2026-rff_mp/BolonkinNM/docs/report.md

Отчёт по работе «Поиск выхода из лабиринта»

1. Цель работы

Разработать гибкую программу для загрузки лабиринта из файла, поиска пути от старта до выхода с возможностью выбора алгоритма, визуализации процесса и экспериментального сравнения алгоритмов. В работе использованы паттерны проектирования, чтобы отделить логику представления лабиринта, его загрузки, поиска пути и вывода результатов.

2. Описание задачи

Лабиринт задаётся в текстовом файле символами:

• # — стена;
• пробел — проход;
• S — старт;
• E — выход.

Программа должна:

• загружать лабиринт;
• строить его внутреннюю модель;
• искать путь разными алгоритмами;
• собирать статистику поиска;
• визуализировать результат в консоли;
• сравнивать стратегии на разных типах лабиринтов.

3. Выбранные паттерны проектирования

3.1 Builder

Паттерн Builder используется для загрузки лабиринта из файла. Он скрывает детали парсинга и валидации, а клиент получает готовый объект Maze.

Преимущества:

• легко добавить новый формат загрузки;
• клиентский код не зависит от формата файла;
• создание лабиринта можно расширять без переписывания остальной программы.

3.2 Strategy

Паттерн Strategy используется для выбора алгоритма поиска пути. В программе реализованы BFS, DFS, A*, а при необходимости можно добавить Дейкстру или любую другую стратегию.

Преимущества:

• алгоритм можно менять во время выполнения;
• код оркестратора не зависит от конкретного метода поиска;
• новые алгоритмы добавляются без изменения существующего кода.

3.3 Observer

Паттерн Observer используется для обновления консольного интерфейса при изменении состояния программы: загрузка лабиринта, поиск пути, движение игрока.

Преимущества:

• вывод отделён от логики;
• можно заменить консольный интерфейс на графический без изменения поискового кода;
• упрощается расширение визуализации.

3.4 Command

Паттерн Command используется для пошагового перемещения игрока и отмены последнего хода.

Преимущества:

• каждое действие оформляется как отдельный объект;
• легко реализовать undo;
• история ходов хранится отдельно от логики перемещения.

4. Диаграмма классов

Ниже приведена упрощённая диаграмма классов в формате Mermaid:

classDiagram
    class Cell {
        +int x
        +int y
        +bool isWall
        +bool isStart
        +bool isExit
        +isPassable()
    }

    class Maze {
        +cells
        +width
        +height
        +startCell
        +exitCell
        +getCell(x, y)
        +getNeighbors(cell)
    }

    class MazeBuilder {
        <<interface>>
        +buildFromFile(filename)
    }

    class TextFileMazeBuilder {
        +buildFromFile(filename)
    }

    class PathFindingStrategy {
        <<interface>>
        +findPath(maze, start, exitCell)
    }

    class BFSStrategy {
        +findPath(maze, start, exitCell)
    }

    class DFSStrategy {
        +findPath(maze, start, exitCell)
    }

    class AStarStrategy {
        +findPath(maze, start, exitCell)
    }

    class SearchStats {
        +timeMs
        +visitedCells
        +pathLength
        +path
    }

    class MazeSolver {
        +maze
        +strategy
        +setStrategy(strategy)
        +solve()
    }

    class Observer {
        <<interface>>
        +update(event)
    }

    class ConsoleView {
        +update(event)
        +render(maze, player_position, path)
    }

    class Command {
        <<interface>>
        +execute()
        +undo()
    }

    class MoveCommand {
        +execute()
        +undo()
    }

    class Player {
        +currentCell
        +setCell(cell)
    }

    Maze <|-- TextFileMazeBuilder : creates
    MazeBuilder <|.. TextFileMazeBuilder
    PathFindingStrategy <|.. BFSStrategy
    PathFindingStrategy <|.. DFSStrategy
    PathFindingStrategy <|.. AStarStrategy
    MazeSolver --> Maze
    MazeSolver --> PathFindingStrategy
    MazeSolver --> SearchStats
    Observer <|.. ConsoleView
    Command <|.. MoveCommand
    MoveCommand --> Player
    MoveCommand --> Maze
    ConsoleView --> Maze
    Maze --> Cell

5. Ключевые классы и их роль

Cell

Хранит координаты клетки и её тип. Позволяет быстро проверять, является ли клетка проходимой.

Maze

Содержит двумерную карту клеток, размер лабиринта, а также ссылки на старт и выход. Даёт доступ к соседним клеткам по четырём направлениям.

TextFileMazeBuilder

Читает текстовый файл, создаёт объекты Cell, определяет старт и выход, затем возвращает готовый Maze.

BFSStrategy

Ищет кратчайший путь по числу шагов. Подходит для случая, когда все переходы одинаковой стоимости.

DFSStrategy

Быстро исследует пространство, но не гарантирует кратчайший путь. Полезен как сравнительный алгоритм.

AStarStrategy

Использует эвристику Манхэттенского расстояния. Обычно посещает меньше клеток, чем BFS, если эвристика удачно направляет поиск к цели.

MazeSolver

Оркестратор, который хранит лабиринт и текущую стратегию. Вызывает поиск, измеряет время и собирает статистику.

SearchStats

Содержит итог поиска: время выполнения, количество посещённых клеток и длину пути.

ConsoleView

Реализует наблюдателя и умеет выводить лабиринт и найденный путь в консоль.

MoveCommand

Оформляет ход игрока как объект-команду. Поддерживает отмену последнего перемещения.

6. Экспериментальная часть

6.1 Подготовка тестовых лабиринтов

Для сравнения стратегий использовались следующие типы лабиринтов:

• маленький 10×10 с простым путём;
• средний 50×50 с тупиками;
• большой 100×100 со сложной структурой;
• пустой лабиринт без стен;
• лабиринт без выхода.

6.2 Методика измерений

Для каждой стратегии и каждого лабиринта поиск запускался несколько раз, после чего вычислялись средние значения:

• время поиска в миллисекундах;
• количество посещённых клеток;
• длина найденного пути.

Результаты сохранялись в CSV-файл в двух вариантах:

• сырой набор измерений;
• усреднённая таблица.

7. Анализ эффективности

BFS

BFS гарантирует кратчайший путь по числу шагов, если все переходы имеют одинаковую стоимость. На простых и пустых лабиринтах работает стабильно и предсказуемо. Минус — может посещать много клеток, особенно на больших лабиринтах.

DFS

DFS может быстро найти какой-то путь, но он не обязательно будет кратчайшим. На сложных лабиринтах иногда работает быстро, но на других может уйти далеко от цели и пройти лишние области.

A*

A* использует эвристику и обычно показывает хороший баланс между скоростью и качеством пути. На больших и запутанных лабиринтах часто посещает меньше клеток, чем BFS, потому что поиск направлен в сторону выхода.

Лабиринт без пути

Если пути нет, все алгоритмы вынуждены исследовать доступную область. В этом случае длина пути равна 0, а различия между алгоритмами проявляются в количестве просмотренных клеток и времени выполнения.

Вывод по выбору алгоритма

• BFS стоит выбирать, когда нужен гарантированно кратчайший путь и веса переходов одинаковы.
• DFS полезен как простой и быстрый по реализации вариант, но без гарантии оптимальности.
• A* подходит для практических задач, где нужно ускорить поиск и сократить число посещённых клеток.
• При взвешенных переходах лучше использовать Дейкстру или взвешенный A*.

8. Роль ООП и паттернов

ООП и паттерны сделали код более гибким и расширяемым. Благодаря этому:

• можно заменить алгоритм поиска без переписывания логики программы;
• можно добавить новый формат загрузки лабиринта;
• можно поменять способ визуализации;
• можно расширить управление игроком и добавить отмену действий.

Без паттернов пришлось бы связывать загрузку, поиск, отображение и управление в один большой блок кода. Это усложнило бы отладку и дальнейшие изменения.

9. Вывод

В ходе работы была создана расширяемая программа для поиска пути в лабиринте. Использование паттернов Builder, Strategy, Observer и Command позволило разделить обязанности между классами, упростить поддержку кода и сделать архитектуру удобной для дальнейшего развития. Эксперименты показали, что выбор алгоритма сильно зависит от типа лабиринта: BFS даёт кратчайший путь, DFS иногда быстрее в реализации, а A* чаще всего наиболее практичен на больших картах.

10. Приложения

• Листинги ключевых классов.
• CSV-файлы с результатами экспериментов.
• Графики сравнений.
• Файлы с тестовыми лабиринтами.