【软件工程基础】数独生成器以及解答器
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需求
實現一個能生成數獨終局并且能夠求解數獨問題的控制臺程序。
能生成不重復的數獨終局至文件。
讀取文件內的數獨問題，求解并將結果輸出到文件。
主要需求標黃。
環境
win10+IntelliJ IDEA
PSP
| Planning | 計劃 | 60 | 60 |
| ·Estimate | ·預估這個任務需要多少時間 | 1440 | 1440 |
| Development | 開發 | 480 | 600 |
| ·Analysis | ·需求分析（包括學習新技術） | 800 | 680 |
| ·Design Spec | ·生成設計文檔 | 60 | 30 |
| ·Design Review | 設計復審（和同事審核設計文檔） | 30 | 0 |
| ·Coding Standard | ·代碼規范（為目前的開發制定合適的規范） | 60 | 30 |
| ·Design | ·具體設計 | 200 | 140 |
| ·Coding | ·具體編碼 | 300 | 420 |
| ·Code Review | ·代碼復審 | 60 | 60 |
| ·Test | ·測試 | 60 | 60 |
| ·Reporting | ·報告 | 30 | 30 |
| ·Test Report | ·測試報告 | 30 | 30 |
| ·Size Measurement | ·計算工作量 | 60 | 45 |
| ·Postmortem & Process Improvement | 事后總結，并計算出過程改進計劃 | 240 | 120 |
| 合計（有重疊部分） | 1500 |
解題思路
問題可以分解成三個部分，一個是數獨的生成，一個是解數獨，一個是本地化存儲和讀取。
數獨生成
生成部分也可以分步驟來實現：先生成數獨終局，然后根據需要挖掉對應的格子數。格子數應當擁有一個上限和一個下限，不同的格子數對應著不同的難度。也可以寫死，具體的根據開發進度決定是否加上難度選擇的額外需求。
最初的版本可以將一個已經有的數獨終局作為基礎，并且交換盤上的數字來達到不同棋局的效果。但是這樣子做能夠生成的棋局有一個上限，不過也能夠滿足部分的需求。
解數獨
最初的設想是可以通過暴力的方式來解數獨，當然純暴力的方式對于時間和空間的消耗都太大了，所以需要借助記憶化存儲或者回溯的方式來剪枝。可能在設計不出來的時候會在網上查找參考資料。
已經通過回溯的方法實現了解數獨的算法。
本地化存儲
需要使用到Java的IO流操作，比較簡單，代碼如下：
/*** 從txt文件讀取matrix* @param path* @param fileName* @return* @throws IOException*/public static ArrayList<int[][]> readMatrixFromTxt(String path, String fileName) throws IOException {ArrayList<int[][]> result = new ArrayList<>();BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path+"/"+fileName));String temp = br.readLine();StringBuilder sb = new StringBuilder();while(temp!=null){sb.append(temp);temp = br.readLine();}String[] matrixs = sb.toString().replaceAll("\n","").split("_");int index = 0;for (String s : matrixs) {index = 0;int[][] matrix = new int[9][9];for(int i = 0 ; i < 9 ; i++){for(int j = 0 ; j < 9 ; j++){matrix[i][j] = s.charAt(index++) - '0';}}result.add(matrix);}return result;} /*** 保存數據* @param fileName 文件名稱* @param data 對應生成的棋局或解的棋局*/public void saveDataToFile(String fileName,ArrayList<String> data){if(data==null||data.size()==0){System.out.println("data錯誤");return;}BufferedWriter writer = null;//TODO:添加對應的路徑String destDirName=" ";File dir = new File(destDirName);if (dir.exists()) {System.out.println("創建目錄" + destDirName + "失敗，目標目錄已經存在");}if (!destDirName.endsWith(File.separator)) {destDirName = destDirName + File.separator;}//創建目錄if (dir.mkdirs()) {System.out.println("創建目錄" + destDirName + "成功！");} else {System.out.println("創建目錄" + destDirName + "失敗！");}File file = new File(destDirName+ fileName + ".txt");System.out.println(file+"file");//如果文件不存在，則新建一個if(!file.exists()){try {file.createNewFile();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(fileName + ".txt文件不存在");}//寫入try {writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file,false), "UTF-8"));for(String str:data){writer.write(str+"\n"); }} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}finally {try {if(writer != null){writer.close();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("文件寫入成功！");}設計實現過程
大部分的類都是用了構造器模式，提升了代碼的優雅程度，個人比較喜歡這種RxJava的風格。
FileUtils.writeToTXT(FileUtils.PATH, FormatUtils.formatArray(generator.createSampleArray().generateSudokuArray().createEmptySpace().build()), FileUtils.MATRIX);...... SudokuPuzzleSolver.create().initMatrix(matrix).solve();生成數獨
目前的思路是使用交換法來實現不同的數獨終局。期初給定幾個種子終局，通過生成隨機序列，然后以隨機序列的順序交換每個數字。
每個終局可以隨機挖0到12 20個空，所以生成的終局數量是可觀的。
以下是核心算法：
種子矩陣生成自己隨意去網上找幾個數獨終局即可，在java中有個坑就是二維數組深拷貝，需要自己寫，不然達不到深拷貝目的，因為java中二維數組相當于數組的數組，clone()方法拷貝的知識一維數組的地址，所以需要自己寫。
/*** 二維數組深拷貝* @param array* @return*/public static int[][] cloneArray(int[][] array){int[][] result = new int[9][9];for(int i = 0 ; i < 9 ; i++){for(int j = 0 ; j < 9 ; j++){result[i][j] = array[i][j];}}return result;}解數獨
回溯法解數獨，也就是填了一個空之后遞歸解決剩下的空，如果無解就返回。
public SudokuPuzzleSolver solve(){this.backTrace(0,0);return this;}/*** 數獨算法** @param i* @param j*/private void backTrace(int i, int j) {if (i == 8 && j == 9) {FileUtils.writeToTXT(FileUtils.PATH,"獲得正確解\n",FileUtils.SOLVE);FileUtils.writeToTXT(FileUtils.PATH,FormatUtils.formatArray(matrix),FileUtils.SOLVE);return;}//已經到了列末尾了，還沒到行尾，就換行if (j == 9) {i++;j = 0;}//如果i行j列是空格，那么才進入給空格填值的邏輯if (matrix[i][j] == 0) {for (int k = 1; k <= 9; k++) {//判斷給i行j列放1-9中的任意一個數是否能滿足規則if (check(i, j, k)) {//將該值賦給該空格，然后進入下一個空格matrix[i][j] = k;backTrace(i, j + 1);//初始化該空格matrix[i][j] = 0;}}} else {//如果該位置已經有值了，就進入下一個空格進行計算backTrace(i, j + 1);}}/*** 判斷給某行某列賦值是否符合規則** @param row* @param line* @param number* @return*/private boolean check(int row, int line, int number) {//判斷該行該列是否有重復數字for (int i = 0; i < 9; i++) {if (matrix[row][i] == number || matrix[i][line] == number) {return false;}}//判斷小九宮格是否有重復int tempRow = row / 3;int tempLine = line / 3;for (int i = 0; i < 3; i++) {for (int j = 0; j < 3; j++) {if (matrix[tempRow * 3 + i][tempLine * 3 + j] == number) {return false;}}}return true;}輸入異常類
如果輸入錯誤就會拋出這個異常
/*** 參數輸入錯誤的異常*/ public class WrongArgsException extends Exception { }軟件測試
劃分為如下等價類：合法輸入，非法輸入。
合法輸入分為：可解矩陣、不可解矩陣、正確生成矩陣、錯誤數字生成矩陣。
非法輸入分為：缺行、多行、非法字符、錯誤命令行參數、錯誤命令函參數數量。
規定，0為需要填的空
合法輸入
使用如下矩陣：
可解矩陣：
輸出結果：
獲得正確解 256431879 431879256 879256431 524613798 613798524 798524613 362145987 145987362 987362145 _無解矩陣：
550001879 501879056 879256031 524503798 610798524 798024613 362145987 145987062 987302145輸出結果：
無解正確生成矩陣：
-c 20
輸出結果：
正確生成文件。
錯誤數字生成矩陣：
-c -1
輸出結果：
非法輸入
缺行：
550001879 501879056 879256031 524503798 610798524 798024613 362145987 145987062輸出結果：
數獨矩陣錯誤，請檢查矩陣是否合法多行：
550001879 501879056 879256031 524503798 610798524 798024613 362145987 145987062 987302145 123456789輸出結果：
數獨矩陣錯誤，請檢查矩陣是否合法非法字符：
550001879 501879056 87b256031 524503798 610798a24 798024613 362145987 145987062 987302145輸出結果：
數獨矩陣錯誤，請檢查矩陣是否合法錯誤命令行參數：
-c abc
輸出結果：
錯誤命令函參數數量：
-c -1 20
輸出結果：
性能分析
使用的是JProfiler，具體安裝使用教程：傳送門
由于String的底層是byte，所以byte[]的使用量是非常高的，上圖是跑20萬個矩陣生成時的性能分析。可以通過多線程來跑生成矩陣的代碼，這是可以優化的一個點。當然解數獨也可以同樣這么優化。同時生成數獨和解數獨時會不斷創建Generator和Solver的對象，所以再數量及其大的時候會出現GC。這是可以優化的第二個點。
反思總結
1、git提交的時候應該明確提交格式，github會將第一行抽取為當前commit的標題，所以推薦的格式如下：
【修改類型】 修改描述1、修改描述1 2、修改描述2 ...2、推薦使用阿里的代碼規約掃描代碼之后按照意見修改之后再上傳。
3、應該設置好IDEA新建類時的自動注釋生成。
參考資料
回溯法解數獨
生成數獨的方式
總結
以上是生活随笔為你收集整理的【软件工程基础】数独生成器以及解答器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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