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

#define N 3 // 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));
    // 复制拼图到新节点
    memcpy(newnode->puzzle, puzzle, sizeof(int) * N * N);
    newnode->parent = NULL;
    newnode->f = newnode->g = newnode->h = 0;
    return newnode;
}

// 检查两个拼图状态是否相同
bool isSamePuzzle(int a[N][N], int b[N][N])
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < N; j++)
        {
            if (a[i][j] != b[i][j])
                return false;
        }
    }
    return true;
}

// 打印拼图状态
void printPuzzle(int puzzle[N][N])
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < N; j++)
        {
            printf("%-2d", puzzle[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    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
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < N; j++)
        {
            if (current->puzzle[i][j] != goal->puzzle[i][j])
                h++;
        }
    }
    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;
            }
        }
    }

    int new_x = key_x, new_y = key_y;

    // 根据移动方向更新新块的位置，上下左右移动
    switch (dir)
    {
    case 0:
        new_x--;
        break;
    case 1:
        new_x++;
        break;
    case 2:
        new_y--;
        break;
    case 3:
        new_y++;
        break;
    default:
        break;
    }

    // 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;

    // 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];   // 开放列表，用于存储待探索的节点
    Node *CLOSED[1000]; // 关闭列表，用于存储已探索的节点
    int OPEN_SIZE = 0;  // 开放列表的大小
    int CLOSED_SIZE = 0;// 关闭列表的大小

    OPEN[0] = start;    // 将起始节点添加到开放列表
    OPEN_SIZE = 1;      // 开放列表的大小设置为1
    CLOSED_SIZE = 0;    // 关闭列表的大小设置为0

    while (OPEN_SIZE > 0)
    {
        int min_f = OPEN[0]->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

        // 如果当前节点与目标状态匹配，表示找到解
        if (isSamePuzzle(current->puzzle, goal->puzzle))
        {
            return current;
        }

        // 开放列表的大小减1，表示从开放列表中移除了一个节点
        OPEN_SIZE--;

        // 将最小f值的节点移到开放列表的末尾，以便稍后将其添加到关闭列表中。
        // 这是为了优化开放列表的结构。
        Node *temp = OPEN[min_index];
        OPEN[min_index] = OPEN[OPEN_SIZE];
        OPEN[OPEN_SIZE] = temp;

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

        int key = 0;
        // 查找当前节点中空白块的位置
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            for (int j = 0; j < N; j++)
            {
                if (current->puzzle[i][j] == 0)
                {
                    key = i * N + j;
                    break;
                }
            }
        }

        // 尝试四个方向的移动操作
        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
                for (int i = 0; i < CLOSED_SIZE; i++)
                {
                    if (isSamePuzzle(new_node->puzzle, CLOSED[i]->puzzle))
                    {
                        in_CLOSED = true;
                        break;
                    }
                }

                // 如果新节点既不在开放列表也不在关闭列表中，将其添加到开放列表
                if (!in_OPEN && !in_CLOSED)
                {
                    new_node->g = gNew;
                    new_node->h = hNew;
                    new_node->f = fNew;
                    new_node->parent = current;

                    OPEN[OPEN_SIZE++] = new_node;
                }
                // 如果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
                else if (in_OPEN && fNew < OPEN[open_index]->f)
                {
                    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++)
    {
        for (int j = 0;j<N;j++)
        {
            printf("%-2d", final->puzzle[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }printf("------");
    printf("\n");
}

int main()
{
    int start_puzzle[N][N] = {{2, 8, 3}, {1, 6, 4}, {7, 0, 5}}; // 起始拼图状态
    int goal_puzzle[N][N] = {{1, 2, 3}, {8, 0, 4}, {7, 6, 5}}; // 目标拼图状态

    Node *start = createNode(start_puzzle); // 创建起始节点
    Node *goal = createNode(goal_puzzle);   // 创建目标节点

    

    Node *final = AStar(start, goal); // 运行A*算法，寻找最短路径

    if (final != NULL)
    {
        printf("Solution path:\n");
        printPath(final); // 打印解路径
    }
    else
    {
        printf("No solution found.\n");
    }

    return 0;
}