马踏棋盘演示程序的设计

马踏棋盘演示程序设计

题目：马踏棋盘

班级：02级计算机2班 姓名：刘晓明 学号：200201020219

完成日期：2004年11月20日

需求分析

将马随即放在国际象棋的8×8棋盘Board[8][8]的某个方格中，马按走棋规则进行移动。要求每个方格只进入一次，走遍棋盘上全部64个方格。编制非递归程序，求出马的行走路线，并按求出的行走路线，将数字1,2,……,64依次填入一个8×8的方阵，输出之。

测试数据：由读者指定。可自行指定一个马的初始位置(i,j),0<=i,j<=7。

设计思路

按照顺时针顺序，每次产生一个新的路点，并验证此路点的可用性，需要考虑的问题包括是否超出棋盘和此点已经走过与否。如新路点可用，则入栈，并执行下一步，每次按照上一路点的位置生成新路点。如一个路点的可扩展路点数为0，则走不下去了，进行回溯。

概要设计

程序中使用了菜单式设计，操作的输入输出均有提示。主要文件分为dsoper.h和ui.h。分别负责数据结构操作和用户界面显示。

dsoper.h中的主要函数解释如下：

l         void Calc(HorsePoint init)用于计算路程的入口函数

l         HorsePoint GetNewPoint(HorsePoint *parent) 从parent节点产生一个新节点，方向按照parent.dir方向递增

l         void PushStack(HorsePoint pos)入栈

l         void PushStack(HorsePoint pos, int dir)入栈重载函数

l         HorsePoint PopStack(void)出栈

l         void initial(void) 初始化应用程序各个全局变量

 

ui.h中的主要函数解释如下：

l         HorsePoint GetInitPoint(void) 请求输入马的初始位置

l         CmdChar GetCommand(void) 显示菜单，并从其中获取菜单命令

l         void ShowTable(void) 按照棋盘模型显示输出数据

l         void ShowStep(void) 按照步进模型显示输出数据

l         void SaveToFile(void) 保存到文件rt.txt中

 

数据结构定义：

typedef struct horsepoint

{

    int x;

    int y;

    int dir;    //下一步的走向，初始化-1，有效0-7

}HorsePoint;

其中dir分量用于指示相对于当前路点的下一路点方向，

 

全局变量定义：

bool Board[WIDTH][WIDTH] 定义棋盘中各点是否已经走过，未走为false

HorsePoint Path[MAX_LEN] 定义马的行走路径

int scount已经进入路径栈的元素个数

程序源代码

文件main.cpp

/*

  Name: main.cpp

  Copyright: Copyright@1999-2004, Gashero Liu.

  Author: Gashero Liu.

  Date: 16-11-04 20:41

  Description: 程序主文件，仅含main函数

*/

#include <iostream>

#include <stdlib.h>

 

#ifndef DATASTRUCT_H

#define DATASTRUCT_H

#include "datastruct.h"

#endif

#ifndef DSOPER_H

#define DSOPER_H

#include "dsoper.h"

#endif

#ifndef UI_H

#define UI_H

#include "ui.h"

#endif

 

using namespace std;

 

//--------------------------------全局变量定义 ---------------------------------

bool Board[WIDTH][WIDTH];       //定义棋盘中各点是否已经走过，未走false

HorsePoint Path[MAX_LEN];       //定义马的行走路径

int scount;                      //已经进入路径栈的元素个数

 

 

int main(int argc, char *argv[])

{

    CmdChar cmd;    //命令字符

    HorsePoint init;//马的初始位置

    initial();

    while((cmd=GetCommand())!=CMD_EXIT)

    {

        switch(cmd)

        {

            case CMD_NEW:

            {

                init=GetInitPoint();

                Calc(init);

                              break;

            }

            case CMD_TABLE:

            {

                ShowTable();

                              break;

            }

            case CMD_STEP:

            {

                ShowStep();

                              break;

            }

            case CMD_SAVE:

            {

                SaveToFile();

                              break;

            }

        }

    }                       

    //system("PAUSE");       

    return 0;

}

 

文件dsoper.h:

/*

  Name: dsoper.h

  Copyright: Copyright@1999-2004, Gashero Liu.

  Author: Gashero Liu.

  Date: 16-11-04 12:48

  Description: 数据结构的操作，包含栈和队列的操作

*/

 

#ifndef DATASTRUCT_H

#define DATASTRUCT_H

#include "datastruct.h"

#endif

 

//引用全局变量

extern bool Board[WIDTH][WIDTH];

extern HorsePoint Path[MAX_LEN];

extern int scount;

//结束引用全局变量

 

//---------------------------------function declaration-------------------------

void Calc(HorsePoint init);

/*计算路程的入口函数*/

HorsePoint GetNewPoint(HorsePoint *parent);

/*从parent节点产生一个新节点，方向按照parent.dir方向递增，如果无法产生新的

结点，则parent.dir==-1*/

void PushStack(HorsePoint pos);

void PushStack(HorsePoint pos, int dir);

/*结点pos入栈Path,入栈后scount++;相应Board对应点=true*/

HorsePoint PopStack(void);

/*给栈Path，出栈一个元素，并返回，scount--,对应点Board=false;*/

void initial(void);

/*初始化应用程序各个全局变量*/

 

//---------------------------------function defination--------------------------

void Calc(HorsePoint init)     //-----------------------------------------------

{

    int oc=0,wc=0;

    HorsePoint npos;    //下一结点

  HorsePoint *ppos;   //当前结点

    initial();

  ppos=&init;

    PushStack(*ppos);

    while(!(scount==0 || scount==MAX_LEN))

    {

        oc++;

        if(oc==100000000)

        {

            oc=0;

            wc++;

            printf("已执行%d亿次，入栈深度%d/n",wc,scount);

            //system("PAUSE");

        }

        ppos=&Path[scount-1];

        npos=GetNewPoint(ppos);

        if(ppos->dir!=INVALID_DIR)

        {

            PushStack(npos,ppos->dir);//产生了一个有效的下步结点，入栈

                     //printf("PushStack: (%d,%d),last.dir:%d,scount=%d/n",npos.x,npos.y,ppos->dir,scount);

                     //system("pause");

            }

        else

        {

            PopStack();//没有有效的下步结点，出栈

                     //printf("PopStack : scount:%d/n",scount);

        }

            //system("pause");

    }

  printf("共%亿零%d次,Scount:%d/n",wc,oc,scount);

}

 

HorsePoint GetNewPoint(HorsePoint *parent)  //----------------------------------

{

    int i;

    HorsePoint newpoint;

    int tryx[MAX_DIR]={ 1, 2, 2, 1,-1,-2,-2,-1};

    int tryy[MAX_DIR]={-2,-1, 1, 2, 2, 1,-1,-2};

    newpoint.dir=INVALID_DIR;

    parent->dir=parent->dir+1;

    for(i=parent->dir;i<MAX_DIR;i++)

    {

        newpoint.x=parent->x+tryx[i];

        newpoint.y=parent->y+tryy[i];

        if(newpoint.x<WIDTH && newpoint.x>=0 &&

            newpoint.y<WIDTH && newpoint.y>=0 &&

            Board[newpoint.x][newpoint.y]==false)

        {

            parent->dir=i;

            //Board[newpoint.x][newpoint.y]=true;

            return newpoint;

        }

    }

    parent->dir=INVALID_DIR;//没有有效的下一步方向

    return newpoint;//返回一个无关紧要的值

}

 

void PushStack(HorsePoint pos)     //------------------------------------------

{

    Board[pos.x][pos.y]=true;

    Path[scount]=pos;

    scount++;

}

 

void PushStack(HorsePoint pos, int dir)    //-------------------------------------

{

  Path[scount-1].dir=dir;

  PushStack(pos);

}

 

HorsePoint PopStack(void)   //--------------------------------------------------

{

    //std::cout << "PopStack" << std::endl;

    HorsePoint pos;

    scount--;

    pos=Path[scount];

    Board[pos.x][pos.y]=false;

  Path[scount].dir=INVALID_DIR;

    return pos;

}

 

void initial(void)    //--------------------------------------------------------

{

    int i,j;

    for(i=0;i<WIDTH;i++)

    {

        for(j=0;j<WIDTH;j++)

        {

            Board[i][j]=false;

        }

    }

    for(i=0;i<MAX_LEN;i++)

    {

        Path[i].x=0;

        Path[i].y=0;

        Path[i].dir=INVALID_DIR;

    }

    scount=0;

}

 

文件ui.h：

/*

  Name: ui.h

  Copyright: Copyright@1999-2004, Gashero Liu.

  Author: Gashero Liu.

  Date: 16-11-04 12:54

  Description: 用户交互操作头文件，另含文件存取

*/

 

#include <conio.h>

 

#ifndef DATASTRUCT_H

#define DATASTRUCT_H

#include "datastruct.h"

#endif

 

//引用全局变量

extern bool Board[WIDTH][WIDTH];

extern HorsePoint Path[MAX_LEN];

extern int scount;

//结束引用全局变量

 

//-----------------------function declaretion-----------------------------------

HorsePoint GetInitPoint(void);

/*请求输入马的初始位置*/

CmdChar GetCommand(void);

/*显示菜单，并从其中获取菜单命令*/

void ShowTable(void);

/*按照棋盘模型显示输出数据*/

void ShowStep(void);

/*按照步进模型显示输出数据*/

void SaveToFile(void);

/*保存到文件rt.txt中*/

 

//---------------------------------function defination--------------------------

HorsePoint GetInitPoint(void)   //----------------------------------------------

{

    HorsePoint pos;

    do

    {

        for(int i=0;i<24;i++)

        {

            printf("/n");//产生24个换行符来屏蔽上一页的信息

        }

        printf("/t/t/t/t请输入马的初始位置x,y：");

        scanf("%d,%d",&pos.x,&pos.y);

    }while(pos.x>=WIDTH || pos.y>=WIDTH ||

        pos.x<0 || pos.y<0);

    pos.dir=INVALID_DIR;

    return pos;

}

 

CmdChar GetCommand(void)  //----------------------------------------------------

{

    char cmd;

    while(true)

    {

        printf("/n/n/n/n");

        printf("/t/t/t/t马走棋盘演示程序/n");

        printf("/t/t/t/t   版本:v1.2/n/n");

        printf("/t/t/t/t   [n]新游戏/n");

        printf("/t/t/t/t   [t]输出棋盘模型/n");

        printf("/t/t/t/t   [s]步进输出/n");

        printf("/t/t/t/t   [f]保存至文件rt.txt/n");

        printf("/t/t/t/t   [x]退出/n");

        printf("/n/n/n/n/n/n/n/n/n/n/n/n/n/n");

        /*使用n多个换行符来刷屏，因为我找不到可以跨平台的清屏函数*/

        cmd=getch();

        switch(cmd)

        {

            case 'n':

            {

                return CMD_NEW;             //开始新游戏

                break;

            }

            case 't':

            {

                return CMD_TABLE; //输出棋盘模型

                break;

            }

            case 's':

            {

                return CMD_STEP;    //输出步进模型

                break;

            }

            case 'f':

            {

                return CMD_SAVE;   //保存至文本文件rt.txt

                break;

            }

            case 'x':

            {

                return CMD_EXIT;    //退出本程序

                break;

            }

            default:

            {

                cmd='/0';

                continue;

            }

        }

    }

}

 

void ShowTable(void)    //--------------------------------------------------------

{

    int ft[WIDTH][WIDTH];

    int step=0;

    HorsePoint pos;

    if(scount==MAX_LEN)

    {

        for(int i=0;i<MAX_LEN;i++)

        {

            step++;

            pos=Path[i];

            ft[pos.x][pos.y]=step;

        }

        for(int i=0;i<WIDTH;i++)

        {

            printf("/t/t/t/t");

            for(int j=0;j<WIDTH;j++)

            {

                if(ft[i][j]<10)

                {

                    printf(" ");//输出一个空格来保持对齐

                }

                printf("%d ",ft[i][j]);

            }

            printf("/n");

        }

        printf("/n/n/n/n/n/n/n/n");

        system("pause");

    }

    else

    {

        printf("/t/t/t/t任务未完成或失败，没有有效数据/n");

        system("pause");

    }

}

 

void ShowStep(void)     //--------------------------------------------------------

{

    int ft[WIDTH][WIDTH];

    int step=0;

    HorsePoint pos;

    char cmd;

    if(scount==MAX_LEN)

    {

        for(step=0;step<MAX_LEN;step++)

        {

            printf("/n/n/n/n/n/n/n/n");

            for(int i=0;i<WIDTH;i++)//清除输出数组内容

            {

                for(int j=0;j<WIDTH;j++)

                {

                    ft[i][j]=0;

                }

            }

            for(int i=0;i<step;i++)//只显示到step步的内容

            {

                pos=Path[i];

                ft[pos.x][pos.y]=i+1;

            }

            for(int i=0;i<WIDTH;i++)

            {

                printf("/t/t/t/t");

                for(int j=0;j<WIDTH;j++)

                {

                    if(ft[i][j]<10)

                    {

                        printf(" ");

                    }

                    if(ft[i][j]==0)

                    {

                        printf("  ");

                    }

                    else

                    {

                        printf("%d ",ft[i][j]);

                    }

                }

                printf("/n");

            }

            printf("/n/n/n/n/n/n/n/n/n");

            system("pause");

        }

        printf("/n/n/n/n/n/n/n/n");

        system("pause");

    }

    else

    {

        printf("/t/t/t/t任务未完成或失败，没有有效数据/n");

        system("pause");

    }

}

 

void SaveToFile(void)   //------------------------------------------------------

{

    int ft[WIDTH][WIDTH];

    int step=0;

    HorsePoint pos;

    FILE *pfile;

    if(scount==MAX_LEN)

    {

        for(int i=0;i<MAX_LEN;i++)//将路径数据转存到棋盘模型中

        {

            step++;

            pos=Path[i];

            ft[pos.x][pos.y]=step;

        }

        if((pfile=fopen(FILE_NAME,"w"))!=NULL)//保存至文件

        {

            for(int i=0;i<WIDTH;i++)

            {

                for(int j=0;j<WIDTH;j++)

                {

                    if(ft[i][j]<10)

                    {

                        fprintf(pfile," ");//补齐格式用的空格

                    }

                    fprintf(pfile,"%d ",ft[i][j]);

                }

                fprintf(pfile,"/n");

            }

            fclose(pfile);

            system("notepad.exe rt.txt");

        }

        else

        {

            printf("/t/t/t/t输出文件打开错误，请检查文件属性和文件系统属性/n");

            system("PAUSE");

        }   

    }

    else

    {

        printf("/t/t/t/t任务未完成或失败，没有有效数据/n");

        system("PAUSE");

    }       

}

 

文件datastruct.h：

/*

  Name: datastruct.h

  Copyright: Copyright@1999-2004, Gashero Liu.

  Author: Gashero Liu.

  Date: 16-11-04 12:25

  Description: 数据结构的定义头文件

*/

 

typedef struct horsepoint

{

    int x;

    int y;

    int dir;    //下一步的走向，初始化-1，有效0-7

}HorsePoint;

 

typedef enum cmdchar

{

    CMD_NEW, /*输入一个新的初始坐标点*/

    CMD_TABLE,       /*输出棋盘模型*/

    CMD_STEP, /*输出步进模型*/

    CMD_SAVE,         /*保存至文件*/

    CMD_EXIT, /*退出程序*/

}CmdChar;

 

#define WIDTH 8

#define MAX_LEN 64

 

#define MAX_DIR 8

#define INVALID_DIR -1

 

#define FILE_NAME "rt.txt"

调试分析

程序中的指针操作多次出现错误，尤其发生在操作栈中的方向分量时，由于操作的失误，开始实际未保存此数据，导致第47次循环需要回溯时进入死循环。后改用Visual Studio 2003中VC++.net中的调试工具发现栈内的所有dir分量值均为-1。后改正即可。因为这个问题，我重写了一次整个程序。

用户手册

首页菜单选项，按下中括号内的字符即可进入相关功能。需要输入数据后方可按照3中形式输出数据，输入数据格式为2个数字使用逗号分隔。

棋盘输出为一次完全输出整个棋盘信息。

步进输出每次仅前进一步，之后按下任意键前进。

保存至文件rt.txt则将结果存入可行性文件所在目录下的rt.txt文件内，并同时开启记事本显示保存文件内容。

按下x键退出程序

测试结果

经测试有些路点的数据计算量极大，其中(4,4)点使用AMD1.2GhzCPU计算了2个多小时，完成了850亿个有效路点的入栈尝试仍然没有算出结果。我也因为数据的问题而三次重写整个程序。所以推荐使用如下测试数据。有效入栈次数超过10亿次的数据均略掉（计算时间将超过5分钟）。数据后为实测的有效入栈次数：

初始坐标点

有效路点入栈次数

0,0

6,484,065

0,3

18,305,907

0,7

16,501,401

2,3

217,047,959

2,4

4,504,281

7,0

503,650,751

7,7

54,482,161

（在此仅列出x=0,1,2的全部数据和另外两个数据）

附录

虽说同学们的作业来源广泛，但希望老师相信这份是我自己写的。整个程序的开发经历了v1.0，v1,1，v1,2三个版本。如上的代码是v1.2版本。经过后来的测试证明v1.1版本（使用C语言）没有错误，可以正确执行，只怪我一开始选错了一直使用的数据（4，4）。漫长的计算导致我错以为进入了一个周期非常大的死循环。

在这三个版本的开发过程中，我使用了Dev-C++5，Visual C++.net2003，GNU gcc3.3.0三个版本两个平台的编译器和IDE。我也为此付出了约20个小时的时间。回头看来付出还是值得的，程序源码总量达到了470余行，是我至今写的最长的C程序（其他语言不计）。而如此高的计算量也让我开始考虑程序的时间复杂性问题了。程序中用户界面的刷屏设计也用到了我以前一次课设的经验，实际证明即实现了全屏幕显示，又有非常完美的跨平台性能（Windows XP / GNU Linux）。

在版本v1.2中实际上是使用了面向过程的C++语言写成的，标准参考了ISO C++98标准，因此代码在Dev-C++中书写，而移植到VC++.net和gcc时，没有修改任何一句代码。由此可见标准在跨平台开发方面的优越性。但后来实际证明在基于Win32，.net，Linux Kernel三种平台中实际运算速度几乎没有差异，而将程序运行于Pentium2.4Ghz平台运行时速度提高也很小（1.4亿次/分钟,1.7亿次/分钟）。

版本v1.0开发过程中间隔时间过长，以致忘记了开发思路，所以没有完成就放弃了，现在可以到我的个人站点下载v1.1和v1.2的源代码和可执行文件。v1.1版本只提供Dev-C++编译下的符合ISO C99标准的代码和基于Win32平台的二进制源码。V1.2版本使用ISO C++98标准书写，二进制版本提供Win32平台的Dev-C++编译版本和.net Framework1.1平台下的VC++.net编译版本。对于Linux平台，可自行复制源码编译，再次不提供。

源码下载地址：http://e5022.wx-e.com/sourcecode/index.htm

E-mail: [e-mail]