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HRD_Database
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This is a database project containing all klotski cases.
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HRD_Database/README.md

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Raw Blame History

库的调用

HRD_cal

描述：华容道快速计算库

  • 判断编码正确性

  • 对起始布局求解（仅返回搜索到的第一个最少步解的一个解法）

  • 找到两布局间最短路径（仅返回搜索到的第一条最短路径）

  • 找到起始布局衍生出的所有情况

使用：包含头文件"HRD_cal.h"，类名为HRD_cal；

示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include "HRD_cal.h"
using namespace std;

int main() {
    cout << "Klotski fast calculator by Dnomd343" << endl;
    vector <unsigned long long> dat;
    HRD_cal demo;
    
    // 将编码转为文本(参数为unsigned long long 返回string类)
    cout << "4FEA13400 is " << demo.Change_str(0x4FEA13400) << endl;
    cout << "----------------" << endl;

    // 将文本转为编码(参数为*char 返回unsigned long long)
    cout << "1a9bf0c00 is " << hex << demo.Change_int("1A9BF0C00") << dec << endl;
    cout << "----------------" << endl;

    // 检测编码的正确性
    if (demo.Check_Code(0x123456789) == false) {
        cout << "Code error!" << endl;
    }
    
    // 计算最少步数(参数为unsigned long long 返回vector类)
    dat = demo.Calculate(0x1A9BF0C00);
    cout << demo.Change_str(0x1A9BF0C00) << "'s solution";
    cout << " need at least " << dat.size() - 1 << " steps" << endl;
    for (unsigned int i = 0; i < dat.size(); i++) {
        cout << i << ": " << demo.Change_str(dat[i]) << endl;
    }
    cout << "----------------" << endl;

    // 计算到某一布局的最短路径(参数均为unsigned long long 分别为起始编码和目标编码 返回vector类)
    dat = demo.Calculate(0x1A9BF0C00, 0x1ABE70C00);
    cout << demo.Change_str(0x1A9BF0C00) << " to " << demo.Change_str(0x1ABE70C00);
    cout << " need at least " << dat.size() - 1 << " steps" << endl;
    for (unsigned int i = 0; i < dat.size(); i++) {
        cout << i << ": " << demo.Change_str(dat[i]) << endl;
    }
    cout << "----------------" << endl;

    // 计算某一布局衍生出的所有布局
    dat = demo.Calculate_All(0x1A9BF0C00);
    cout << demo.Change_str(0x1A9BF0C00) << " can derive " << dat.size() << " cases" << endl;
    cout << "----------------" << endl;

    return 0;
}

HRD_analy

描述：华容道分析库

  • 编码解析为具体排列

  • 检查编码是否合法

  • 根据起始布局分析出层级结构，包括各层间的链接关系

  • 得到布局的具体参数，包括全部最远布局、全部最少步解、全部合法解及其步数

  • 将分析结果导出到文件

使用：包含头文件"HRD_analy.h"，类名为HRD_analy；

示例：

#include <iostream>
#include "HRD_analy.h"
using namespace std;

int main() {
    cout << "Klotski Analyser by Dnomd343" << endl;
    HRD_analy demo;

    // 解译编码
    demo.Parse_Code(0x1A9BF0C00);
    cout << "code: " << demo.Change_str(demo.Parse_dat.code) << endl;
    cout << "status" << endl;
    for (int y = 0; y < 5; y++) {
        for (int x = 0; x < 4; x++) {
            if (demo.Parse_dat.status[x][y] <= 9) { // 0 ~ 9
                cout << int(demo.Parse_dat.status[x][y]) << " ";
            } else if (demo.Parse_dat.status[x][y] <= 0xE) { // A ~ E
                cout << char(demo.Parse_dat.status[x][y] + 55) << " ";
            } else if (demo.Parse_dat.status[x][y] == 0xFE) { // space
                cout << ". ";
            } else if (demo.Parse_dat.status[x][y] == 0xFF) { // undefined
                cout << "* ";
            } else { // error
                cout << "! ";
            }
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "type" << endl;
    for (int i = 0; i < 15; i++) {
        if (i < 10) {
            cout << i;
        } else {
            cout << char(i + 55);
        }
        cout << " -> ";
        switch (demo.Parse_dat.type[i]) {
            case 0:
                cout << "2 * 2" << endl;
                break;
            case 1:
                cout << "2 * 1" << endl;
                break;
            case 2:
                cout << "1 * 2" << endl;
                break;
            case 3:
                cout << "1 * 1" << endl;
                break;
            default:
                cout << "undefined" << endl;
                break;
        }
    }
    cout << "---------------------------" << endl;

    // 分析布局
    demo.quiet = false; // 输出分析状态
    demo.Analyse_Case(0x1A9BF0C00);
    demo.Output_Detail("demo-1A9BF0C00.txt"); // 输出分析结果到文件
    cout << "---------------------------" << endl;

    // 查看某布局的前后情况
    int layer_num = 29, layer_index = 190;
    // 得到全部父节点
    for (int k = 0; k < (*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).source_case.size(); k++) {
        cout << " (" << (*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).source_case[k]).layer_num;
        cout << "," << (*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).source_case[k]).layer_index << "):";
        cout << demo.Change_str((*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).source_case[k]).code);
    }
    cout << " ->";
    cout << " (" << layer_num << "," << layer_index << "):" << demo.Change_str((*demo.Layer[layer_num][layer_index]).code);
    cout << " ->";
    // 得到全部子节点
    for (int k = 0; k < (*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).next_case.size(); k++) {
        cout << " (" << (*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).next_case[k]).layer_num;
        cout << "," << (*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).next_case[k]).layer_index << "):";
        cout << demo.Change_str((*(*(*demo.Layer[layer_num][layer_index]).adjacent).next_case[k]).code);
    }
    cout << endl;
    cout << "---------------------------" << endl;
    
    return 0;
}

基本定义

华容道布局

  • 棋盘大小为4 x 5

  • 棋子为2 x 2，2 x 1（1 x 2），1 x 1三种

  • 棋子间不能重叠，且至少存在两个空格

  • 有且仅有一个2 x 2块，其他类型不限定

    （一个合法的华容道布局必须满足以上四点）

    合法华容道布局共有29334498种

合法布局举例：

legal_1+2

legal_3+4

非法布局举例：

illegal_1+2

illegal_3+4

错误原因：

  • 缺少2 x 2块

  • 仅有一个空格

  • 存在两个2 x 2块

  • 存在3 x 1块

布局间的关系

  • 移动原则：棋子只能平行移动，不能进行旋转；

  • 一步：某一棋子做任意步移动后的结果；

  • 子布局：某一布局通过一步移动可以得到的布局称为子布局；

  • 性质：布局A是布局B的子布局，同时必有布局B是布局A的子布局；

  • 相邻布局：两布局互为对方子布局时，两者为相邻布局；

步的举例

step_exp_1

step_exp_2

step_exp_3

标准情况

标准布局：存在5个2 x 1（或1 x 2），4个1 x 1棋子的合法华容道布局（363480种）

非标准布局：除标准布局外的全部合法华容道布局（28971018种）

编码

合法华容道均有编码，长度9位，每一位是单个16进制数（0~9与A~F）；同一布局只能有唯一编码，同一编码亦对应唯一布局，即编码与布局一一对应；

位置编号

address

2 x 2棋子的左上角在棋盘中的位置编号有12种情况，对应编码分别为：0、1、2、4、5、6、8、9、A(10)、C(12)、D(13)、E(14)，将其置于编码第一位；剩余8位十六进制位储存其他棋子信息。

其余棋子（空格此时暂时视为棋子）按从左到右，从上到下的顺序排列（取左上角排序）

它们对应的代号（二进制）如下：

棋子类型 代号
空格 00
1 x 2 01
2 x 1 10
1 x 1 11

十六进制可按位转为二进制，对应关系如下：

十六进制 二进制 十进制
0 0000 0
1 0001 1
2 0010 2
3 0011 3
4 0100 4
5 0101 5
6 0110 6
7 0111 7
8 1000 8
9 1001 9
A 1010 10
B 1011 11
C 1100 12
D 1101 13
E 1110 14
F 1111 15

8个十六进制位相当于32个二进制位，由于每个棋子占用2个二进制位，因此最多储存16个棋子信息；将其依次填入，若有空余则补0填；按此操作即可将布局转化为编码，规定编码最后的0可以省略。

编码举例

例1：

exp-1A9BF0C00

2 x 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 补0
0001 10 10 10 01 10 11 11 11 00 00 11 00 00 00 00 00
1 A 9 B F 0 C 0 0
因此，布局编码为1A9BF0C00，可简写为1A9BF0C

例2：

exp-4FEA13400

2 x 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 补0
0100 11 11 11 10 10 10 00 01 00 11 01 00 00 00 00 00
4 F E A 1 3 4 0 0
因此，布局编码为4FEA13400，可简写为4FEA134

例3：

exp-5DC02F800

2 x 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 补0
0101 11 01 11 00 00 00 00 10 11 11 10 00 00 00 00 00
5 D C 0 2 F 8 0 0
因此，布局编码为5DC02F800，可简写为5DC02F8

分类

由于共有29334498种布局，将它们从小到大排列，进而得到唯一的id(0 ~ 29334497)；

摆列方式分类

将2 x 1（1 x 2）的数量称为jiang_num，1 x 1的数量称为bing_num；

据此可分为64种情况，统计如下：

jiang_num bing_num 数量
0 0 12
0 1 192
0 2 1440
0 3 6720
0 4 21840
0 5 52416
0 6 96096
0 7 137280
0 8 154440
0 9 137280
0 10 96096
0 11 52416
0 12 21840
0 13 6720
0 14 1440
1 0 256
1 1 3584
1 2 23296
1 3 93184
1 4 256256
1 5 512512
1 6 768768
1 7 878592
1 8 768768
1 9 512512
1 10 256256
1 11 93184
1 12 23296
2 0 2138
2 1 25656
2 2 141108
2 3 470360
2 4 1058310
2 5 1693296
2 6 1975512
2 7 1693296
2 8 1058310
2 9 470360
2 10 141108
3 0 8974
3 1 89740
3 2 403830
3 3 1076880
3 4 1884540
3 5 2261448
3 6 1884540
3 7 1076880
3 8 403830
4 0 20224
4 1 161792
4 2 566272
4 3 1132544
4 4 1415680
4 5 1132544
4 6 566272
5 0 24232
5 1 145392
5 2 363480
5 3 484640
5 4 363480
6 0 14330
6 1 57320
6 2 85980
7 0 3508

进而，将2 x 1的数量称为style_num，于是有style_num恒小于或等于jiang_num；

此时可分出203种情况（注意不存在 jiang_num-bing_num-style_num = 7-0-0 的情况）：

203种分类的元素数量

群

定义：群是有限个不同布局的集合，该集合中全部布局都可以由其中任一布局经过有限次移动得到；

性质：任意一个布局无论如何移动，其结果仍在该群内；

构造：群是封闭的，群中所有元素无序且互异，同时构成一个关系网；

最简性：只需群中任意一个布局，即可复原出群中的所有元素；

按群继续分类

对于一个特定的 jiang_num-bing_num-style_num 分组，可拆分出n个群；将分出的群按元素数量从大到小排列，若存在元素数量相同的群，则取其中的最小元素排序；对这些群进行编号得0 ~ (n - 1) 共n个群，编号记为group_num；

因而对于某一群，存在一个唯一编号 jiang_num-bing_num-style_num-group_num ；由于群中的元素个数是确定的，将其中的元素按编码从小到大排列，其中的元素可得唯一编号group_index；

所以，对于任意布局，可得唯一编号 jiang_num-bing_num-style_num-group_num-group_index；

层级关系

最少步数：当布局A和布局B处于同一个群时，从布局A移动到B所需最少的步数，该数值存在且是确定的；

性质：布局A到B的最少步数与布局B到A的最少步数必定相同；

最短路径：从布局A到布局B，所有满足最少步数的路径（最少路径可能不止一条）；

最远步数：布局A到它所在群中任一布局均存在一最少步数，其中最大的最少步数称为最远步数；

最远布局：布局A到布局B的最少步数为最远步数时，称布局B为布局A的最远布局（一般情况下不止一个）；

（标准华容道中不存在最远布局退化的情况，即最远步数至少为1）

最少步解：布局A所在群中存在一布局S，满足2 x 2方块在棋盘的最下方中间（即2 x 2块所在位置编号为13，亦或编码以D开头），记A到S的最少步数为n，此时不存在其他任何满足以上条件的S‘使得最少步数小于n，则称S为布局A的最少步解，n为最少步解的步数（亦简称为最少步）；

解：布局A所在群中存在一布局S满足2 x 2方块在棋盘的最下方中间，且有A到S的任意最短路径中均不存在符合2 x 2方块在棋盘的最下方中间的布局，此时称S为布局A的解；

性质：布局的解可能是空集；最少步解属于解的子集（特定条件下两者可以相同）；

层模型

表述：存在一起始布局A，从它开始衍生出有限个布局，每个布局抽象为一个节点，同时称A为根节点；由于任一由A衍生出布局到根节点存在一个确定的最少步数，将其称之为到根节点的距离；将所有距离相同的布局称为一个层，层内元素无序且互异，根节点所在层称为第0层，之后依次排列可得有限个层；

记排列的最后一层为第n层，则共有n + 1个层（包括第0层）；

性质1：所有层中的元素集合即为根节点所在的群；

性质2：某一节点所在层数为其到根节点的最少步数；

性质3：若最后一层为第n层，则最远步数为n，且第n层的所有元素均为最远布局；