数据结构熊猫烧香实验报告含源码.docx
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数据结构熊猫烧香实验报告含源码
1、实验任务与目的(简单介绍实验内容,说明实验任务和目的)
“熊猫烧香”是在网络中传播的一种著名病毒。
现在某实验室的网络不幸感染了这种病毒。
从教材P126的图6.5可以看到,实验室的机器排列为一个M行N列的矩阵,每台机器只和它相邻的及其直接相连。
开始时有T台机器被感染,每台遭遇的熊猫变种类型都不同,分别记为Type1,Type2,…..,Typer。
每台机器都具有一定级别的防御能力,将防御级别记为L(0 “熊猫烧香”按照下列规则迅速在网络中传播: (1)病毒只能从一台被感染的及其传到另一台没有被感染的机器; (2)如果一台机器已经被某个变种的病毒感染过,就不能再被其他变种感染; (3)病毒的传播能力每天都在增强。 第1天,病毒只能感染它可以到达的、防御级别为1的机器,而防御级别大于1的机器可以阻止它从自己处继续传播。 第D天,病毒可以感染它可以达到的、防御级别不超过D的机器,而只有防御级别大于D的机器可以阻止它从自己处继续传播。 (4)同一天之内,Type1变种的病毒先开始传播,感染所有它可能感染的及其,然后是Type2变种、Type3变种…….依次进行传播。 实验要求是: 当整个网络被感染后,计算有多少台机器被某个特定变种所感染。 【输入要求】 程序的输入数据由input.txt文件读入,文件包含若干组测试数据。 每组数据的第1行包含2个整数M和N(1≤M,N≤500),接下来是一个M*N的矩阵表示网络的初试感染状态,其中用负整数-L表示未被感染、防御级别为L的机器,正整数Typei表示该机器被Typei类型的病毒变种感染。 下一行给出一个正整数Q,是将要查询的变种的个数。 接下去的Q行里,每行给出一个变种类型。 当M或N为0时,表示全部测试结束,不要对该数据做任何处理。 【输出要求】 对每一组测试,在一行里输出被某个特定变种所感染的机器数量,并测试结果写入output.txt文件。 本实验训练的内容包括六个方面: (1)面向对象程序设计方法,类模板的应用; (2)采用合适的求解问题算法,如广度优先搜索、Dijkstra算法、并查集等; (3)矩阵存储; (4)文件的读写操作; (5)程序测试计划、用例的设计和测试方法。 —————————————————————————————————————— 2、实验思路(详细描述解决问题的整体思路、涉及的算法思想及数据结构等) 我们采用了并查集的方法,首先,我们考虑了这样一个问题: 在第n天的时候,计算机病毒只可以感染防御等级小于等于n的计算机,所以,在对计算机进行感染或者分类时,只需要考虑防御等级小于等于n的计算机,其他的计算机忽略不考虑。 每一天开始,我们需要对计算机网络进行一次分组操作,将低于某一等级的区域归为一个集合,并为集合设立虚拟根节点,集合中所有的结点的父母亲指针都指向虚拟根结点,在划分集合时,如之前所说的,不考虑小于等于天数的防御等级的计算机。 分组操作首先由一个循环开始,从二维矩阵的第一个数开始,m*n依次查找,如果满足要求(非病毒,防御等级<=天数,未被访问过),则将该结点设为虚拟结点,然后对其上下左右进行查找,同样寻找满足要求的结点,如果找到,则对其进行递归查找,一直找到最后一个结点为止,它们的父母亲指针都指向虚拟根结点,然后继续m*n的循环,直到循环所有的结点。 当分组操作完成以后,则从病毒开始对网络内计算机进行感染,首先将病毒设为根结点,即有多少种类型的病毒存在,就有多少个根结点,以根结点作为开始,建立单链表,依次存储被感染的结点。 首先对根结点病毒的上下左右依次寻找,看是否又可以被感染的计算机,如果有,则这个结点所在区域的所有计算机全部被感染,并将此区域所有结点的父母结点指针指向根结点,单链表顺序为按集合分配时的顺序,即虚拟根结点首先指向根结点。 然后按单链表的顺序进行感染,一直到单链表尾端。 并查集是一种树型的数据结构,用于处理一些不相交集合(DisjointSets)的合并及查询问题。 常常在使用中以森林来表示。 voidUnion(intx,inty) { fx=getfather(x); fy=getfather(y); if(fy! =fx) father[fx]=fy; } 二、实验结果与分析 1、程序结构(程序结构图,主要函数的功能描述,算法实现的细节等) 实现细节: 为了保证每天的分组更加高效,我们在结点类中加入了标识位,如果该结点已经在访问虚拟根结点时被分组,则不对该结点进行扫描; 同时我们还添加了标记结点坐标的位置的整形标量x,y。 在分组函数和感染函数中,要传递的值都是坐标,然而从一个结点的信息中无法得知它所在位置,通过添加坐标,就使这个问题得到解决; 由于每天病毒所能感染的计算机范围不一样,所有要进行天数的循环递增,但递增到什么时候呢? 我们发现,当计算机网络中防御等级最高的结点,它的防御等级就代表了最长的感染时间,即一定是天数等于防御等级的这一天所有的计算机都被感染。 所以我们只需要保存最高的防御等级,在循环时加以限制,就可以解决问题; 病毒发威感染计算机网络时,存在一个感染次序的问题,我们采用了单链表存储病毒序列,每一天从单链表的首部开始感染周围结点所以只需要一边感染,并将感染的计算机位置放在单链表的尾部,即可完成当天的全部感染任务; 感染时,对病毒上下左右进行几次查找满足可被感染的条件的结点,如果找到,则找到该结点所在区域的虚拟根节点,并感染整个区域,将整个区域所有结点的父母指针指向病毒的根结点。 分组函数(以一个方向为例) 感染函数(以一个方向为例) 并查集 //================================并查集======================================= voidXMSX: : union_find() { inti,j; for(day=-1;day>=high_level;day--) //第day天,使用负数,便于与防御等级比较 { cout<<"第"<<-day<<"天"< for(i=0;i { for(j=0;j { net[i][j].visit=0; } } //每天开始标识位置零 for(i=1;i { for(j=1;j { if(net[i][j].type_level<0&&net[i][j].type_level>=day&&net[i][j].visit==0) //当满足该结点(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问) { root_x=i; //记录虚拟根节点坐标 root_y=j; p=&net[i][j]; //保存根结点 group(i,j); //执行分组 p=&net[i][j]; while(p! =NULL) { cout< p=p->child; } //每天的分组完成后输出当天分组情况 cout< } } } cout< computer*index; for(intk=0;k //按病毒的型号顺序进行感染,每个病毒以其单链表次序依次感染 { cout< index=list_end[k]->parent; //保存病毒根结点 while(index! =NULL) { infect(index->x,index->y,k); //从根结点按单链表顺序依次感染,直到空 cout<<"("< index=index->child; } cout< } } } 源码: #include #include usingnamespacestd; structcomputer { inttype_level; intvisit; intx,y; computer*child; computer*parent; }; classXMSX { private: intm,n;//记录计算机网络大小 introot_x,root_y;//临时变量,用于记录虚拟根节点的位置 intday;//当前天数 intcount;//病毒数 intnum;//待查询的病毒数 inthigh_level;//最高的防御等级 intvirus_type[100];//病毒种类 intvirus_search[100];//待查找的病毒种类 computernet[100][100];//计算机网络 computer*list_end[100];//单链表表尾 computer*p;//临时变量 public: voidenter();//输入函数 voidprint();//将计算机网络输出在屏幕中 voidinfect(inta,intb,intk); //感染函数,对位置在(a,b)的结点进行递归感染,感染类型为virus_type[k] voidgroup(inta,intb); //集合划分函数,对位置在(a,b)的结点递归查找满足条件的结点 voidunion_find(); //并查集,分组并感染 voidcount_type(); //统计不同种病毒的数目并输出 }; //==============================输入函数======================================= voidXMSX: : enter() { inti,j,k; //定义三个整型变量用于循环 count=0;//输入前,病毒数为0 high_level=0;//输入前,最高防御等级为0 ifstreaminfile; infile.open("input.txt");//文件夹输入 infile>>m>>n;//输入行数和列数 for(i=0;i //m+2即增加了墙 { for(j=0;j //n+2即增加了墙 { net[i][j].type_level=0; //先令所有的计算机防御等级为0 net[i][j].child=NULL; //所有的计算机孩子指针指向空 net[i][j].parent=&net[i][j]; //所有的计算机父母指针指向自己 net[i][j].x=i; //在x,y中记录自己在矩阵中的位置 net[i][j].y=j; } } for(i=1;i { for(j=1;j { infile>>net[i][j].type_level; //文件夹输入计算机的防御等级或病毒型号 if(net[i][j].type_level>0) //当防御等级大于0时,即为病毒型号 { virus_type[count]=net[i][j].type_level; //记录病毒型号序列 list_end[count]=&net[i][j]; //此时将第count号病毒单链表的尾指针指向该病毒 //即将病毒作为自己单链表的头结点 count++; //count加1,当扫描完所有病毒以后,count即为病毒总数 } elseif(net[i][j].type_level //如果该计算机的防御等级大于最高防御等级 { high_level=net[i][j].type_level; //则将其设为最高防御等级 } } } infile>>num; //输入需要查找的病毒数目 for(k=0;k } //==============================输出矩阵======================================= voidXMSX: : print() { for(inti=1;i { for(intj=1;j { cout< } cout< } cout< } //==============================分组函数======================================= voidXMSX: : group(inta,intb) //给分组函数一个坐标(a,b),即可为这个坐标所在区域分组 { net[a][b].visit=1; //表示这个坐标已经被访问过 if(net[a-1][b].type_level<0&&net[a-1][b].type_level>=day&&net[a-1][b].visit==0) //当这个坐标的上方结点满足(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问)时 { net[a-1][b].parent=&net[root_x][root_y]; //将上方结点的父母指针指向虚拟根节点 p->child=&net[a-1][b]; //区域单链表表尾的孩子指针指向该结点 p=p->child; //将表尾向后推移 group(a-1,b); //递归对上方结点求分组 } if(net[a][b+1].type_level<0&&net[a][b+1].type_level>=day&&net[a][b+1].visit==0) //当这个坐标的右方结点满足(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问)时 { net[a][b+1].parent=&net[root_x][root_y]; p->child=&net[a][b+1]; p=p->child; group(a,b+1); } if(net[a+1][b].type_level<0&&net[a+1][b].type_level>=day&&net[a+1][b].visit==0) //当这个坐标的下方结点满足(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问)时 { net[a+1][b].parent=&net[root_x][root_y]; p->child=&net[a+1][b]; p=p->child; group(a+1,b); } if(net[a][b-1].type_level<0&&net[a][b-1].type_level>=day&&net[a][b-1].visit==0) //当这个坐标的左方结点满足(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问)时 { net[a][b-1].parent=&net[root_x][root_y]; p->child=&net[a][b-1]; p=p->child; group(a,b-1); } } //==============================感染函数======================================= voidXMSX: : infect(inta,intb,intk) //给出一个坐标以及病毒型号,即以该病毒感染此结点所在区域 { if(net[a-1][b].type_level<0&&net[a-1][b].type_level>=day) //当非病毒,防御等级不大于天数时 { p=net[a-1][b].parent; //保存该结点所在区域的虚拟根节点 list_end[k]->child=p; //将k号病毒链表尾部孩子指针指向虚拟根节点 p->type_level=list_end[k]->type_level; //该区域所有结点的防御等级改为病毒型号 p->parent=list_end[k]->parent; //取消虚拟根节点, while(p->child! =NULL) //以原始病毒为根结点 { p=p->child; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; } list_end[k]=p; //表尾推移到单链表最尾端 } if(net[a][b+1].type_level<0&&net[a][b+1].type_level>=day) { p=net[a][b+1].parent; list_end[k]->child=p; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; while(p->child! =NULL) { p=p->child; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; } list_end[k]=p; } if(net[a+1][b].type_level<0&&net[a+1][b].type_level>=day) { p=net[a+1][b].parent; list_end[k]->child=p; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; while(p->child! =NULL) { p=p->child; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; } list_end[k]=p; } if(net[a][b-1].type_level<0&&net[a][b-1].type_level>=day) { p=net[a][b-1].parent; list_end[k]->child=p; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; while(p->child! =NULL) { p=p->child; p->type_level=list_end[k]->type_level; p->parent=list_end[k]->parent; } list_end[k]=p; } } //================================并查集======================================= voidXMSX: : union_find() { inti,j; for(day=-1;day>=high_level;day--) //第day天,使用负数,便于与防御等级比较 { cout<<"第"<<-day<<"天"< for(i=0;i { for(j=0;j { net[i][j].visit=0; } } //每天开始标识位置零 for(i=1;i { for(j=1;j { if(net[i][j].type_level<0&&net[i][j].type_level>=day&&net[i][j].visit==0) //当满足该结点(非病毒、防御等级不大于天数、未被访问) { root_x=i; //记录虚拟根节点坐标 root_y=j; p=&net[i][j]; //保存根结点 group(i,j); //执行分组 p=&net[i][j]; while(p! =NULL) { cout< p=p->child; } //每天的分组完成后输出当天分组情况 cout< } } } cout< computer*index; for(intk=0;k //按病毒的型号顺序进行感染,每个病毒以其单链表次序依次感染 { cout< index=list_end[k]->parent; //保存病毒根结点 while(index! =NULL) { infect(index->x,index->y,k); //从根结点按单链表顺序依次感染,直到空 cout<<"("< index=index->child; } cout< } } }
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