import time from collections import deque import heapq import csv import os import random import matplotlib.pyplot as plt # ============================================================ # ЭТАП 1. МОДЕЛЬ ЛАБИРИНТА # ============================================================ class Cell: def __init__(self, x, y, is_wall=False, is_start=False, is_exit=False): self.x = x self.y = y self.is_wall = is_wall self.is_start = is_start self.is_exit = is_exit self.weight = 1 # Вес клетки (нужен для Дейкстры) # Можно ли пройти через клетку def isPassable(self): return not self.is_wall def __repr__(self): return f"Cell({self.x},{self.y})" # Хеш по координатам — чтобы класть клетки в set и dict def __hash__(self): return hash((self.x, self.y)) # Сравнение двух клеток (нужно для set и dict) def __eq__(self, other): return isinstance(other, Cell) and self.x == other.x and self.y == other.y class Maze: def __init__(self, width, height): self.width = width self.height = height self.cells = [] # Двумерный список: cells[y][x] self.start = None self.exit = None # Получить клетку по координатам, если она в границах лабиринта def getCell(self, x, y): if 0 <= x < self.width and 0 <= y < self.height: return self.cells[y][x] return None # Получить всех соседей клетки (вверх, вниз, влево, вправо), кроме стен def getNeighbors(self, cell): neighbors = [] for dx, dy in [(0, -1), (0, 1), (-1, 0), (1, 0)]: # Четыре направления nx = cell.x + dx ny = cell.y + dy neighbor = self.getCell(nx, ny) if neighbor and neighbor.isPassable(): neighbors.append(neighbor) return neighbors # То же самое, но возвращает пары (сосед, вес) — для Дейкстры def getWeightedNeighbors(self, cell): return [(n, n.weight) for n in self.getNeighbors(cell)] # ============================================================ # ЭТАП 2. ЗАГРУЗКА ЛАБИРИНТА ИЗ ФАЙЛА # ============================================================ class MazeBuilder: def buildFromFile(self, filename): raise NotImplementedError class TextFileMazeBuilder(MazeBuilder): def buildFromFile(self, filename): # Читаем файл, убираем переносы строк with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as f: lines = [line.rstrip('\n') for line in f] height = len(lines) width = max(len(line) for line in lines) # Берём самую длинную строку maze = Maze(width, height) # Разбираем каждый символ в клетку for y, line in enumerate(lines): row = [] for x, char in enumerate(line): if char == '#': cell = Cell(x, y, is_wall=True) # Стена elif char == 'S': cell = Cell(x, y, is_start=True) maze.start = cell # Запомнили старт elif char == 'E': cell = Cell(x, y, is_exit=True) maze.exit = cell # Запомнили выход else: cell = Cell(x, y) # Пустая клетка row.append(cell) # Если строка короче ширины — добиваем стенами while len(row) < width: row.append(Cell(len(row), y, is_wall=True)) maze.cells.append(row) # Проверяем, что старт и выход есть if maze.start is None or maze.exit is None: raise ValueError("В лабиринте нет S или E") return maze # ============================================================ # ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПУТИ ПО СЛОВАРЮ РОДИТЕЛЕЙ # ============================================================ def reconstruct_path(parents, end_cell): path = [] current = end_cell # Идём от выхода к старту по цепочке parents while current is not None: path.append(current) current = parents[current] path.reverse() # Разворачиваем — получаем путь от старта к выходу return path # ============================================================ # ЭТАП 3. АЛГОРИТМЫ ПОИСКА ПУТИ # ============================================================ class PathFindingStrategy: @property def name(self): return "Unknown" def findPath(self, maze, start, exit): raise NotImplementedError # ============================================================ # BFS — обход в ширину (очередь) # ============================================================ class BFSStrategy(PathFindingStrategy): @property def name(self): return "BFS" def findPath(self, maze, start, exit): queue = deque([start]) # Очередь: кто первый зашёл — первый вышел visited = {start} parents = {start: None} # Откуда пришли в клетку visited_count = 1 while queue: current = queue.popleft() # Берём из начала очереди if current == exit: path = reconstruct_path(parents, exit) return path, visited_count for neighbor in maze.getNeighbors(current): if neighbor not in visited: visited.add(neighbor) parents[neighbor] = current visited_count += 1 queue.append(neighbor) # Кладём в конец очереди return [], visited_count # ============================================================ # DFS — обход в глубину (стек) # ============================================================ class DFSStrategy(PathFindingStrategy): @property def name(self): return "DFS" def findPath(self, maze, start, exit): stack = [start] # Стек: кто последний зашёл — первый вышел visited = {start} parents = {start: None} visited_count = 1 while stack: current = stack.pop() # Берём с вершины стека if current == exit: path = reconstruct_path(parents, exit) return path, visited_count for neighbor in maze.getNeighbors(current): if neighbor not in visited: visited.add(neighbor) parents[neighbor] = current visited_count += 1 stack.append(neighbor) # Кладём на вершину стека return [], visited_count # ============================================================ # A* — поиск с подсказкой (эвристикой) # ============================================================ class AStarStrategy(PathFindingStrategy): @property def name(self): return "A*" # Подсказка: примерное расстояние до выхода (по прямой) def heuristic(self, a, b): return abs(a.x - b.x) + abs(a.y - b.y) def findPath(self, maze, start, exit): counter = 0 # Чтобы различать клетки с одинаковым приоритетом open_set = [] # Куча: всегда берём самую перспективную клетку heapq.heappush(open_set, (0, counter, start)) parents = {start: None} g_score = {start: 0} # Пройденное расстояние от старта visited = set() visited_count = 0 while open_set: _, _, current = heapq.heappop(open_set) # Достаём клетку с лучшей оценкой if current in visited: continue visited.add(current) visited_count += 1 if current == exit: path = reconstruct_path(parents, exit) return path, visited_count for neighbor in maze.getNeighbors(current): tentative_g = g_score[current] + 1 # Расстояние до соседа через текущую if neighbor not in g_score or tentative_g < g_score[neighbor]: g_score[neighbor] = tentative_g parents[neighbor] = current # Оценка клетки = пройденный путь + подсказка до выхода f_score = tentative_g + self.heuristic(neighbor, exit) counter += 1 heapq.heappush(open_set, (f_score, counter, neighbor)) return [], visited_count # ============================================================ # ДЕЙКСТРА — поиск с учётом весов клеток # ============================================================ class DijkstraStrategy(PathFindingStrategy): @property def name(self): return "Dijkstra" def findPath(self, maze, start, exit): counter = 0 queue = [] # Куча: всегда берём клетку с кратчайшим путём от старта heapq.heappush(queue, (0, counter, start)) distances = {start: 0} # Кратчайшее известное расстояние до каждой клетки parents = {start: None} visited = set() visited_count = 0 while queue: dist, _, current = heapq.heappop(queue) # Достаём ближайшую клетку if current in visited: continue visited.add(current) visited_count += 1 if current == exit: path = reconstruct_path(parents, exit) return path, visited_count # Здесь используем вес клеток, а не просто +1 for neighbor, weight in maze.getWeightedNeighbors(current): new_dist = dist + weight if neighbor not in distances or new_dist < distances[neighbor]: distances[neighbor] = new_dist parents[neighbor] = current counter += 1 heapq.heappush(queue, (new_dist, counter, neighbor)) return [], visited_count # ============================================================ # ЭТАП 4. РЕШАТЕЛЬ И СТАТИСТИКА # ============================================================ class SearchStats: def __init__(self, strategy_name, time_ms, visited_cells, path_length, path_found): self.strategy_name = strategy_name self.time_ms = time_ms # Время в миллисекундах self.visited_cells = visited_cells # Сколько клеток посетили self.path_length = path_length # Длина найденного пути self.path_found = path_found # Нашли путь или нет class MazeSolver: def __init__(self, maze, strategy=None): self.maze = maze self.strategy = strategy # Сменить алгоритм поиска def setStrategy(self, strategy): self.strategy = strategy def solve(self): if self.strategy is None: raise ValueError("Стратегия не выбрана") # Засекаем время и запускаем алгоритм start_time = time.perf_counter() path, visited = self.strategy.findPath(self.maze, self.maze.start, self.maze.exit) end_time = time.perf_counter() elapsed_ms = (end_time - start_time) * 1000 return SearchStats( self.strategy.name, elapsed_ms, visited, len(path), len(path) > 0 ), path # ============================================================ # ВЫВОД ЛАБИРИНТА В КОНСОЛЬ # ============================================================ def render(maze, path=None): path_set = set(path) if path else set() # Для быстрой проверки "клетка на пути?" for y in range(maze.height): line = "" for x in range(maze.width): cell = maze.getCell(x, y) if cell == maze.start: line += "S" elif cell == maze.exit: line += "E" elif cell in path_set: line += "." # Точка — клетка пути elif cell.is_wall: line += "#" else: line += " " print(line) print() # ============================================================ # ПУТИ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ФАЙЛОВ # ============================================================ OUTPUT_DIR = os.path.join("docs", "data") PREFIX = "_2lab" os.makedirs(OUTPUT_DIR, exist_ok=True) # Создаём папку, если её нет def get_path(filename): name, ext = os.path.splitext(filename) return os.path.join(OUTPUT_DIR, f"{name}{PREFIX}{ext}") # ============================================================ # СОЗДАНИЕ ЛАБИРИНТА ИЗ СПИСКА СТРОК # ============================================================ def create_test_maze(filename, lines): with open(filename, 'w', encoding='utf-8') as f: for line in lines: f.write(line + '\n') return filename # ============================================================ # ГЕНЕРАЦИЯ ЛАБИРИНТОВ # ============================================================ # Случайный лабиринт с гарантированным путём def generate_maze(width, height, wall_density=0.3): grid = [[' ' for _ in range(width)] for _ in range(height)] # Ставим стены по краям for x in range(width): grid[0][x] = '#' grid[height - 1][x] = '#' for y in range(height): grid[y][0] = '#' grid[y][width - 1] = '#' # Прокладываем гарантированную дорожку от (1,1) до (width-2, height-2) x, y = 1, 1 path_cells = {(x, y)} while x < width - 2 or y < height - 2: if x < width - 2 and random.random() > 0.3: x += 1 elif y < height - 2: y += 1 else: x += 1 path_cells.add((x, y)) # Случайно расставляем стены, но не на дорожке for yy in range(1, height - 1): for xx in range(1, width - 1): if (xx, yy) not in path_cells: if random.random() < wall_density: grid[yy][xx] = '#' # Ставим старт и выход по углам grid[1][1] = 'S' grid[height - 2][width - 2] = 'E' return [''.join(row) for row in grid] # Пустой лабиринт без стен def generate_empty_maze(size): lines = [" " * size for _ in range(size)] lines[0] = "S" + " " * (size - 1) lines[size - 1] = " " * (size - 1) + "E" return lines # Лабиринт, где выход замурован со всех сторон def generate_no_exit_maze(size): lines = generate_maze(size, size, wall_density=0.2) for y, line in enumerate(lines): if 'E' in line: x = line.index('E') # Окружаем выход стенами for dy, dx in [(-1, 0), (1, 0), (0, -1), (0, 1)]: ny, nx = y + dy, x + dx if 0 <= ny < size and 0 <= nx < size: if lines[ny][nx] == ' ': lines[ny] = lines[ny][:nx] + '#' + lines[ny][nx + 1:] return lines # ============================================================ # ЗАПУСК ЭКСПЕРИМЕНТОВ # ============================================================ def run_experiments(): # Набор лабиринтов для тестов mazes = { "small": [ "##########", "#S #", "# ###### #", "# # # #", "# # ## # #", "# # ## # #", "# # # #", "# ###### #", "# E#", "##########" ], "medium": generate_maze(50, 50, 0.35), "large": generate_maze(100, 100, 0.4), "empty": generate_empty_maze(20), "no_exit": generate_no_exit_maze(15) } # Список алгоритмов strategies = [ BFSStrategy(), DFSStrategy(), AStarStrategy(), DijkstraStrategy() ] results = [] print("=" * 60) print("ЭКСПЕРИМЕНТЫ") print("=" * 60) for maze_name, lines in mazes.items(): filename = get_path(f"{maze_name}.txt") create_test_maze(filename, lines) maze = TextFileMazeBuilder().buildFromFile(filename) print(f"\nЛабиринт: {maze_name}") print("-" * 60) for strategy in strategies: times = [] visited_values = [] final_path_len = 0 # Запускаем 5 раз и считаем среднее время for _ in range(5): solver = MazeSolver(maze) solver.setStrategy(strategy) stats, path = solver.solve() times.append(stats.time_ms) visited_values.append(stats.visited_cells) final_path_len = stats.path_length avg_time = sum(times) / len(times) avg_visited = sum(visited_values) / len(visited_values) results.append({ "maze": maze_name, "strategy": strategy.name, "time_ms": round(avg_time, 4), "visited": int(avg_visited), "path_length": final_path_len }) status = "найден" if final_path_len > 0 else "не найден" print(f"{strategy.name:<10} | {avg_time:>8.4f} мс | {int(avg_visited):>5} клеток | путь {status}") # Сохраняем всё в CSV csv_path = get_path("results.csv") with open(csv_path, "w", newline="", encoding='utf-8') as f: writer = csv.DictWriter(f, fieldnames=["maze", "strategy", "time_ms", "visited", "path_length"]) writer.writeheader() writer.writerows(results) print(f"\nCSV сохранён: {csv_path}") return results # ============================================================ # ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА # ============================================================ def build_charts(results): mazes = list(dict.fromkeys(r["maze"] for r in results)) # Список лабиринтов без повторов strategies = list(dict.fromkeys(r["strategy"] for r in results)) # Список стратегий без повторов fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 6)) x = range(len(mazes)) width = 0.2 # Ширина одного столбика # Цвета для каждого алгоритма colors = {'BFS': '#3498db', 'DFS': '#e74c3c', 'A*': '#2ecc71', 'Dijkstra': '#f39c12'} for i, strategy in enumerate(strategies): # Берём время этой стратегии для всех лабиринтов times = [r["time_ms"] for r in results if r["strategy"] == strategy] # Рисуем столбики рядом друг с другом ax.bar([j + i * width for j in x], times, width, label=strategy, color=colors.get(strategy, 'gray')) ax.set_xlabel("Лабиринт") ax.set_ylabel("Время (мс)") ax.set_title("Сравнение алгоритмов") ax.set_xticks([j + width * 1.5 for j in x]) # Подписи по центру группы ax.set_xticklabels(mazes) ax.legend() ax.grid(axis='y', alpha=0.3) plt.tight_layout() chart_path = get_path("chart_time.png") plt.savefig(chart_path, dpi=150, bbox_inches='tight') print(f"График сохранён: {chart_path}") plt.show() # ============================================================ # ГЛАВНАЯ ФУНКЦИЯ # ============================================================ def main(): results = run_experiments() build_charts(results) if __name__ == "__main__": main()