Лабораторная работа 2

Поиск выхода из лабиринта

Цель работы
-----------
Цель работы состоит в реализации программы для поиска выхода из лабиринта с использованием объектно ориентированного подхода и паттернов проектирования

В программе реализована загрузка лабиринта из файла несколько алгоритмов поиска и сравнение их работы

Структура программы
-------------------
В программе используются классы Cell для отдельной клетки лабиринта и Maze для самого лабиринта

Для загрузки используется MazeBuilder и его реализация TextFileMazeBuilder

Для поиска пути используется общий класс PathFindingStrategy и три алгоритма BFSStrategy DFSStrategy и AStarStrategy

За хранение результатов отвечает SearchStats а запуск поиска выполняет MazeSolver

Для вывода информации используются Observer и ConsoleView

Использованные паттерны
-----------------------
В работе использованы три паттерна Builder Strategy и Observer

Builder используется для загрузки лабиринта из текстового файла

TextFileMazeBuilder читает файл и создаёт объект Maze

В файле символ # обозначает стену пробел обозначает свободную клетку S является началом а E выходом

Использование Builder позволяет отдельно реализовать загрузку лабиринта и сам класс лабиринта

Strategy используется для выбора алгоритма поиска

В программе реализованы BFS DFS и A*

Все алгоритмы имеют общий интерфейс PathFindingStrategy поэтому в MazeSolver можно менять алгоритм без изменения самого решателя

Observer используется для вывода информации о поиске

MazeSolver отправляет события а ConsoleView получает их и выводит информацию в консоль

Таким образом вывод отделён от основной логики поиска

Алгоритмы поиска
----------------
BFS использует очередь и при обычных условиях находит кратчайший путь в лабиринте без весов

DFS использует стек и может найти путь быстрее но найденный путь не обязательно будет кратчайшим

A* использует очередь с приоритетом и манхэттенскую эвристику поэтому старается в первую очередь проверять клетки которые находятся ближе к выходу

Схема классов
-------------
classDiagram

class Cell {
    x
    y
    is_wall
    is_start
    is_exit
    is_passable()
}

class Maze {
    width
    height
    cells
    start
    exit
    get_cell()
    get_neighbors()
}

class MazeBuilder {
    build_from_file()
}

class TextFileMazeBuilder {
    build_from_file()
}

class PathFindingStrategy {
    find_path()
}

class BFSStrategy {
    find_path()
}

class DFSStrategy {
    find_path()
}

class AStarStrategy {
    find_path()
}

class SearchStats {
    path
    time_ms
    visited_count
    path_length
}

class MazeSolver {
    maze
    strategy
    set_strategy()
    solve()
}

class Observer {
    update()
}

class ConsoleView {
    update()
}

MazeBuilder <|-- TextFileMazeBuilder
PathFindingStrategy <|-- BFSStrategy
PathFindingStrategy <|-- DFSStrategy
PathFindingStrategy <|-- AStarStrategy
Observer <|-- ConsoleView
MazeSolver --> Maze
MazeSolver --> PathFindingStrategy
MazeSolver --> Observer
Maze --> Cell
Тестирование
------------
Для проверки использовалось пять разных лабиринтов

simple.txt представляет простой лабиринт dead.txt содержит тупики large.txt является большим запутанным лабиринтом empty.txt не содержит стен а в noexit.txt выход недостижим

Каждый алгоритм запускался пять раз

Во время эксперимента измерялось время поиска количество посещённых клеток и длина найденного пути

Результаты сохранялись в файл results.csv

Результаты
----------
simple.txt
Алгоритм Время мс Посещено Путь
BFS 0.01464 11 6
DFS 0.01018 9 8
A* 0.01774 9 6

Все алгоритмы работают быстро

BFS и A* нашли более короткий путь чем DFS

dead.txt
Алгоритм Время мс Посещено Путь
BFS 0.36430 307 35
DFS 0.23494 279 151
A* 0.38374 235 35

DFS работал немного быстрее но нашёл более длинный путь

BFS и A* нашли короткий путь

large.txt
Алгоритм Время мс Посещено Путь
BFS 23.89446 6812 2329
DFS 84.77876 6796 4537
A* 28.69542 6791 2329

На большом лабиринте DFS показал худшее время и самый длинный путь

BFS и A* нашли одинаковый путь

empty.txt
Алгоритм Время мс Посещено Путь
BFS 1.277


04 1176 48
DFS 7.60228 2304 1176
A* 0.10094 48 48

В лабиринте без стен лучше всего показал себя A*

Он посетил меньше всего клеток и работал быстрее

noexit.txt
Алгоритм Время мс Посещено Путь
BFS 0.00370 1 0
DFS 0.00320 1 0
A* 0.00412 1 0

В этом лабиринте выход недостижим поэтому все алгоритмы быстро закончили поиск

Графики
-------
Для сравнения времени работы были построены графики для каждого лабиринта

Графики находятся в папке docs/data

simple_time.png dead_time.png large_time.png empty_time.png и noexit_time.png

Вывод
-----
В работе была создана программа для поиска выхода из лабиринта

Были реализованы BFS DFS и A* а также использованы паттерны Builder Strategy и Observer

По результатам эксперимента BFS хорошо подходит для поиска кратчайшего пути DFS может найти путь быстрее но он не всегда получается коротким A* хорошо показывает себя на больших и открытых лабиринтах