过河问题-狼羊人菜

/*
*功能：解决狼羊人过河问题
*作者：王文堃
*作者邮箱：[email protected]
*创建时间：2016/4/5
*/

/*
问题描述：有一个人带着一匹狼、一头羊和白菜要过河
已知人每次过河只能带一样东西，狼和羊不能单独在一起
羊和菜不能单独在一起，求人过河的方案有几种？

问题抽象：分别用m、w、g、c来表示人(men)、狼(wolf)、羊(goat)、菜(cabbage)

问题的解决步骤:
1.求出人狼羊菜在河两岸的所有可能性，排列组合共16种情况，分别是
c40:(mwgc|)
c41:(wgc|m)、(mgc|w)、(mwc|g)、(mwg|c)
c42:(gc|mw)(wc|mg)(wg|mc)(mc|wg)(mg|wc)(mw|gc)
c43:(m|wgc)(w|mgc)(g|mwc)(c|mwg)
c44:(|mwgc)
----------------------------------------------------------
2.根据条件去除不可能的状态，将狼羊、羊菜单独在河一边的情况去除，
合适情况10种分别是：
(mwgc|)
(mgc|w)、(mwc|g)、(mwg|c)
(wc|mg)、(mg|wc)
(w|mgc)、(g|mwc)、(c|mwg)
(|mwgc)
----------------------------------------------------------
3.确定邻接关系，形成一个图，使用邻接矩阵存储【也可使用邻接链表】
----------------------------------------------------------
4.对图进行遍历，从(mwgc|)出发，用深度优先搜索找到(|mwgc)则为一个可行的方案
【也可使用广度优先搜索】
*/

#include<iostream>
#include<fstream>
#include<malloc.h>
using namespace std;

#define datatype char
#define ALLSTATE 1
#define SELECTSTATE 2
#define MAXSIZE 10
#define TOLEFT 0
#define TORIGHT 1

//数据结构说明
//记录所有的情况
//使用链表是为了后面将错误的状态删除比较方便
typedef struct node 
{
    int num; //用来标识情况的序号
    datatype state[10]; //用来说明情况
    bool IsRight; //用来指示该情况是否符合条件
    struct node *next; //指向下一个元素
}MyState;

typedef struct
{
    char vertex[MAXSIZE][MAXSIZE]; //顶点
    int StateGraph[MAXSIZE][MAXSIZE]; //邻接矩阵
}MyGraph;

//全局变量声明
int num_situation = 0; //统计情况的个数
MyState *AllState = (MyState*)malloc(sizeof(MyState)); //创建一个头指针
MyState *pEnd = AllState; //用来指示链尾部
datatype way[] = { 'm','w','g','c' }; //操作的数组
ofstream out("situation.txt"); //用于将所有可能写入文件
ifstream in("situation.txt"); //用于从文件中读取所有可能
MyGraph *g = (MyGraph*)malloc(sizeof(MyGraph)); //建立图的指针
int visited[MAXSIZE]; //用来记录图中一个结点是否被访问过，值为访问它的结点编码


//函数声明
//-------------------1------------------------------------------------
void count_situation(); //计算所有可能的情况
void comb(datatype a[], int n, int m, datatype b[], const int M); //组合
void file2struct(); //将情况补充后存入结构体
void fix(char state[]); //补充情况
int output_allstate(int sel); //输出所有情况
//-------------------2------------------------------------------------
void select_situation(); //筛选情况
bool IsRight(char temp[]); //判断该状态是否正确
//-------------------3------------------------------------------------
void create_graph(); //建立邻接矩阵
void init_Graph();
void GetNextState(MyState* NowState, int Edge[]); //根据当前状态求后继状态
void PassTheBrige(char temp[], char ch, int derction); //ch过河
int GetStateNum(char state[]); //获得此状态的编号
bool IsEqual(char array1[], char array2[]);
void output_graph(); //输出图
//-------------------4------------------------------------------------
void FindTheAnswer(int start, int end); //找到对应方法
void DFS(int s, int e); //找路径
void printPath(int e); //输出路径                      
char* Num2State(int num); //根据编号返回对应状态



void main()
{
    count_situation(); //第一步：计算所有状态
    select_situation(); //第二步：筛选合法状态
    create_graph(); //第三步：建立邻接矩阵
    FindTheAnswer(GetStateNum("|mwgc"),GetStateNum("wmgc|")); //第四步：深度优先搜索
    getchar();
}

/*------------------------------第一步计算所有情况--------------------------------------*/
//计算所有可能的情况
void count_situation()
{
    datatype b[4];
    out << "|mwgc" << endl;

    for (int i = 1; i <= 4; i++)
    {
        comb(way, 4, i, b, i); //组合
    }
    out.close();

    file2struct(); //将文件中的情况修正后存入结构体
    //输出全部结果,并修改状态个数
    num_situation = output_allstate(ALLSTATE); 
}

//组合
void comb(datatype a[], int n, int m, datatype b[], const int M)
{
    for (int i = n; i >= m; i--)
    {
        b[m - 1] = i - 1;
        if (m > 1)
        {
            comb(a, i - 1, m - 1, b, M);
        }
        else //m==1
        {
            for (int j = M - 1; j >= 0; j--)
            {
                out << a[b[j]]; //写到文件
            }
            out << "|" << endl;
        }
    }
}

//将情况补充后存入结构体
void file2struct()
{
    int number = 0;
    char state[10];
    if (in)
    {
        while (!in.eof())
        {
            //读取一条状态
            in >> state;
            //补充状态
            fix(state);
            //将state保存到结构体中
            MyState *temp = (MyState*)malloc(sizeof(MyState));
            temp->num = number++;
            temp->next = NULL;
            strcpy(temp->state, state); //将补充过的状态填入结构体
            pEnd->next = temp;
            pEnd = temp;
        }
    }
}

//补充情况
void fix(char state[])
{
    int i = 0;
    bool m = false, w = false, g = false, c = false;
    //检查传进来的串种缺少什么元素
    while (state[i] != '|')
    {
        switch (state[i++])
        {
        case 'm':
            m = true;
            break;
        case 'w':
            w = true;
            break;
        case 'g':
            g = true;
            break;
        case 'c':
            c = true;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    //将所有缺少的元素补充到‘|’后面
    if (m == false)
        state[++i] = 'm';
    if (w == false)
        state[++i] = 'w';
    if (g == false)
        state[++i] = 'g';
    if (c == false)
        state[++i] = 'c';
}

/*------------------------------第二步判断情况正误--------------------------------------*/
//筛选情况
void select_situation()
{
    MyState *temp = AllState;
    int i = -1;
    while (temp->next != NULL)
    {
        if (!IsRight(temp->next->state)) //如果该状态不正确
        {
            //将改状态删除
            MyState *del = temp->next;
            temp->next = del->next;
            free(del);
        }
        else
        {
            temp->num = i++;
            temp = temp->next;
        }

    }
    //输出筛选过的结果,并更新状态个数
    num_situation = output_allstate(SELECTSTATE); 
}

//判断该状态是否正确
bool IsRight(char temp[])
{
    int i = 0;
    bool m = false, w = false, g = false, c = false;
    while (temp[i] != '|' && temp[i] != '\0')
    {
        switch (temp[i++])
        {
        case 'm':
            m = true;
            break;
        case 'w':
            w = true;
            break;
        case 'g':
            g = true;
            break;
        case 'c':
            c = true;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    //wgc|m
    if (w == true && g == true && c == true && m == false)
        return false;
    //m|wgc
    if (m == true && w == false && g == false && c == false)
        return false;
    //gc|mw
    if (g == true && c == true && m == false && w == false)
        return false;
    //mw|gc
    if (m == true && w == true && g == false && c == false)
        return false;
    //wg|mc
    if (w == true && g == true && m == false && c == false)
        return false;
    //mc|wg
    if (m == true && c == true && w == false && g == false)
        return false;

        return true;

}

//输出函数
int output_allstate(int sel)
{
    int i = 1;
    MyState *temp = AllState->next;
    if (sel == ALLSTATE)
        cout << "-------------所有的情况----------------" << endl;
    else if (sel == SELECTSTATE)
        cout << "-------------筛选后情况----------------" << endl;
    while (temp->next != NULL)
    {
        cout << "第" << i++ << "种情况：" << temp->state << endl;
        temp = temp->next;
    }
    return i - 1; //返回当前状态的个数
}

/*------------------------------第三步建立邻接链表--------------------------------------*/
//建立邻接矩阵
/*
编程思路：
1.根据状态的个数建造一个邻接矩阵
2.当状态下一个指针不空的时候，对每一个状态有如下3~6的操作
3.求得改状态之后的所有可能状态
4.对所有的可能状态进行判断排除可能状态中不满足条件的
5.将满足条件的下一个状态与当前状态连边
6.下一个状态为当前状态

当状态下一个指向为空时图生成完毕
*/

void create_graph()
{
    init_Graph();
    int Edge[4] = { -1,-1,-1,-1 }; //记录应该链接的边
    MyState *temp = AllState->next;
    int i = 0;
    //遍历状态链表
    while (temp->next != NULL)
    {
        //顶点操作
        //给各个顶点赋初值
        strcpy(g->vertex[i++], temp->state);

        //边操作
        //求当前状态每一种满足条件的后继状态
        GetNextState(temp,Edge);
        //对每一个后记状态进行边添加
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            if (Edge[j] != -1) //要加边
            {
                g->StateGraph[temp->num][Edge[j]] = 111;
            }   
        }
        //恢复Edge
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            Edge[j] = -1;
        }
        temp = temp->next;
    }
    //输出图的邻接矩阵
    output_graph();
}

//初始化图
void init_Graph()
{
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 10; j++)
        {
            g->StateGraph[i][j] = 0;
        }
    }
}

//根据当前状态求后继状态
void GetNextState(MyState* NowState, int Edge[])
{
    //判断当前状态中人的位置
    int i_Edge = 0;
    int i = 0;
    bool m = false, w = false, g = false, c = false;

    //保存NowState
    char Copy[10];
    strcpy(Copy, NowState->state);

    while (NowState->state[i] != '|' && NowState->state[i] != '\0')
    {
        switch (NowState->state[i++])
        {
        case 'm':
            m = true;
            break;
        case 'w':
            w = true;
            break;
        case 'g':
            g = true;
            break;
        case 'c':
            c = true;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    //人在河左
    if (m == true)
    {
        //狼在河左，带狼过
        if (w == true)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'w', TORIGHT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TORIGHT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //羊在河左，带羊过
        if (g == true)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'g', TORIGHT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TORIGHT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //菜在河左，带菜过
        if (c == true)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'c', TORIGHT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TORIGHT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //人自己过河
        PassTheBrige(Copy, 'm', TORIGHT);
        if (IsRight(Copy))
        {
            Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
        }
        strcpy(Copy, NowState->state);
    }
    else //人在河右
    {
        //狼在河右，带狼过
        if (w == false)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'w', TOLEFT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TOLEFT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //羊在河左，带羊过
        if (g == false)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'g', TOLEFT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TOLEFT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //菜在河左，带菜过
        if (c == false)
        {
            PassTheBrige(Copy, 'c', TOLEFT);
            PassTheBrige(Copy, 'm', TOLEFT);
            if (IsRight(Copy))
            {
                Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
            }
            strcpy(Copy, NowState->state);
        }
        //人自己过河
        PassTheBrige(Copy, 'm', TOLEFT);
        if (IsRight(Copy))
        {
            Edge[i_Edge++] = GetStateNum(Copy);
        }
        strcpy(Copy, NowState->state);
    }
}

//过河函数，将temp数组中的字母ch移动到‘|’对岸
void PassTheBrige(char temp[], char ch, int derction)
{
    int i = 0, j = 0;
    //找ch的位置
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (temp[i] == ch)
            break;
    }
    //将ch删除
    for (j = i; j < 5; j++)
    {
        temp[j] = temp[j + 1];
    }
    //找河的位置
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (temp[i] == '|')
            break;
    }
    if (derction == TORIGHT)
    {
        temp[4] = ch; //给最后一个
    }
    else //过到河左
    {
        for (j = 4; j >= i; j--)
        {
            temp[j + 1] = temp[j];
        }
        temp[i] = ch;
    }
}

//获得此状态的num编号
int GetStateNum(char state[])
{
    MyState* temp = AllState->next;
    while (temp->next != NULL)
    {
        if (IsEqual(temp->state,state))
        {
            return temp->num;
        }
        else
        {
            temp = temp->next;
        }
    }
    return -1;
}

//判断两个状态是否相等
bool IsEqual(char array1[], char array2[])
{
    int i = 0;
    bool m1 = false, w1 = false, g1 = false, c1 = false;
    bool m2 = false, w2 = false, g2 = false, c2 = false;
    while (array1[i] != '|' && array1[i] != '\0')
    {
        switch (array1[i++])
        {
        case 'm':
            m1 = true;
            break;
        case 'w':
            w1 = true;
            break;
        case 'g':
            g1 = true;
            break;
        case 'c':
            c1 = true;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    i = 0;
    while (array2[i] != '|' && array2[i] != '\0')
    {
        switch (array2[i++])
        {
        case 'm':
            m2 = true;
            break;
        case 'w':
            w2 = true;
            break;
        case 'g':
            g2 = true;
            break;
        case 'c':
            c2 = true;
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    if (m1 == m2 && w1 == w2 && g1 == g2 && c1 == c2)
        return true;
    else
        return false;
}

//输出图
void output_graph()
{
    int i = 0, j = 0;
    cout << endl;
    cout << "-------------邻接矩阵为----------------" << endl;
    cout << "   ";
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << g->vertex[i] << "   ";
    }
    cout << endl;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << g->vertex[i] << "   ";
        for (j = 0; j < 10; j++)
        {
            cout << g->StateGraph[i][j]<<"  ";
        }
        cout << endl;
        cout << endl;
    }
    cout << endl;
}

/*------------------------------第四步进行深度搜索--------------------------------------*/
//找路径
void FindTheAnswer(int start, int end)
{
    //初始化
    for (int i = 0; i < MAXSIZE; i++)
    {
        visited[i] = -1;
    }
    visited[start] = start;
    cout << endl;
    cout << "-------------最终结果为----------------" << endl;
    DFS(start, end);
}

//深度优先搜索
void DFS(int s, int e)
{
    if (s == e)
    {
        printPath(e);
        cout << endl;
    }
    for (int i = 1; i < MAXSIZE; i++)
    {
        if (g->StateGraph[s][i] > 0 && visited[i] == -1) //有边且没有被访问
        {
            visited[i] = s; //标志边被s点访问
            DFS(i, e); 
            visited[i] = -1; //回溯后修改边为未被访问
        }
    }
}

//输出
void printPath(int e)
{
    if (visited[e] != e)
    {
        printPath(visited[e]);
        cout << "-->";
    }
    //输出e所对应的状态
    cout << " (" << Num2State(e) << ") ";
}

//根据编号返回对应状态
char* Num2State(int num)
{
    MyState* temp = AllState->next;
    while (temp->next != NULL)
    {
        if (temp->num == num)
        {
            return temp->state;
        }
        else
        {
            temp = temp->next;
        }
    }
    return NULL;
}

最终的结果为：