#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>

#define N 3  // 定义拼图的维度，这是一个3x3的拼图

typedef struct Node {
    int puzzle[N][N];  // 存储拼图状态的数组
    struct Node* parent;  // 指向父节点的指针，用于追踪路径
    int f, g, h;  // A*算法中的 f, g, h 值
} Node;

// 创建新的拼图节点
Node* createNode(int puzzle[N][N]) {
    Node* newnode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    //请实现该函数
     // 用 malloc 函数在内存中分配空间
    

    // 将 puzzle 数组的值复制到新节点的 puzzle 数组中
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            newnode->puzzle[i][j] = puzzle[i][j];
        }
    }

    // 初始化新节点的 parent 节点为 NULL
    newnode->parent = NULL;

    // 初始化新节点的 f, g, h 的值为 0
    newnode->f = 0;
    newnode->g = 0;
    newnode->h = 0;

    // 返回指向新节点的指针
    return newnode;


}

// 检查两个拼图状态是否相同
bool isSamePuzzle(int a[N][N], int b[N][N]) {
    //相同则返回true,否则返回false
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            // 如果有任何一个元素不相同，则返回 false
            if (a[i][j] != b[i][j]) {
                return false;
              
            }
           
        }
    }
    return true;
    // 如果所有元素都相同，则返回 true
  


}

// 打印拼图状态
void printPuzzle(int puzzle[N][N]) {
    //双重for循环实现拼图的打印

    for (int i = 0; i < N; i++) {
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            // 打印每个元素，并在元素间空一格
            printf("%d ", puzzle[i][j]);
        }
        // 换行
        printf("\n");
    }
    // 打印额外的换行，提高输出的可读性
    printf("\n");
}


// 启发函数，计算当前状态到目标状态的估计代价
int heuristic(Node* current, Node* goal) {
    int h = 0;
    // 计算不匹配的拼图块数量

    // 利用双重 for 循环计算遍历两节点的 puzzle 数组，若不匹配则 h 加 1
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            if (current->puzzle[i][j] != goal->puzzle[i][j]) {
                h++;
            }
        }
    }

    // 返回 h 的值
    return h;

}

// 移动操作，生成新的拼图状态
Node* move(Node* current, int dir) {
    int key_x, key_y; // 记录空白块的位置

    // 找到空白块的位置
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            if (current->puzzle[i][j] == 0) {
                key_x = i;
                key_y = j;
                break;
            }
        }
    }

    // 给 new_x、new_y 赋值
    int new_x = key_x;
    int new_y = key_y;

    // 根据移动方向更新新块的位置，上下左右移动
    if (dir == 0) { // 上移
        new_x--;
    }
    else if (dir == 1) { // 下移
        new_x++;
    }
    else if (dir == 2) { // 左移
        new_y--;
    }
    else if (dir == 3) { // 右移
        new_y++;
    }

    // 检查新位置是否在边界内
    if (new_x < 0 || new_x >= N || new_y < 0 || new_y >= N) {
        return NULL; // 无效移动
    }

    // 创建新节点，复制当前拼图状态，并交换块的位置
    Node* new_node = createNode(current->puzzle);
    new_node->puzzle[key_x][key_y] = current->puzzle[new_x][new_y];
    new_node->puzzle[new_x][new_y] = 0;

    return new_node;
   
}

// A*算法，寻找最短路径
Node* AStar(Node* start, Node* goal) {
    Node* OPEN[1000];
    Node* CLOSED[1000];
    int OPEN_SIZE = 0;
    int CLOSED_SIZE = 0;

    OPEN[0] = start;
    OPEN_SIZE = 1;
    CLOSED_SIZE = 0;

    while (OPEN_SIZE > 0) {//对open列表进行操作
        int min_f = OPEN[0]->f;//初始化最小的f
        int min_index = 0;

        // 查找开放列表中具有最小 f 值的节点
        for (int i = 1; i < OPEN_SIZE; i++) {
            if (OPEN[i]->f < min_f) {
                min_f = OPEN[i]->f;
                min_index = i;
            }
        }

        Node* current = OPEN[min_index];  // 获取具有最小f值的节点

        // 从开放列表中移除当前节点
        OPEN[min_index] = OPEN[OPEN_SIZE - 1];
        OPEN_SIZE--;

        // 将当前节点添加到关闭列表，关闭列表大小加1
        CLOSED[CLOSED_SIZE] = current;
        CLOSED_SIZE++;

        // 检查是否找到解
        if (isSamePuzzle(current->puzzle, goal->puzzle)) {
            // 找到解，返回当前节点
            return current;
        }

        int key = 0;

        for (int i = 0; i < N; i++) {
            for (int j = 0; j < N; j++) {
                if (current->puzzle[i][j] == 0) {
                    key = i * N + j;
                    break;
                }
            }
        }

        for (int dir = 0; dir < 4; dir++) {
            Node* new_node = move(current, dir);

            if (new_node != NULL && !isSamePuzzle(new_node->puzzle, current->puzzle)) {
                int gNew = current->g + 1;
                int hNew = heuristic(new_node, goal);
                int fNew = gNew + hNew;

                bool in_OPEN = false;
                int open_index = -1;

                // 检查新节点是否在开放列表中
                for (int i = 0; i < OPEN_SIZE; i++) {
                    if (isSamePuzzle(new_node->puzzle, OPEN[i]->puzzle)) {
                        in_OPEN = true;
                        open_index = i;
                        break;
                    }
                }

                bool in_CLOSED = false;

                // 检查新节点是否在关闭列表中

                if (!in_OPEN && !in_CLOSED) {
                    // 新节点既不在开放列表中也不在关闭列表中
                    // 把gNew、hNew、fNew赋给new_node对应的g、h、f值，并将其父节点设置为当前节点。

                    new_node->g = gNew;
                    new_node->h = hNew;
                    new_node->f = fNew;
                    new_node->parent = current;

                    // 添加新节点new_node到开放列表，开放列表大小加1
                    OPEN[OPEN_SIZE] = new_node;
                    OPEN_SIZE++;
                }
                else if (in_OPEN && fNew < OPEN[open_index]->f) {
                    // 新节点已经在开放列表中，但新的 f 值更小
                    // 更新开放列表中已存在节点的信息
                    OPEN[open_index]->g = gNew;
                    OPEN[open_index]->h = hNew;
                    OPEN[open_index]->f = fNew;
                    OPEN[open_index]->parent = current;
                }
            }
        }
    }

    return NULL;  // 无解
}

// 打印解路径
void printPath(Node* final) {
    if (final == NULL) {
        return;
    }
    printPath(final->parent);  // 递归打印路径
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        if (i % 3 == 0) {
            printf("-------\n");
        }
        for (int j = 0; j < N; j++) {
            printf("%d ", final->puzzle[i][j]);
        }

        printf("\n");

    }
}

int main() {
   //int start[N][N] = {{1, 0, 3}, {0, 8, 4}, {7, 6, 5}};
  // int target[N][N] = {{1, 2, 3}, {7, 0, 4}, {8, 6, 5}};

    int start[N][N] = { {2, 0, 3}, {1, 5, 6}, {4, 7, 8} };
    int target[N][N] = { {1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 0} };

   // int start[N][N] = { {2, , 3}, {1, 0, 4}, {7, 6, 5} };
  // int target[N][N] = { {1, 2, 3}, {8, 0, 4}, {7, 6, 5} };
    Node* init = createNode(start);
    Node* goal = createNode(target);

    Node* final = AStar(init, goal);
    if (final) {
        printf("This problem has a solution:\n");
        printPath(final);  // 打印解路径
    }
    else {
        printf("This problem has no solution！\n");
    }

    return 0;
}