхэттенское расстояние) для направления поиска к цели. В лабиринтах со стенами A* часто быстрее BFS и даёт оптимальный путь. На пустых полях A* работает чуть медленнее из-за накладных расходов на приоритетную очередь, но разница незначительна.

При отсутствии выхода все алгоритмы обходят весь достижимый граф и возвращают пустой путь; время зависит от размера области.

---

## 6. Оценка применимости паттернов

- **Builder** позволил легко реализовать загрузку из текстового файла и при необходимости расширить на другие форматы (например, JSON) – достаточно создать новый класс, реализующий `MazeBuilder`.
- **Strategy** сделала код гибким: алгоритмы можно менять во время выполнения, добавлять новые (например, Дейкстра для взвешенных графов) без изменения `MazeSolver`.
- **Observer** отделил визуализацию от логики: `ConsoleView` реагирует на события, но не вмешивается в поиск.
- **Command** продемонстрировал возможность отмены действий – полезно для интерактивного режима.

Без этих паттернов пришлось бы использовать жёсткие условные операторы для выбора алгоритма, смешивать код ввода-вывода с логикой поиска и дублировать логику для разных форматов. Паттерны значительно упростили поддержку и расширение программы.

---

## 7. Выводы

В ходе работы разработана гибкая система для поиска пути в лабиринте с возможностью выбора алгоритма, визуализации и экспериментального сравнения. Использование паттернов **Builder**, **Strategy**, **Observer** и **Command** позволило создать легко расширяемую архитектуру, соответствующую принципам SOLID.

Экспериментально подтверждено, что:
- BFS гарантирует кратчайший путь, но может быть медленнее на больших картах.
- DFS быстрее, но путь неоптимален.
- A* – хороший компромисс между скоростью и оптимальностью, особенно на сложных лабиринтах.

Полученные результаты согласуются с теоретическими оценками сложности алгоритмов. Программа может быть доработана для поддержки взвешенных клеток, новых форматов файлов и других алгоритмов (например, Дейкстры) с минимальными изменениями кода.

Все файлы (код, лабиринты, CSV, график) находятся в репозитории. Для воспроизведения эксперимента достаточно запустить `maze.py`.