C++ BFS走迷宫自动寻路 C++ 基于BFS算法的走迷宫自动寻路的实现

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
//队列

//坐标结构体
struct Point
{
    int x;
    int y;
    Point()
    {
        x = 0;
        y = 0;
    }
    Point(int in_x, int in_y)
    {
        x = in_x;
        y = in_y;
    }

    Point& operator=(const Point& right_p)
    {
        this->x = right_p.x;
        this->y = right_p.y;
        return *this;
    }
};

//队列结构体
struct coolQueue
{
    int data;
    Point cool_p;
    coolQueue* next_p;

    coolQueue(int in_data)
    {
        data = in_data;
        next_p = NULL;
    }

    coolQueue(int in_x, int in_y, int in_data = 0)
    {
        cool_p.x = in_x;
        cool_p.y = in_y;
        data     = in_data;
        next_p   = NULL;
    }
};

//队列方法类，限制访问方式
class queueClass
{
protected:
    coolQueue* Head_p = NULL;
    coolQueue* End_p  = NULL;

public:
    queueClass() {}

    void push(int data);        //入队
    void push(int in_x, int in_y, int in_data = 0);
    bool pop(int& re_data);        //出队
    bool pop(coolQueue& in_coolQueue);
    void reverse_order();        //翻转

    void clear()
    {
        for (int data; pop(data););
    }

    ~queueClass()
    {
        clear();
    }
};

#include "coolQueue.h"

/*入队函数
* 传参：
*    in_data：入队的数据
*/
void queueClass::push(int in_data)
{
    if (Head_p == NULL)            //队列为空
    {
        Head_p = new coolQueue(in_data);
        End_p  = Head_p;
    }
    else if(Head_p == End_p)    //队列只有一个元素
    {
        End_p = new coolQueue(in_data);
        Head_p->next_p = End_p;
    }
    else
    {
        coolQueue* temp_p = new coolQueue(in_data);
        End_p->next_p      = temp_p;
        End_p              = temp_p;
    }
}

/*出队
* 传参：
*    re_data：接收出队返回值
* 返回值：
*    成功返回true，队列为空返回false
* 
* 把值写入re_data中返回
*/
bool queueClass::pop(int& re_data)
{
    if (Head_p == NULL)        //队列为空
        return false;
    re_data = Head_p->data;
    coolQueue* temp_p = Head_p;
    if (Head_p == End_p)    //队列只有一个元素
    {
        Head_p = NULL;
        End_p = NULL;
    }
    else
        Head_p = Head_p->next_p;
    delete temp_p;
    return true;
}

/*同链表采用以尾指针为头的头插法实现倒序
*/
void queueClass::reverse_order()
{
    if (Head_p == NULL || Head_p == End_p)
        return;

    coolQueue* p = Head_p, * temp_p;
    do {
        temp_p = p;
        p = p->next_p;
        temp_p->next_p = End_p->next_p;
        End_p->next_p = temp_p;
    } while (p != End_p);
    p = Head_p;
    Head_p = End_p;
    End_p = p;
}

//以下重载用于辅助自动寻路实现
//in_data = 0
void queueClass::push(int in_x, int in_y, int in_data)
{
    if (Head_p == NULL)
    {
        Head_p = new coolQueue(in_x, in_y, in_data);
        End_p = Head_p;
    }
    else if (Head_p == End_p)
    {
        End_p = new coolQueue(in_x, in_y, in_data);
        Head_p->next_p = End_p;
    }
    else
    {
        coolQueue* temp_p = new coolQueue(in_x, in_y, in_data);
        End_p->next_p = temp_p;
        End_p = temp_p;
    }
}

bool queueClass::pop(coolQueue& in_coolQueue)
{
    if (Head_p == NULL)
        return false;
    in_coolQueue.data   = Head_p->data;        //不直接使用复制是因为可能把Head_p的next_p也复制出去导致限制访问权限失效
    in_coolQueue.cool_p = Head_p->cool_p;
    coolQueue* temp_p = Head_p;
    if (Head_p == End_p)
    {
        Head_p = NULL;
        End_p = NULL;
    }
    else
        Head_p = Head_p->next_p;
    delete temp_p;
    return true;
}

#pragma once
#include "coolQueue.h"
#include "windows.h"
#include <cmath>

using namespace std;

#ifndef PI
#define PI 3.14159265358979323846
#endif // !PI

#ifndef Sleep_num
#define Sleep_num 500
#endif // !打印输出地图时的暂停时间

#ifndef Map_size
#define Map_size 10
#endif // !地图大小

/*地图操作类
* 保护继承队列，防止外部调用队列的函数
*/
class mapClass : protected queueClass
{
protected:
    int map[Map_size][Map_size];    //地图
    Point persion_p;                //起点位置坐标

    void new_map();

    void reflash_map();

    bool auto_find_way(Point& target_p);

    void auto_move(int in_x, int in_y);

public:
    mapClass(const Point& in_p);

    bool auto_main();

    void into_map(int in_data, int num = 1);

    bool into_map(int in_x, int in_y, int in_data);

    void show_map();

    void clear_map(const Point& in_p);
};

#include "mapClass.h"

/*初始化地图
* 
* 把map置零后设置边界
*/
void mapClass::new_map()
{
    memset(map, 0, Map_size * Map_size);//清零
    for (int num = Map_size; num--;)    //设置边缘障碍物
    {
        map[num][0] = 1;
        map[0][num] = 1;
        map[num][Map_size - 1] = 1;
        map[Map_size - 1][num] = 1;
    }
}

/*刷新地图
* 
* 由于在auto_find_way()中会修改地图中的值作为方向标记
* 移动后会残留一些标记，此函数将会把这些标记清理（即把标记置回0）
*/
void mapClass::reflash_map()
{
    for (int x = Map_size - 1; --x;)
        for (int y = Map_size - 1; --y;)
            map[x][y] = map[x][y] % 1000;
    /*方向标记为1000，2000，3000 和 4000，故 %1000 即可保留其他东西并清理标记*/
}

/*自动寻路
* 
* 传参：
*    &target_p：传出参数，找到路径后写入目标的坐标
* 返回值：
*    有路径返回true，没有返回false
* 
* 基于队列寻找到达目标的最优路径，会在地图上留下方向标记
* 如果找到，在其他函数可以 以目标位置开始，通过方向标记倒推回起点，即为路径
*/
bool mapClass::auto_find_way(Point& target_p)
{
    coolQueue out_queue(0, 0, 0);    
    for (int push_num = 1; push_num;)
    {
        push_num = 0;        //如果push_num在while循环后仍然为0，说明队列空且无路可走了
        while (this->pop(out_queue))
        {
            for (int i = 1, temp_x, temp_y; i <= 4; ++i)//判断它的旁边4个位置
            {    //此处使用sin()是为了在不同i时(temp_x, temp_y)指向以out_queue为中心的不同方向
                //效果同auto_move()中的switch()的使用
                temp_x = out_queue.cool_p.x + int(sin(PI / 2 * (i - 2.0)));
                temp_y = out_queue.cool_p.y + int(sin(PI / 2 * (i - 3.0)));
                switch (map[temp_x][temp_y])
                {
                case 0: //可走
                {
                    map[temp_x][temp_y] = i * 1000;        //写入方向标记
                    this->push(temp_x, temp_y, 0);        //入队
                    ++push_num;
                }break;
                case 10: //抵达目标位置
                {
                    map[temp_x][temp_y] += i * 1000;
                    target_p.x = temp_x;                //写入目标位置
                    target_p.y = temp_y;
                    this->clear();                        //清空队列
                    return true;
                }break;
                }
            }
            if (out_queue.data == -1)                    //每一轮队列的最后一个的data标记为-1
                break;                                    //以起点位置往外一步为一轮
        }
        if (this->End_p != NULL)
            this->End_p->data = -1;
    }
    this->clear();
    return false;
}

/*自动移动（递归函数）
* 传参：
*    
* 后序递归：先调用递归，再移动地点
* 因此此函数目的是一开始传入目标位置，
* 再以地图上的方向标记倒推上一个位置，
* 直到回到起点位置则开始移动，每次移动调用show()刷新地图显示
* 即可实现从起点到终点移动的效果
*/
void mapClass::auto_move(int in_x, int in_y)
{
    /*switch ()可替换为
    * temp_x = in_x + int(sin(PI / 2 * (map[in_x][in_y] / 1000));
    * temp_y = in_y + int(sin(PI / 2 * (map[in_x][in_y] / 1000 - 1.0));
    */
    int temp_x = in_x, temp_y = in_y;
    switch (map[in_x][in_y] / 1000)    //解析地图标记
    {
    case 0:return;   break;
    case 1:++temp_x; break;
    case 2:++temp_y; break;
    case 3:--temp_x; break;
    case 4:--temp_y; break;
    }
    /*由于函数是从终点位置递归回起点的，所以上一个调用此函数的应该是更接近终点的
    * 因此此函数接受的传入值（in_x, in_y）是下一个移动点
    * （temp_x,temp_y）为本次的移动点
    */
    auto_move(temp_x, temp_y);    //递归调用，让起点移动到本位置（即temp_x, temp_y）

    map[temp_x][temp_y] = 0;    //把现在的位置清零
    map[in_x][in_y] = 100;        //把下一个移动点置100，即可实现从现在的位置移动到下一个位置的效果
    show_map();                    //显示打印
    Sleep(Sleep_num);
    return;
}

/*构造函数
* 传参：
*    in_p：起点位置
*/
mapClass::mapClass(const Point& in_p)
{
    new_map();
    persion_p = in_p;
}

/*自动寻路主导函数
*/
bool mapClass::auto_main()
{
    show_map();                //显示地图
    Sleep(Sleep_num);

    this->clear();            //清空队列
    this->push(persion_p.x, persion_p.y, -1);//把起点入队

    Point target_p;            //目标坐标
    if (auto_find_way(target_p) == false)    //调用自动寻路
    {
        reflash_map();
        return false;
    }

    auto_move(target_p.x, target_p.y);        //移动
    reflash_map();                            //清理地图残留标记
    persion_p = target_p;                    //重置起点位置，抵达终点后起点即为终点
    return true;
}

/*对地图写入数据标记
* 
* 传参：
*    in_data：写入的数据值
*    num：     次数
* 
* 在地图的随机空位置上写入 num 次 in_data 标记
* 
* 存在bug：
*    如果地图坐标已满，写入次数不够会陷入死循环
*    可考虑加入循环次数限制解决
*/
void mapClass::into_map(int in_data, int num)
{
    if (num <= 0)
        return;
    for (int i = 0, j = 0; num--;)
    {
        i = rand() % Map_size;
        j = rand() % Map_size;
        if (map[i][j] == 0)
            map[i][j] = in_data;
        else
            ++num;
    }
}

/*对地图写入数据标记
* 
* 传参：
*    in_x,in_y：写入的地图位置
*    in_data：  写入的数据值
* 
* 返回值：
*    如果(in_x, in_y)位置为空则写入成功返回true，否则返回false
* 
* 在地图的(in_x, in_y)位置写入 in_data
*/
bool mapClass::into_map(int in_x, int in_y, int in_data)
{
    if (map[in_x][in_y] == 0)
    {
        map[in_x][in_y] = in_data;
        return true;
    }
    return false;
}

/*打印显示地图
*/
void mapClass::show_map()
{
    system("cls");                            //清空控制台输出
    for (int i = 0; i < Map_size; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < Map_size; ++j)
            switch (map[i][j] % 1000)
            {
            case 0:        cout << "  "; break;//空白位置
            case 1:        cout << "□"; break;//障碍物
            case 10:    cout << "◇"; break;//目标
            case 100:    cout << "◆"; break;//自己
            default:    cout << "  "; break;
            }
        cout << endl;
    }
}

/*重置地图
* 传参：
*    in_p：起点位置
* 
* 清空地图，仅保留 起点 和 边界 标记
* 用于辅助循环刷新障碍物寻路的实现
*/
void mapClass::clear_map(const Point& in_p)
{
    for (int x = Map_size - 1; --x;)        //把地图中的所有位置置零
        for (int y = Map_size - 1; --y;)
            map[x][y] = 0;
    persion_p = in_p;                        //重新设置起点
    map[in_p.x][in_p.y] = 100;
}

#include <iostream>
#include <time.h>
#include <cmath>

#include "mapClass.h"
using namespace std;


int main()
{
    srand(int(time(0)));

    Point persion_p(1, 1), target_p(1, 1);
    mapClass test_map(persion_p);

    test_map.into_map(1, 1, 100);    //写入起点
    test_map.into_map(1, 20);        //写入障碍物

    while (1)
    {
        //重置障碍物位置, 取消下面两句的注释即可启用
        //test_map.clear_map(target_p);        //清空地图
        //test_map.into_map(1, 20);            //生成障碍物

        do {
            target_p.x = rand() % (Map_size - 2) + 1;
            target_p.y = rand() % (Map_size - 2) + 1;
        } while (test_map.into_map(target_p.x, target_p.y, 10) == false);

        if (test_map.auto_main() == false)
        {
            cout << endl << "<< 走不了！" << endl;
            Sleep(1500);
        }
    }

    return 0;
}