数据结构——电梯模拟的报告.doc

1课程设计目的1、训练学生灵活应用所学数据结构知识，独立完成问题分析，结合数据结构理论知识，编写程序求解指定问题。 2.初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能；3.提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力；4.训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发，巩固、深化学生的理论知识，提高编程水平，并在此过程中培养他们严谨的科学态度和良好的工作作风。2课程设计任务与要求：任务根据教材数据结构题集（C语言版）（严蔚敏、吴伟民主编）选择课程设计题目，要求通过设计，在数据结构的逻辑特性和物理表示、数据结构的选择应用、算法的设计及其实现等方面加深对课程基本内容的理解和综合运用。设计题目从数据结构题集“第二篇 实习篇”中选取，每班每题不得超过2人。另选题：学生自选课题学生原则上可以结合个人爱好自选课题，要求课题有一定的深度与难度，有一定的算法复杂性，能够巩固数据结构课程所学的知识。学生自选课题需在17周前报课程设计指导教师批准方可生效。要求：1、在处理每个题目时，要求从分析题目的需求入手，按设计抽象数据类型、构思算法、通过设计实现抽象数据类型、编制上机程序和上机调试等若干步骤完成题目，最终写出完整的分析报告。前期准备工作完备与否直接影响到后序上机调试工作的效率。在程序设计阶段应尽量利用已有的标准函数，加大代码的重用率。 2、.设计的题目要求达到一定工作量（300行以上代码），并具有一定的深度和难度。3、程序设计语言推荐使用C/C+，程序书写规范，源程序需加必要的注释;4、每位同学需提交可独立运行的程序；5 、每位同学需独立提交设计报告书（每人一份），要求编排格式统一、规范、内容充实，不少于10页（代码不算）；6、课程设计实践作为培养学生动手能力的一种手段，单独考核。 3课程设计说明书一 需求分析（1）、模拟某校五层教学楼的电梯系统。该楼有一个自动电梯，能在每层停留。五个楼层由下至上依次称为地下层、第一层、第二层、第三层和第四层，其中第一层是大楼的进出层，即是电梯的“本垒层”，电梯“空闲”时，将来该层候命。五个楼层从下到上的编号为：0、1、2、3、4。除了地下层外，每一层都有一个要求向下的按钮除了第四层外，每一层都有一个要求向上的按钮。对应的变量为：CallUp0.3和CallDown1.4。电梯内的五个目标层按钮对应的变量为：CallCar0.4。（2）、电梯一共有七个状态，即正在开门（Opening）、已开门（Opened）、正在关门（Closing）、已关门（Closed）、等待（Waiting）、移动（Moving）、减速（Decelerate）。（3）、 乘客可随机地进出于任何层。对每个人来说，他有一个能容忍的最长等待时间，一旦等候电梯时间过长，他将放弃。对于在楼层内等待电梯的乘客，将插入在等候队列里，每一层有两个等候队列，一队要求向上，一队要求向下，用链队列来实现。对于在电梯内的乘客，用五个乘客栈来实现，该乘客要去哪一层，就把他放在相应编号的栈中，对应变量为EleStack04。（4）、模拟时钟从0开始，时间单位为0.1秒。人和电梯的各种动作均要耗费一定的时间单位（简记为t）：有人进出时，电梯每隔40t测试一次，若无人进出，则关门关门和开门各需要20t每个人进出电梯均需要25t电梯加速需要15t上升时，每一层需要51t，减速需要14t下降时，每一层需要61t，减速需要23t如果电梯在某层静止时间超过300t，则驶回1层候命。（5）、按时序显示系统状态的变化过程：发生的全部人和电梯的动作序列。二 概要设计1、 乘客类型反映乘客的所有属性。ADT Client数据对象：D=ai乘客信息,I=1,2,n,n0数据关系：R=<ai-1,ai>|ai-1,aiD,i=2,n基本操作：PrintClientInfo(Client const &e,ClientStatus s)操作结果：输出乘客信息。CreatClient(Client *&p)操作结果：生成新的乘客。DestoryClient(Client *&p)操作结果：该乘客离开系统。GoAbove(Client const &e)操作结果：判断该乘客是否去往高层。CInfloor(Client const &e)操作结果：返回乘客进入的楼层。CInTime(Client const &e)操作结果：返回乘客进入时间。COutfloor(Client const &e)操作结果：返回乘客进入时间。2、 乘客栈类型电梯内的乘客用乘客栈表示，去不同楼层的乘客放在不同的栈中。ADT Estack数据对象：D=ai乘客信息,I=1,2,n,n0数据关系：R=<ai-1,ai>|ai-1,aiD,i=2,n基本操作：略。3、 等候队列类型在电梯外等待的乘客用等待队列表示。每层各有两个等待队列，分别为上楼队列和下楼队列。与一般队列不同的是在基本操作中加入了放弃操作CGiveUp(WQueue &Q,int floor)。4、 电梯类型表示电梯的各个属性和所有动作。ADT Elevator数据对象：D=ai电梯信息,I=1,2,n,n0基本操作：InitEle(Elevator &E)操作结果：初始化电梯类型。DestoryEle(Elevator &E)操作结果：销毁电梯类型。EleDecide(Elevator &E,WQueue wMaxfloor+12)操作结果：电梯动作决策。ElevatorRun(Elevator &E,WQueue wMaxfloor+12)操作结果：电梯状态转换。CountOver(Elevator &E)操作结果：判断电梯计时是否完成。EleFloor(Elevator const &E)操作结果：返回电梯所在的层。EleStatus(Elevator const &E)操作结果：返回电梯状态。RequireAbove(Elevator const &E)操作结果：判断是否有高层请求。RequireBelow(Elevator const &E)操作结果：判断是否有低层请求。EleAchieved(Elevator &E)操作结果：判断电梯是否要停于当前层。EleOpenDoor(Elevator &E)操作结果：判断电梯是否要开门。5、 高楼模块实现电梯和乘客之间的互交功能。包括：InOut(Elevator &E,WQueue wMaxfloor+12)操作结果：进行乘客的进出电梯活动。NewClient(Elevator &E,WQueue w52)操作结果：进入新乘客。PrintStatus(Elevator &E,WQueue w52)操作结果：输出当前状态。Print(Elevator &E,Action a)操作结果：输出电梯动作信息。6、 主程序主程序主要处理两类事件：乘客事件和电梯事件。除此之外，主程序还处理各个模块的初始化和销毁工作，以及电梯状态的输出。乘客事件包括新乘客到达事件，乘客放弃等待事件，乘客进出电梯事件。电梯事件包括电梯运行事件。7、 本程序包含6个模块：（1） 主程序模块（2） 乘客模块（3） 乘客栈模块（4） 电梯模块（5） 等待队列模块（6） 高楼模块：实现电梯和乘客之间的互交。各模块之间的调用关系如下：主程序电梯模块乘客栈模块等待队列模块乘客模块高楼模块三 详细设计/所有常量，全局变量和类型定义#define NULL0/空指针#define TRUE1#defineFALSE0#define OK1#define ERROR0#define INFEASIBLE-1#define OVERFLOW-2#define INT_MAX32767/Status是函数类型，其值是函数结果状态代码typedef int Status;#define Empty0/-/电梯状态enumEleStatusOpening,Opened,Closing,Closed,Moving,Decelerate,Waiting;enumActionDoorOpened,DoorClosed,GoingUp,GoingDown,Achieved,None;enumEleStageUp,Down,OpenDoor,Stop;enumClientStatusNew,GiveUp,In,Out,Finish;#defineCloseTest 40/电梯关门测试时间#define OverTime 300/电梯停候超时时间#define Accelerate 15/加速时间#define UpTime51/上升时间#define DownTime 61/下降时间#define UpDecelerate 14/上升减速#define DownDecelerate 23/下降减速#define DoorTime20/开门关门时间#define InOutTime25/进出电梯时间#define Maxfloor4/最高层#define Minfloor0/最低层long Time=0;/时钟long MaxTime;/系统运行最长时间int InOutCount=0;/用于进出计时int InterTime=0;/下一乘客进入系统的时间int ID=0;/乘客编号int GiveUpNumber=0;/乘客放弃的数目int TotalTime=0;/总共等待时间部分重要操作的算法：1、判断运动方向函数EleDecide的算法：2、统计高层和低层的请求（不包括当前层）。3、高层和低层均无请求：发出Stop命令。4、否则，1）若电梯在上升期：1. 若有高层请求：上升；2.若无高层请求：转下降期，下降。2）若电梯在下降期：1. 若有低层请求：下降；2. 若无有低层请求：转上升期，上升。判断电梯是否要停于当前层函数EleAchieved的算法：1. 该层的CallCar为1；2. 该层在上升（下降）期有上升（下降）请求（判断CallUp或CallDown）；3. 上升（下降）期高（低）层没有请求而该层由下降（上升）请求，要转换运行时期。判断电梯动作函数ElevatorRun的算法：1. 若电梯在Opening状态，则转至Opened状态。2. 若电梯在Opened状态，若无人进出，则转至Closing状态。3. 若电梯在Closed状态，则根据电梯请求情况转至相应状态。4. 若电梯在Closing状态，则转至Closed状态。5. 若电梯在Moving状态，若达到目标层，则转至Decelerate状态。否则，继续移动。6. 若电梯在Decelerate状态，则设定电梯时期，并转至Opening状态。7. 若电梯在Waiting状态，在判断是否等待超时，若超时则向第一层移动。否则，判断电梯请求情况并转至相应状态。四 设计与调试分析在本程序中如何判断电梯的动作最为关键。此外，合理划分各个模块和处理各个模块之间的联系也非常重要。本设计中涉及时间函数的使用，由于刚开始接触，这方面的使用相当有难度。使用不当就容易造成编译不通过或者运行时发送错误报告。还有在电梯调度方面不能按照预定的想法实现，所以和现实中的电梯有出入。没有显示电梯的运行到哪里，而是用有乘客进入电梯时显示乘客进入到哪层楼来告知电梯运行到几楼。开门，关门时需要精心思考，此处记时及判断是否要开门也是难点，所以这些看似很平常的动作却是最难也是最容易错的地方。此外在指针的使用方面也是难点，很多地方比如乘客进队出队以及放弃乘坐电梯时均涉及指针的使用，也经常在这些地方通不过编译。为了便于控制循环，设计了电梯运行时间，则在时间到达时即可退出系统。由于开始为了简化程序而定义了很多变量，结果发现并不实际，有的变量仅是在某些函数中赋予其值罢了，于是就将这些变量删除，比如开始按照提示设置了D1表示人们正在进出电梯等等。由于将程序分块，将不同部分写入不同源文件中，这样出错后便于查找及修改，这是分模块的优点之一也是编写和调试的一个小技巧。五 用户手册程序运行后输入程序的运行时间，电梯开始运行。在本设计中，用04分别表示地下一楼至四楼，用户只要按照提示依次输入正确的数值，每次按下回车键即认为已经输入信息。此后只需等待系统自行进行处理，若未显示乘客放弃乘坐电梯即认为该乘客已达目的楼层。此间程序会一直运行到开始时输入的运行时间，此时整个程序运行结束，按任意键退出。此操作可参考测试成果中的效果图。六 测试成果从测试结果看，乘客放弃数的大小和平均等待时间的长短还与乘客出现的密度和乘客的平均容忍时间有关系。七 附录（源程序清单）#include <stdlib.h>#include <iostream.h>#include <iomanip.h>#include <stdio.h>#include <windows.h>#include <conio.h> #include <time.h>/所有常量，全局变量和类型定义#define NULL0/空指针#define TRUE1#defineFALSE0#define OK1#define ERROR0#define INFEASIBLE-1#define OVERFLOW-2#define INT_MAX32767/Status是函数类型，其值是函数结果状态代码typedef int Status;#define Empty0/-/电梯状态enumEleStatusOpening,Opened,Closing,Closed,Moving,Decelerate,Waiting;enumActionDoorOpened,DoorClosed,GoingUp,GoingDown,Achieved,None;enumEleStageUp,Down,OpenDoor,Stop;enumClientStatusNew,GiveUp,In,Out,Finish;#defineCloseTest 40/电梯关门测试时间#define OverTime 300/电梯停候超时时间#define Accelerate 15/加速时间#define UpTime51/上升时间#define DownTime 61/下降时间#define UpDecelerate 14/上升减速#define DownDecelerate 23/下降减速#define DoorTime20/开门关门时间#define InOutTime25/进出电梯时间#define Maxfloor4/最高层#define Minfloor0/最低层long Time=0;/时钟long MaxTime;/系统运行最长时间int InOutCount=0;/用于进出计时int InterTime=0;/下一乘客进入系统的时间int ID=0;/乘客编号int GiveUpNumber=0;/乘客放弃的数目int TotalTime=0;/总共等待时间/乘客类型typedef struct int ClinetID;/乘客编号int Outfloor;/去哪层int InTime;/该乘客进入时间int GivepuTime;/所能容忍的等待时间int Infloor;/乘客进入的楼层Client;/乘客类型基本操作void PrintClientInfo(Client const &e,ClientStatus s) /输出乘客信息#if !testswitch(s) case New:cout<<Time<<'t'<<e.ClinetID<<"号乘客进入第"<<e.Infloor<<"层"<<endl;break;case GiveUp:cout<<Time<<"t"<<e.ClinetID<<"号乘客放弃等待, 等待了"<<Time-e.InTime<<"/0.1s"<<endl;break;case Out:cout<<Time<<'t'<<e.ClinetID<<"号乘客走出电梯"<<endl;break;case In:cout<<Time<<'t'<<e.ClinetID<<"号乘客走进电梯，要去第"<<e.Outfloor<<"层"<<endl;break;default:break;/switch#endifStatus CreatClient(Client *&p) /生成新的乘客int d;p=new Client;if(!p) return OVERFLOW;p->ClinetID=+ID;/ut<<ID;cout<<"所在楼层:"/ut<<e.Infloor<<'n'cout<<ID;cout<<"所能容忍的等待时间:"cin>>d;p->GivepuTime=d;/产生所能容忍的等待时间p->InTime=Time;cout<<"下一乘客要到达的时间:"cin>>d;InterTime=d;/产生下一乘客要到达的时间 cout<<"所要到达的楼层:"cin>>d;p->Outfloor=d;/产生所要到达的楼层/该乘客出现的楼层while(p->Infloor=rand()%(Maxfloor+1)=p->Outfloor);/cin>>p->Infloor>>p->Outfloor>>InterTime;PrintClientInfo(*p,New);return OK;Status DestoryClient(Client *&p) /该乘客离开系统delete p;p=NULL;return OK;Status GoAbove(Client const &e) /判断该乘客是否去往高层if(e.Outfloor>e.Infloor) return TRUE;else return FALSE;int CInfloor(Client const &e) /返回乘客进入的楼层return e.Infloor;int CInTime(Client const &e) /返回乘客进入时间return e.InTime;int COutfloor(Client const &e) /返回乘客进入时间return e.Outfloor;#defineSTACK_INIT_SIZE10/存储空间初始分配量#defineSTACKINCREMENT5/存储空间分配增量/乘客栈typedefClient*SElemType;typedef struct SElemType*base;/栈底指针，栈不存在时base的值为NULLSElemType*top;/栈顶指针intstacksize;/当前已分配存储空间，以元素为单位ClientStack;/乘客栈的基本操作Status InitStack(ClientStack &S);/构造一个空栈Status DestroyStack(ClientStack &S);/销毁栈SStatus ClearStack(ClientStack &S);/把S置为空Status StackEmpty(ClientStack S);/若栈S为空，则返回TRUE，否则返回FALSEint StackLength(ClientStack S);/返回栈S的长度Status GetTop(ClientStack S,SElemType &e);/返回栈顶元素Status Push(ClientStack &S,SElemType e);/入栈Status Pop(ClientStack &S,SElemType &e);/出栈void PrintStack(ClientStack &S);/输出栈Status InitStack(ClientStack &S) /构造一个空栈S.base=(SElemType *)malloc(STACK_INIT_SIZE*sizeof(SElemType);if(!S.base) return OVERFLOW;S.top=S.base;S.stacksize=STACK_INIT_SIZE;return OK;/InitStackStatus DestroyStack(ClientStack &S) /销毁栈SSElemType*p;if(S.base) for(p=S.base;p<S.top;p+)DestoryClient(*p);free(S.base);return OK;Status ClearStack(ClientStack &S) /把S置为空if(!S.base) return ERROR; S.top=S.base;return OK;Status StackEmpty(ClientStack S) /若栈S为空，则返回TRUE，否则返回FALSEif(S.top=S.base) return TRUE;else return FALSE;int StackLength(ClientStack S) /返回栈S的长度return S.top-S.base;Status GetTop(ClientStack S,SElemType &e) /返回栈顶元素if(!S.base) return ERROR;e=*(S.top-1);return OK;/GetTopStatus Push(ClientStack &S,SElemType e) /入栈if(!S.base) return ERROR;if(S.top-S.base>=S.stacksize) S.base=(SElemType *)realloc(S.base,(S.stacksize+STACKINCREMENT)*sizeof(SElemType);if(!S.base) return OVERFLOW;S.top=S.base+S.stacksize;S.stacksize+=STACKINCREMENT;*S.top+=e;return OK;/PushStatus Pop(ClientStack &S,SElemType &e) /出栈if(S.top=S.base) return ERROR;e=*(-S.top);return OK;/Popvoid PrintStack(ClientStack &S) /输出栈SElemType *i;i=S.base;while(i<S.top)cout<<(*i+)->ClinetID<<' '/电梯类型#include "ClientStack.h"typedef struct int floor;/电梯所在层int ClientNumber;/电梯内人数EleStatus status;/电梯当前状态EleStage Stage;/电梯运行时期int Count;/用于电梯计时int CallUpMaxfloor+1;/每层的Up按钮int CallDownMaxfloor+1;/每层的Down按钮int CallCarMaxfloor+1;/电梯内的目标层按钮ClientStackSMaxfloor+1;/乘客栈,要去不同楼层的人放在不同的栈中Elevator;/电梯类型基本操作void InitEle(Elevator &E) /初始化电梯类型int i;E.floor=1;/电梯初始停在第一层E.status=Waiting;E.Count=OverTime;E.Stage=Down;E.ClientNumber=0;for(i=0;i<=Maxfloor;i+) E.CallUpi=0;E.CallDowni=0;E.CallCari=0;for(i=0;i<=Maxfloor;i+) InitStack(E.Si);Status CountOver(Elevator &E) /判断电梯计时是否完成if(E.Count) E.Count-;return FALSE;return TRUE;void DestoryEle(Elevator &E) /销毁电梯类型int i;for(i=0;i<=Maxfloor;i+) DestroyStack(E.Si);int EleFloor(Elevator const &E) /返回电梯所在的层return E.floor;EleStatus EleStatus(Elevator const &E) /返回电梯状态return E.status;Status RequireAbove(Elevator const &E) /判断是否有高层请求for(int i=E.floor+1;i<=Maxfloor;i+)if(E.CallCari|E.CallDowni|E.CallUpi) return TRUE;return FALSE;Status RequireBelow(Elevator const &E) /判断是否有低层请求for(int i=E.floor-1;i>=Minfloor;i-)if(E.CallCari|E.CallDowni|E.CallUpi) return TRUE;return FALSE;Status EleAchieved(Elevator &E) /判断电梯是否要停于当前层if(E.CallCarE.floor) return TRUE;if(E.Stage=Up&&E.CallUpE.floor|E.Stage=Down&&E.CallDownE.floor)return TRUE;if(E.Stage=Up&&E.CallDownE.floor&&!RequireAbove(E) E.Stage=Down;return TRUE;if(E.Stage=Down&&E.CallUpE.floor&&!RequireBelow(E) E.Stage=Up;return TRUE;return FALSE;Status EleOpenDoor(Elevator &E) /判断电梯是否要开门if(E.CallCarE.floor|E.CallDownE.floor&&E.Stage=Down|E.CallUpE.floor&&E.Stage=Up)return TRUE;if(E.status=Waiting) if(E.CallDownE.floor) E.Stage=Down;return TRUE;if(E.CallUpE.floor) E.Stage=Up;return TRUE;return FALSE;EleStage EleDecide(Elevator &E) /判断电梯动作int Above,Below;Above=RequireAbove(E);Below=RequireBelow(E);/无请求则停止if(Above=0&&Below=0) return Stop;/有请求则按请求移动else if(E.Stage=Up) if(Above!=0) return Up;else E.Stage=Down;return Down;/ifelse if(Below!=0) return Down;else E.Stage=Up;return Up;/ifAction ElevatorRun(Elevator &E)/电梯状态转换switch(E.status) case Opening:/完成开门则转入Opened状态E.status=Opened;E.Count=CloseTest;return DoorOpened;case Opened:/进行关门测试if(E.Stage=Down&&!E.CallCarE.floor&&!E.CallDownE.floor|E.Stage=Up&&!E.CallCarE.floor&&!E.CallUpE.floor) /无人进出，关门E.status=Closing;E.Count=DoorTime;/ifbreak;case Closing:/完成关门则转入Closed状态E.status=Closed;return DoorClosed;case Waiting:/不在第一层且超出所规定的停候时间,电梯向第一层移动if(E.Count=0) if(E.floor!=1) E.CallCar1=1;else E.Count-;/如果有人可以进入，则开门if(EleOpenDoor(E) E.status=Opening;E.Count=DoorTime;break;case Closed:/根据EleDecide的返回值设定电梯状态switch(EleDecide(E) case Up: E.status=Moving;E.Count=UpTime+Accelerate;return GoingUp;case Down: E.status=Moving;E.Count=DownTime+Accelerate;return GoingDown;case Stop:if(E.status!=Waiting) E.status=Waiting;E.Count=OverTime;/switchbreak;case Moving:/完成移动if(E.Stage=Up) E.floor+;elseE.floor-;if(EleAchieved(E) /到达目标层，转入减速状态E.status=Decelerate;E.Count=DownDecelerate;else E.Count+=DownTime;/未到达目标层，继续下降return Achieved;case Decelerate:/完成减速/确定正确的电梯时期if(E.Stage=Up&&!E.CallUpE.floor&&!RequireAbove(E) E.Stage=Down;else if(E.Stage=Down&&!E.CallDownE.floor&&!RequireBelow(E) E.Stage=Up;/转到开门状态E.status=Opening;E.Count=DoorTime;break;/switchreturn None;/ElevatorRun/单链队列队列的链式存储结构typedef Client *QElemType;/等候队列typedef struct QNode QElemTypedata;struct QNode*next;QNode,*QueuePtr;typedef struct QueuePtrfront;/队头指针QueuePtrrear;/队尾指针WQueue;/等待队列的基本操作Status InitQueue(WQueue &Q)