数据结构实验：用栈求解迷宫问题的所有路径及最短路径

用栈求解迷宫问题的所有路径及最短路径

题目描述

编写一个程序exp3-5.cpp,改进《教程》3.1.4节中的求解迷宫问题程序,要求输

如图3.9所示的迷宫的所有路径,并求第一条最短路径及其长度。

在本实验中用mg作为迷宫数组,用St数组作为顺序栈,Path数组保存一条迷宫径,将它们都设置为全局变量。
功能算法如下：

· mgpath(int xi,int yi,int xe,int ye):求解迷宫问题,即输出从入口(xi,yi)到出口(xe,ye)的全部路径和最短路径(包含最短路径长度)。与《教程》3.1.4节中的求解迷宫问题程序相比,其改进的方法是当找到一条路径时不使用return语句退出,而是出栈一次,重新回溯走另一条路径并输出,并用minlen记录最短路径长度,用Path数组记录最短路径。

· dispapath():输出一条路径并求最短路径。

· dispminpath():输出第一条最短路径及其长度。

运行代码

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#include<stdio.h>
#define M 4
#define N 4
#define MaxSize 100
// 定义迷宫数组
int mg[M + 2][N + 2] = {
    {1,1,1,1,1,1},{1,0,0,0,1,1}, { 1,0,1,0,0,1 },
    {1,0,0,0,1,1},{1,1,0,0,0,1},{ 1,1,1,1,1,1 } };
// 定义结构体表示路径中的位置和方向
struct {
    int i, j;
    int di;
} St[MaxSize], Path[MaxSize];//定义栈和存放最短路径的数组
int top = -1;                //栈顶指针
int count = 1;               //路径数计数
int minlen = MaxSize;        //最短路径长度
// 输出一条路径并求最短路径
void dispapath()
{
    int k;
    // 输出第 count 条路经
    printf("%5d:", count++);
    for (k = 0; k <= top; k++)
    {
        // 输出路径中的每个位置
        printf("(%d,%d)", St[k].i, St[k].j);
    }
    printf("\n");
    if (top + 1 < minlen)    //比较最短路径
    {
        for (int k = 0; k <= top; k++)
        {
            // 将当前路径复制到最短路径数组中
            Path[k] = St[k];
        }
        minlen = top + 1;
    }
}
// 输出最短路径
void dispminpath()
{
    printf("最短路径如下：\n");
    // 输出最短路径长度
    printf("长度：%d\n", minlen);
    printf("路径：");
    for (int k = 0; k < minlen; k++)
    {
        // 输出最短路径中的每个位置
        printf("(%d,%d)", Path[k].i, Path[k].j);
    }
    printf("\n");
}
// 寻找迷宫路径
void mgpath(int xi, int yi, int xe, int ye)
{
    int i, j, i1, j1, di;
    bool find;
    top++;
    St[top].i = xi; // 将起始位置压入栈
    St[top].j = yi;
    St[top].di = -1;
    mg[xi][yi] = -1;
    while (top > -1)
    {
        i = St[top].i; j = St[top].j;
        di = St[top].di;
        if (i == xe && j == ye)
        {        
            dispapath(); // 输出当前路径并更新最短路径相关信息
            mg[i][j] = 0;
            top--;
            i = St[top].i; j = St[top].j;
            di = St[top].di;
        }
        find = false;
        while (di < 4 && !find)
        {
            di++;
            switch (di)
            {
            case 0:i1 = i - 1; j1 = j; break;
            case 1:i1 = i; j1 = j + 1; break;
            case 2:i1 = i + 1; j1 = j; break;
            case 3:i1 = i; j1 = j - 1; break;
            }
            if (mg[i1][j1] == 0)find = true;
        }
        if (find)
        {
            St[top].di = di;
            top++;
            St[top].i = i1; St[top].j = j1;
            St[top].di = -1;
            mg[i1][j1] = -1;
        }
        else
        {
            mg[i][j] = 0;
            top--;
        }
    }
       dispminpath(); // 输出最短路径
}
int main()
{
    printf("迷宫所有列途径如下：\n");
    // 从左上角 (1,1) 到右下角 (M,N) 寻找路径
    mgpath(1, 1, M, N);
    return 1;
}

代码思路

一、整体架构

首先定义了迷宫的大小 M 和 N，以及一个用于存储路径的结构体和两个用于存储路径的数组 St 和 Path。还定义了一些变量用于记录栈顶指针、路径计数和最短路径长度等。
定义了三个主要函数：dispapath 用于输出一条路径并更新最短路径信息；dispminpath 用于输出最短路径；mgpath 是核心函数，用于在迷宫中寻找路径。
在 main 函数中调用 mgpath 函数，传入起点和终点坐标，启动路径搜索过程。

二、函数功能详解

mgpath 函数
- 初始化：将起点坐标压入栈 St，并将起点位置在迷宫数组 mg 中标记为已访问（设为 -1）。
- 循环搜索：通过一个 while 循环不断探索迷宫，直到栈为空（top > -1）。
  - 检查当前位置是否为终点：如果是终点，调用 dispapath 输出当前路径，并将终点位置在迷宫中重新设为可通行（设为 0），然后调整栈顶指针，准备继续搜索其他路径。
  - 寻找下一个可通行位置：如果当前位置不是终点，通过一个内循环不断尝试四个方向（上、右、下、左），找到下一个可通行位置（值为 0 的位置）。如果找到，更新当前位置的方向，将新位置压入栈，并在迷宫中标记新位置为已访问。如果没有找到可通行位置，将当前位置在迷宫中重新设为可通行，然后调整栈顶指针回退。
- 输出最短路径：搜索结束后，调用 dispminpath 输出最短路径。
dispapath 函数
- 输出当前路径编号和路径中的每个位置。
- 如果当前路径长度小于最短路径长度，将当前路径复制到 Path 数组中，并更新最短路径长度。
dispminpath 函数：输出最短路径的长度和路径中的每个位置。

三、数据结构的运用

迷宫数组 mg：用于表示迷宫的布局，其中 1 表示墙壁，0 表示可通行的路径。
结构体和数组：定义了一个结构体表示路径中的位置和方向，使用两个数组 St 和 Path 分别作为栈和存储最短路径的数组。栈用于存储当前正在探索的路径，而 Path 数组用于存储最短路径。

实验小结

一、实验目的与成果

本次实验的目的是在给定的迷宫中找到从起点到终点的路径，并输出所有路径以及最短路径。通过这段代码，成功地实现了以下功能：

利用深度优先搜索算法，借助栈数据结构对迷宫进行遍历，找到了从起点到终点的所有可能路径。
输出了所有路径的编号以及路径中的每个位置，清晰地展示了探索过程中的各种路径情况。
确定并输出了最短路径的长度和具体位置序列，为用户提供了迷宫的最优解。

二、遇到的问题及解决方法

路径准确性问题：
- 问题表现：在实验过程中，可能会出现输出的路径不准确或者最短路径计算错误的情况。
- 解决方法：仔细检查代码中的逻辑，特别是在路径长度比较和最短路径更新的部分。确保在判断路径长度和复制路径到最短路径数组时的逻辑正确。同时，检查在探索迷宫过程中对位置的标记和回溯操作是否准确无误。
边界处理：
- 问题表现：在探索迷宫时，可能会出现数组越界的错误，尤其是在探索新位置时。
- 解决方法：在代码中添加对新位置的合法性检查，确保新位置在迷宫范围内。在计算不同方向的新位置坐标时，仔细检查是否超出了迷宫的边界，避免出现越界访问的情况。
路径唯一性和最短路径选择：
- 问题表现：代码可能会找到重复的路径，并且在存在多条最短路径时可能只输出其中一条。
- 解决方法：可以考虑使用标记数组来记录已经访问过的位置，避免重复探索相同的路径。对于最短路径的输出，可以根据具体需求进行调整，例如输出所有长度相同的最短路径，或者根据特定规则选择其中一条作为最终的最短路径。

三、实验收获与体会

数据结构与算法的应用：通过这个实验，深入理解了栈在深度优先搜索算法中的重要作用。栈的后进先出特性非常适合记录路径的回溯过程，能够有效地实现迷宫路径的搜索。同时，对深度优先搜索算法的理解也更加深刻，掌握了如何运用该算法解决实际问题。
问题解决能力：在实验过程中，遇到了各种问题，通过分析问题、调试代码和查阅资料，提高了问题解决能力和编程技巧。学会了如何运用逻辑分析和调试工具来找出代码中的错误，并采取有效的措施进行修复。
代码优化意识：在解决问题的过程中，意识到代码的性能和可读性可以进一步优化。例如，可以使用更高效的算法来提高搜索效率，或者改进变量命名和添加注释来提高代码的可读性和可维护性。
团队合作与交流：如果是在团队中进行实验，可以与团队成员进行交流和讨论，分享解决问题的经验和方法。团队合作可以提高实验的效率和质量，同时也可以学习到其他人的编程思路和技巧。