数据结构课程设计报告

课程设计说明书课程名称：数据结构与算法专业：软件工程班级：15-2 姓名：xx 学号：2xxxxxx2指导教师：xx完成日期：2017 年 1 月 3 日任务书目录1.引言 (3)2.课题分析 (4)3.具体设计过程 (5)3.1设计思路 (5)3.2程序设计流程图 (5)3.3.函数实现说明 (6)4.程序运行结果 (8)5.软件使用说明 (12)6.结论 (13)参考文献 (13)1.引言课程设计是对学生的一种全面综合训练，是与课堂听讲、自学和练习相辅相成的、必不可少的一个教学环节。

通常，课程设计中的问题比平时的习题复杂的多，也更接近实际。

课程设计着眼于原理与应用的结合点，使学生学会如何把书上学到的知识用于解决实际问题，培养软件工作所需要的动手能力；另一方面，能使书上的知识变“活”，起到深化理解和灵活掌握教学内容的目的。

平时的习题较偏重于如何编写功能单一的“小”算法，局限于一个或两个知识点，而课程设计题是软件设计的综合训练，包括问题分析，总体结构设计，用户界面设计、程序设计基本技能和技巧，多人合作，以至一整套软件工作规范的训练和科学作风的培养。

此外，还有很重要的一点是：计算机是比任何教师更严厉的检查者。

为达到上述目的，使学生更好地掌握程序设计的基本方法和C++语言的应用，本课程安排了课程设计环节，提供了各类题目供学生选择。

每个设计题采取了统一的格式，由问题描述、基本要求、测试数据、实现提示和选做内容等五个部分组成。

问题描述旨在为学生建立问题提出的背景，指明问题“是什么”。

基本要求则对问题进一步求精，划出问题的边界，指出具体的参量或前提条件，并规定该题的最低限度要求。

测试数据部分旨在为检查学生上机作业提供方便。

在实现提示部分，对实现中的难点及其解法思路等问题作了简要提示，提示的实现方法未必是最好的，学生不应拘泥与此，而应努力设计和开发更好的方法和结构。

选做部分向那些尚有余力的读者提出了更高的要求，同时也能开拓其它读者的思路，在完成基本要求时就力求避免就事论事的不良思想方法，尽可能寻求具有普遍意义的解法，使得程序结构合理，容易修改、扩充和重用。

2.课题分析编写一个《老鼠走迷宫》的C++程序，包括以下功能：初始状态：迷宫处为空白，输入长宽设定迷宫大小，时间剩余为300s。

具体要求如下：1. 点击生成迷宫，窗口左上方生成一个指定大小的迷宫，老鼠位于迷宫中央，粮仓位于迷宫右下角，开始计时。

2. 可以通过键盘上的方向键控制老鼠移动。

3. 点击显示路径按钮时，显示一条绿色的通道通向粮仓。

4. 点击最短路径按钮时，显示一条绿色的通道（最短）通向粮仓。

5. 点击拆墙/补墙时，老鼠可在迷宫内自由移动，老鼠所走过的墙将变成路/路将变成墙。

6. 点击取消作弊，恢复原始状态。

即老鼠只能通过路。

7. 当剩余时间为0时，弹出对话框，游戏失败，游戏结束。

8. 当老鼠走到粮仓处时，弹出对话框，找到出口，游戏结束。

9. 点击储存地图时，将当前地图以矩阵形势存于文件中；点击读取地图时，将文件中的数据赋予迷宫矩阵，创建迷宫。

3.具体设计过程3.1设计思路定义迷宫节点，包含x，y（坐标）与state（0为墙，1为通路），使用迷宫节点矩阵表示迷宫，使用回溯法创建迷宫节点矩阵。

利用深度优先遍历寻找出老鼠到粮仓的所有路径，利用广度优先遍历寻找老鼠到粮仓的最短路径，将路径中的节点的state置为2，在普通模式下，老鼠仅可通过state为1的节点，当作弊模式开启时，老鼠可通过任意state的节点并且通过的节点的state值会相应的改变。

打印迷宫时，state为0的节点使用黑色矩形填充，state为1的节点不填充，state为2的使用绿色矩形填充。

3.2程序设计流程图3.3.函数实现说明(1) void keyPressEvent(QKeyEvent *e) 功能：实现使用键盘完成对老鼠的控制。

(2) void paintEvent(QPaintEvent *) 功能：打印迷宫、路径、老鼠和粮仓。

(3) void creatMaze();功能：生成迷宫使用算法：回溯法、栈(4) void findWay();功能：寻找从老鼠到粮仓的路径。

使用算法：深度优先遍历(5) void findShortWay();功能：寻找从老鼠到粮仓的最短路径。

使用算法：广度优先遍历、队列(6) void timerUpdate();功能：更新剩余时间，当剩余时间为0时游戏结束。

4.程序运行结果1.初始状态2.点击生成迷宫，生成一个默认大小为25*25的迷宫3.点击寻找路径4.点击最短路径5.点击作弊拆墙（补墙）6.存储迷宫7.读取迷宫7. 时间耗尽时5.软件使用说明1.输入的长宽只能是奇数2.点击生成迷宫即可开始新的游戏3.该程序有一个局限性：只能存储一个迷宫，相应的，读取迷宫也只能读取上次存储的而不能选择。

6.结论课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新月异，当今计算机应用在生活中可以说得是无处不在。

因此作为二十一世纪的大学来说掌握程序开发技术是十分重要的，而C++语言又是最常见，功能最强大的一种高级语言，因此做好C++语言课程设计是十分必要的。

回顾起此次课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，自从拿到题目到完成整个编程，从理论到实践，在整整半个月的日子里，可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我们懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对一些前面学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说结构体，指针，链表……通过这次课程设计之后，我们把前面所学过的知识又重新温故了一遍。

参考文献C++程序设计（第三版）C++ Primer Plus(第6版)QT从入门到精通数据结构与算法附录（源代码）maze.h#ifndef MAZE_H#define MAZE_H#include <QLCDNumber>#include <QTimer>#include <QTime>#include <QWidget>#include <iostream>#include <stack>#include <vector>#include <queue>#include <QTime>#include <QLineEdit>#include <QPushButton>#include <QPainter>#include <QLabel>#include <QMessageBox>#include <QDebug>#include <QKeyEvent>#include <QPixmap>using namespace std;struct _maze //定义迷宫节点，x、y代表坐标，state代表是否为墙{int i;int j;int state; //0代表为墙，1代表通路};struct box //定义寻求路径节点{int i;int j;int direction; //方向，0上 1右 2下 3左};struct box1 //定义寻求最短路径节点{int i;int j;int pre;int num;};namespace Ui {class maze;}class maze : public QWidget{Q_OBJECTpublic:explicit maze(QWidget *parent = 0);~maze();void paintEvent(QPaintEvent *);void keyPressEvent(QKeyEvent *);bool isOdd(); //判断lineedit输入是否为奇数void creatMaze(); //创建迷宫void findWay(); //寻求路径（深度遍历）void findShortWay(); //寻求最短路径（广度遍历）private slots:void on_way_clicked();void on_shortway_clicked();void on_removewall_clicked();void on_cancelremove_clicked();void on_makemaze_clicked();void timerUpdate();void on_repairwall_clicked();private:Ui::maze *ui;QTime _time;_maze **matrix; //定义一个迷宫节点数组stack<_maze> *MazeStack; //定义一个栈用于存放迷宫节点vector<_maze> *FinalPath; //定义一个向量用于存放迷宫路径stack<box> *BoxStack; //定义一个栈用于存放寻路节点queue<box1> *Box1Queue; //定义一个队列用于存放寻最短路节点stack<box1> *Box1Stack; //定义一个栈用于存放寻最短路节点int M; //迷宫矩阵的行int N; //迷宫矩阵的列bool first;bool remove_wall; //判断是否进行拆墙bool repair_wall; //判断是否补墙//老鼠的坐标int X;int Y;};#endif // MAZE_Hmaze.cpp#include "maze.h"#include "ui_maze.h"maze::maze(QWidget *parent) :QWidget(parent),ui(new Ui::maze){ui->setupUi(this);QTimer *time0 = new QTimer(this);connect(time0,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(timerUpdate()));time0->start(1000);first=true;M=11;N=11;matrix=new _maze*[M];for(int i=0;i<M;i++){matrix[i]=new _maze[N];}for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){matrix[i][j].state=0;//初始化迷宫矩阵，将所有节点设置为墙 matrix[i][j].i=i;matrix[i][j].j=j;}//随机生成种子数QTime time=QTime::currentTime();qsrand(time.msec()+time.second()*1000);MazeStack = new stack<_maze>;FinalPath = new vector<_maze>;BoxStack = new stack<box>;Box1Stack = new stack<box1>;Box1Queue = new queue<box1>;X = 1;Y = 1;remove_wall=false;repair_wall=false;}maze::~maze(){delete ui;}void maze::keyPressEvent(QKeyEvent *e){if(remove_wall)//如果拆墙{if(e->key()==87||e->key()==16777235)//上{if(X>1){matrix[X][Y].state=1;X=X-1;}}else if(e->key()==83||e->key()==16777237)//下 {if(X<M-2){matrix[X][Y].state=1;X=X+1;}}else if(e->key()==65||e->key()==16777234)//左 {if(Y>1){matrix[X][Y].state=1;Y=Y-1;}}else if(e->key()==68||e->key()==16777236)//右{if(Y<N-2){matrix[X][Y].state=1;Y=Y+1;}}//当老鼠到达粮仓时，重新构建迷宫地图，使得存放路劲的容器置为空if(X==M-2&&Y==N-2){QMessageBox::information(this,"Reminder","Find the exit!",QMessageBox::Yes); for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)matrix[i][j].state=0;this->creatMaze();remove_wall=false;repair_wall=false;ui->cancelremove->setEnabled(false);ui->removewall->setEnabled(true);ui->repairwall->setEnabled(true);ui->way->setEnabled(true);ui->shortway->setEnabled(true);ui->makemaze->setEnabled(true);FinalPath->clear();X=M/2;Y=N/2;if(X%2==0)X+=1;if(Y%2==0)Y+=1;_time.restart();}}else if(repair_wall)//如果拆墙{if(e->key()==87||e->key()==16777235)//上{if(X>1){matrix[X][Y].state=0;X=X-1;}}else if(e->key()==83||e->key()==16777237)//下{if(X<M-2){matrix[X][Y].state=0;X=X+1;}}else if(e->key()==65||e->key()==16777234)//左{if(Y>1){matrix[X][Y].state=0;Y=Y-1;}}else if(e->key()==68||e->key()==16777236)//右{if(Y<N-2){matrix[X][Y].state=0;Y=Y+1;}}//当老鼠到达粮仓时，重新构建迷宫地图，使得存放路劲的容器置为空if(X==M-2&&Y==N-2){QMessageBox::information(this,"Reminder","Find the exit!",QMessageBox::Yes); for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)matrix[i][j].state=0;this->creatMaze();remove_wall=false;repair_wall=false;ui->cancelremove->setEnabled(false);ui->repairwall->setEnabled(true);ui->removewall->setEnabled(true);ui->way->setEnabled(true);ui->shortway->setEnabled(true);ui->makemaze->setEnabled(true);FinalPath->clear();X=M/2;Y=N/2;if(X%2==0)X+=1;if(Y%2==0)Y+=1;_time.restart();}}else{int k;if(e->key()==87||e->key()==16777235)//上{k=X-1;if(k>0&&matrix[k][Y].state!=0)X=k;}else if(e->key()==83||e->key()==16777237)//下{k=X+1;if(k<M-1&&matrix[k][Y].state!=0)X=k;}else if(e->key()==65||e->key()==16777234)//左{k=Y-1;if(k>0&&matrix[X][k].state!=0)Y=k;}else if(e->key()==68||e->key()==16777236)//右{k=Y+1;if(k<N-1&&matrix[X][k].state!=0)Y=k;}if(X==M-2&&Y==N-2){QMessageBox::information(this,"Reminder","Find the exit!",QMessageBox::Yes); for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)matrix[i][j].state=0;this->creatMaze();FinalPath->clear();X=M/2;Y=N/2;if(X%2==0)X+=1;if(Y%2==0)_time.restart();}}update();}void maze::paintEvent(QPaintEvent *) //画出迷宫{QPainter painter(this);painter.setPen(Qt::black);for(int i=FinalPath->size()-1;i>=0;i--){matrix[FinalPath->at(i).i][FinalPath->at(i).j].state=2;if(FinalPath->at(i).i==X&&FinalPath->at(i).j==Y) //当老鼠经过寻找迷宫路径时，使得state=1 {matrix[FinalPath->at(i).i][FinalPath->at(i).j].state=1;FinalPath->pop_back();}}if(!first){for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){if(i==X&&j==Y)//画老鼠{painter.drawPixmap(j*20,i*20,20,20,QPixmap(":/img/img/mouse").scaled(20,20)); }else if(i==M-2&&j==N-2)//画粮仓{painter.drawPixmap(j*20,i*20,20,20,QPixmap(":/img/img/door").scaled(20,20)); }else{switch(matrix[i][j].state){case 0://画墙壁painter.setBrush(QBrush(Qt::black,Qt::SolidPattern));painter.drawRect(QRect(j*20,i*20,20,20));break;case 1://画通路//painter.setBrush(QBrush(Qt::white,Qt::SolidPattern));//painter.drawRect(QRect(j*20,i*20,20,20));case 2://画迷宫寻找路径painter.setBrush(QBrush(Qt::green,Qt::SolidPattern));painter.drawRect(QRect(j*20,i*20,20,20));break;}}}}}bool maze::isOdd(){if(ui->xline->text().toInt()%2==0||ui->yline->text().toInt()%2==0)return false;return true;}void maze::timerUpdate() //更新时间，时间为0时游戏结束{int time1 = 300;if ((time1-((_time.elapsed())/1000)) < 0){QMessageBox::information(this,"Time Out!","Game over!",QMessageBox::Yes); for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)matrix[i][j].state=0;this->creatMaze();FinalPath->clear();X=M/2;Y=N/2;if(X%2==0)X+=1;if(Y%2==0)Y+=1;_time.restart();}QString runTime = QString::number(time1-((_time.elapsed())/1000));ui->timer->setText(runTime);}//创建迷宫节点矩阵(回溯法)void maze::creatMaze(){//先设置初始点为(3,3)int i=3,j=3;int randNum=0;//设置迷宫节点矩阵初始点位置为通路matrix[i][j].state=1;//定义一个临时节点_maze temp;temp.i=i;temp.j=j;temp.state=1;//false表示访问的方向，bool Up=false;bool Down=false;bool Right=false;bool Left=false;//进入循环，不断生成迷宫矩阵，直至栈为空while(1){temp.i=i;temp.j=j;randNum=qrand()%4;switch(randNum){case 0://上if(!Up&&i>2&&matrix[i-2][j].state==0){MazeStack->push(temp);matrix[i-2][j].state=1;matrix[i-1][j].state=1;i=i-2;Up=false;Down=false;Right=false;Left=false;}elseUp=true;break;case 1://下if(!Down&&i<M-3&&matrix[i+2][j].state==0) {MazeStack->push(temp);matrix[i+2][j].state=1;matrix[i+1][j].state=1;i=i+2;Up=false;Down=false;elseDown=true;break;case 2://左if(!Left&&j>2&&matrix[i][j-2].state==0){MazeStack->push(temp);matrix[i][j-2].state=1;matrix[i][j-1].state=1;j=j-2;Up=false;Down=false;Right=false;Left=false;}elseLeft=true;break;case 3://右if(!Right&&j<N-3&&matrix[i][j+2].state==0){MazeStack->push(temp);matrix[i][j+2].state=1;matrix[i][j+1].state=1;j=j+2;Up=false;Down=false;Right=false;Left=false;}elseRight=true;break;}if(Up&&Down&&Right&&Left)//如果当前访问节点四个方向都没有可拆的节点，回溯 {if(!MazeStack->empty()){i=MazeStack->top().i;j=MazeStack->top().j;MazeStack->pop();Up=false;Down=false;else//如果栈为空的话就返回，此时迷宫矩阵已经创建完毕return;}}}//用深度优先遍历的方法寻找路径,将路径数据保存在FinalPath容器中void maze::findWay(){FinalPath->clear();int i,j,di,find;box box;box.i=X;box.j=Y;box.direction=-1;BoxStack->push(box);matrix[X][Y].state=-1;while(1){i=BoxStack->top().i;j=BoxStack->top().j;di=BoxStack->top().direction;if(i==M-2&&j==N-2)//如果当前栈顶为粮仓节点，将路径存放入FinalPath{while(!BoxStack->empty()){_maze temp;temp.i=BoxStack->top().i;temp.j=BoxStack->top().j;temp.state=1;FinalPath->push_back(temp);BoxStack->pop();}return;}find=0;while(find==0&&di<4){di++;switch(di){case 0:i=BoxStack->top().i-1;j=BoxStack->top().j;break;//向上寻路 case 1:i=BoxStack->top().i;j=BoxStack->top().j+1;break;//向右寻路case 3:i=BoxStack->top().i;j=BoxStack->top().j-1;break;//向左寻路 }if(matrix[i][j].state==1){find=1;}}if(find==1){matrix[i][j].state=-1;BoxStack->top().direction=di;box.i=i;box.j=j;box.direction=-1;BoxStack->push(box);}else{BoxStack->pop();}}}//用广度优先遍历的方法寻找迷宫路径，寻找的路径是最短路径void maze::findShortWay(){FinalPath->clear();while(!Box1Queue->empty())Box1Queue->pop();int i,j,find=0,di,k=0,count=0;box1 box1;_maze temp;box1.i=X;box1.j=Y;box1.pre=-1;box1.num=k;Box1Queue->push(box1);matrix[X][Y].state=-1;while(!Box1Queue->empty()&&!find){i=Box1Queue->front().i;j=Box1Queue->front().j;box1.i=i;box1.j=j;box1.num=Box1Queue->front().num;Box1Stack->push(box1);if(i==M-2&&j==N-2){find=1;while(!Box1Stack->empty()){temp.i=Box1Stack->top().i;temp.j=Box1Stack->top().j;temp.state=1;FinalPath->push_back(temp);count=Box1Stack->top().pre;//记录当前的路径节点的上一个坐标的下表 while(!Box1Stack->empty()&&count!=Box1Stack->top().num){Box1Stack->pop();}}}for(di=0;di<4;di++){switch(di)//0上1右2下3左{case 0:i=Box1Queue->front().i-1;j=Box1Queue->front().j;break;case 1:i=Box1Queue->front().i;j=Box1Queue->front().j+1;break;case 2:i=Box1Queue->front().i+1;j=Box1Queue->front().j;break;case 3:i=Box1Queue->front().i;j=Box1Queue->front().j-1;break;}if(matrix[i][j].state==1){k++;box1.i=i;box1.j=j;box1.num=k;box1.pre=Box1Queue->front().num;Box1Queue->push(box1);matrix[i][j].state=-1;}}Box1Queue->pop();}}void maze::on_way_clicked(){//使得迷宫矩阵的state为2的值变为1for(int i=0;i<M;i++){if(matrix[i][j].state==2){matrix[i][j].state=1;}}this->findWay();this->setFocus(Qt::MouseFocusReason); update();}void maze::on_shortway_clicked(){//使得迷宫矩阵的state为2的值变为1 for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){if(matrix[i][j].state==2){matrix[i][j].state=1;}}this->findShortWay();this->setFocus(Qt::MouseFocusReason); update();}void maze::on_removewall_clicked(){FinalPath->clear();//使得迷宫矩阵的state为2的值变为1 for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){if(matrix[i][j].state==2){matrix[i][j].state=1;}}update();remove_wall=true;ui->way->setEnabled(false);this->setFocus(Qt::MouseFocusReason); ui->cancelremove->setEnabled(true); ui->removewall->setEnabled(false);ui->shortway->setEnabled(false);ui->repairwall->setEnabled(true);QMessageBox::information(this,"Reminder","You can remove wall now!",QMessageBox::Yes); }void maze::on_repairwall_clicked(){FinalPath->clear();//使得迷宫矩阵的state为2的值变为1for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){if(matrix[i][j].state==2){matrix[i][j].state=1;}}update();repair_wall=true;ui->way->setEnabled(false);this->setFocus(Qt::MouseFocusReason);ui->cancelremove->setEnabled(true);ui->removewall->setEnabled(true);ui->repairwall->setEnabled(false);ui->makemaze->setEnabled(false);ui->shortway->setEnabled(false);QMessageBox::information(this,"Reminder","You can repair wall now!",QMessageBox::Yes); }void maze::on_cancelremove_clicked(){remove_wall=false;repair_wall=false;this->setFocus(Qt::MouseFocusReason);ui->makemaze->setEnabled(true);ui->cancelremove->setEnabled(false);ui->shortway->setEnabled(true);ui->way->setEnabled(true);ui->repairwall->setEnabled(true);ui->removewall->setEnabled(true);}void maze::on_makemaze_clicked(){if(isOdd())if(ui->xline->text().toInt()>5&&ui->yline->text().toInt()>5) {_time.start();//删除原先matrix数组for(int i=0;i<M;i++)delete [] matrix[i];delete [] matrix;M=ui->xline->text().toInt();N=ui->yline->text().toInt();ui->label_2->setGeometry(170,(M+1)*20,110,30);ui->label_3->setGeometry(10,(M+1)*20,110,30);ui->xline->setGeometry(50,(M+1)*20,110,30);ui->yline->setGeometry(210,(M+1)*20,110,30);ui->makemaze->setGeometry((N+1)*20,370,100,30);ui->shortway->setGeometry((N+1)*20,170,100,30);ui->removewall->setGeometry((N+1)*20,220,100,30);ui->repairwall->setGeometry((N+1)*20,270,100,30);ui->cancelremove->setGeometry((N+1)*20,320,100,30);ui->way->setGeometry((N+1)*20,120,100,30);ui->label->setGeometry(340,(M+1)*20,130,40);ui->label_4->setGeometry((N+1)*20+2,20,75,30);ui->timer->setGeometry((N+1)*20,50,100,40);FinalPath->clear();ui->way->setEnabled(true);ui->removewall->setEnabled(true);ui->shortway->setEnabled(true);ui->repairwall->setEnabled(true);remove_wall = false;this->resize((N+7)*20,(M+3)*20);this->setFocus(Qt::MouseFocusReason);//初始老鼠的位置，在迷宫的中央X=M/2;Y=N/2;if(X%2==0)X+=1;if(Y%2==0)Y+=1;//重新创建新matrix数组，因为M和N发生了改变matrix=new _maze*[M];for(int i=0;i<M;i++){matrix[i]=new _maze[N];}for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++){matrix[i][j].state=0;//初始化迷宫矩阵，将所有节点设置为墙matrix[i][j].i=i;matrix[i][j].j=j;}this->creatMaze();first=false;update();}else{QMessageBox::information(this,"Warning","The input can not be less than5!",QMessageBox::Yes);ui->xline->clear();ui->yline->clear();}}else{QMessageBox::information(this,"Warning","The input can only be odd!",QMessageBox::Yes); ui->xline->clear();ui->yline->clear();}}main.cpp#include "maze.h"#include <QApplication>int main(int argc, char *argv[]){QApplication a(argc, argv);maze w;w.show();a.setWindowIcon(QIcon("s.ico"));return a.exec();}。