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* =============================================================================
* TESTES PARA Q-LEARNING SEQUENCIAL - VERSÃO CLI
* =============================================================================
*
* Este arquivo contém testes unitários para validar o funcionamento correto
* do algoritmo Q-Learning com suporte a argumentos de linha de comando.
*
* Os testes verificam:
* 1. Parsing de argumentos de linha de comando
* 2. Modos predefinidos (easy, normal, hard, extreme, debug)
* 3. Alocação e liberação de memória dinâmica
* 4. Geração de obstáculos aleatórios com seed
* 5. Reprodutibilidade com mesma seed
* 6. Conversões de coordenadas para diferentes tamanhos de grid
* 7. Cálculo de próximo estado e recompensas
* 8. Atualização da Q-table (equação de Bellman)
* 9. Convergência do treinamento para vários tamanhos de grid
* 10. Caminho ótimo encontrado corretamente
*
* Compilação: gcc -o test_qlearning_cli test_qlearning_cli.c -lm
* Execução: ./test_qlearning_cli
* =============================================================================
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <assert.h>
#include <time.h>
/* =============================================================================
* CONSTANTES E DEFINIÇÕES (copiadas do qlearning_cli.c)
* =============================================================================
*/
/* Limites do sistema */
#define MAX_GRID_SIZE 50
#define MAX_STATES (MAX_GRID_SIZE * MAX_GRID_SIZE)
#define NUM_ACTIONS 4
#define MAX_OBSTACLES 100
/* Identificadores das ações */
#define ACTION_UP 0
#define ACTION_DOWN 1
#define ACTION_LEFT 2
#define ACTION_RIGHT 3
/* Tipos de célula no grid */
#define CELL_EMPTY 0
#define CELL_OBSTACLE 1
#define CELL_GOAL 2
#define CELL_START 3
/* Tolerância para comparação de doubles */
#define EPSILON_TOLERANCE 1e-6
/* =============================================================================
* ESTRUTURAS DE DADOS (copiadas do qlearning_cli.c)
* =============================================================================
*/
typedef struct {
int grid_rows;
int grid_cols;
double alpha;
double gamma;
double epsilon;
int num_episodes;
int max_steps;
int num_obstacles;
unsigned int seed;
double reward_goal;
double reward_obstacle;
double reward_step;
int verbose;
int step_by_step;
int quiet;
int show_table;
int show_policy;
char mode[20];
} Config;
typedef struct {
double **q_table;
int **grid;
int *obstacles;
int num_obstacles;
int goal_state;
int start_state;
int num_states;
Config *config;
} QLearning;
/* =============================================================================
* FUNÇÕES DO Q-LEARNING (copiadas para independência dos testes)
* =============================================================================
*/
void config_set_defaults(Config *cfg) {
cfg->grid_rows = 4;
cfg->grid_cols = 4;
cfg->alpha = 0.1;
cfg->gamma = 0.9;
cfg->epsilon = 0.1;
cfg->num_episodes = 1000;
cfg->max_steps = 100;
cfg->num_obstacles = 1;
cfg->seed = 42;
cfg->reward_goal = 100.0;
cfg->reward_obstacle = -100.0;
cfg->reward_step = -1.0;
cfg->verbose = 0; /* Silencioso para testes */
cfg->step_by_step = 0;
cfg->quiet = 1; /* Modo silencioso para testes */
cfg->show_table = 0;
cfg->show_policy = 0;
strcpy(cfg->mode, "normal");
}
void config_apply_mode(Config *cfg, const char *mode) {
strcpy(cfg->mode, mode);
if (strcmp(mode, "easy") == 0) {
cfg->grid_rows = 3;
cfg->grid_cols = 3;
cfg->alpha = 0.2;
cfg->gamma = 0.8;
cfg->epsilon = 0.15;
cfg->num_episodes = 300;
cfg->max_steps = 50;
cfg->num_obstacles = 1;
}
else if (strcmp(mode, "normal") == 0) {
cfg->grid_rows = 4;
cfg->grid_cols = 4;
cfg->alpha = 0.1;
cfg->gamma = 0.9;
cfg->epsilon = 0.1;
cfg->num_episodes = 1000;
cfg->max_steps = 100;
cfg->num_obstacles = 1;
}
else if (strcmp(mode, "hard") == 0) {
cfg->grid_rows = 6;
cfg->grid_cols = 6;
cfg->alpha = 0.08;
cfg->gamma = 0.92;
cfg->epsilon = 0.08;
cfg->num_episodes = 3000;
cfg->max_steps = 200;
cfg->num_obstacles = 4;
}
else if (strcmp(mode, "extreme") == 0) {
cfg->grid_rows = 10;
cfg->grid_cols = 10;
cfg->alpha = 0.05;
cfg->gamma = 0.95;
cfg->epsilon = 0.05;
cfg->num_episodes = 5000;
cfg->max_steps = 300;
cfg->num_obstacles = 15;
}
else if (strcmp(mode, "debug") == 0) {
cfg->grid_rows = 3;
cfg->grid_cols = 3;
cfg->alpha = 0.3;
cfg->gamma = 0.8;
cfg->epsilon = 0.2;
cfg->num_episodes = 100;
cfg->max_steps = 30;
cfg->num_obstacles = 1;
}
}
int coords_to_state(Config *cfg, int row, int col) {
return row * cfg->grid_cols + col;
}
void state_to_coords(Config *cfg, int state, int *row, int *col) {
*row = state / cfg->grid_cols;
*col = state % cfg->grid_cols;
}
double random_double(void) {
return (double)rand() / RAND_MAX;
}
int random_int(int max) {
return rand() % max;
}
int qlearning_alloc(QLearning *ql, Config *cfg) {
int i;
int num_states = cfg->grid_rows * cfg->grid_cols;
ql->config = cfg;
ql->num_states = num_states;
ql->q_table = (double **)malloc(num_states * sizeof(double *));
if (!ql->q_table) return -1;
for (i = 0; i < num_states; i++) {
ql->q_table[i] = (double *)calloc(NUM_ACTIONS, sizeof(double));
if (!ql->q_table[i]) return -1;
}
ql->grid = (int **)malloc(cfg->grid_rows * sizeof(int *));
if (!ql->grid) return -1;
for (i = 0; i < cfg->grid_rows; i++) {
ql->grid[i] = (int *)calloc(cfg->grid_cols, sizeof(int));
if (!ql->grid[i]) return -1;
}
ql->obstacles = (int *)malloc(MAX_OBSTACLES * sizeof(int));
if (!ql->obstacles) return -1;
return 0;
}
void qlearning_free(QLearning *ql) {
int i;
Config *cfg = ql->config;
if (ql->q_table) {
for (i = 0; i < ql->num_states; i++) {
free(ql->q_table[i]);
}
free(ql->q_table);
}
if (ql->grid) {
for (i = 0; i < cfg->grid_rows; i++) {
free(ql->grid[i]);
}
free(ql->grid);
}
free(ql->obstacles);
}
int is_valid_obstacle_position(QLearning *ql, int state) {
if (state == ql->start_state || state == ql->goal_state) {
return 0;
}
for (int i = 0; i < ql->num_obstacles; i++) {
if (ql->obstacles[i] == state) {
return 0;
}
}
return 1;
}
void generate_random_obstacles(QLearning *ql) {
Config *cfg = ql->config;
int placed = 0;
int max_attempts = cfg->grid_rows * cfg->grid_cols * 10;
int attempts = 0;
while (placed < cfg->num_obstacles && attempts < max_attempts) {
int state = random_int(ql->num_states);
if (is_valid_obstacle_position(ql, state)) {
ql->obstacles[placed] = state;
int row, col;
state_to_coords(cfg, state, &row, &col);
ql->grid[row][col] = CELL_OBSTACLE;
placed++;
}
attempts++;
}
ql->num_obstacles = placed;
}
void qlearning_init(QLearning *ql) {
Config *cfg = ql->config;
int i, j;
srand(cfg->seed);
for (i = 0; i < ql->num_states; i++) {
for (j = 0; j < NUM_ACTIONS; j++) {
ql->q_table[i][j] = 0.0;
}
}
for (i = 0; i < cfg->grid_rows; i++) {
for (j = 0; j < cfg->grid_cols; j++) {
ql->grid[i][j] = CELL_EMPTY;
}
}
ql->start_state = 0;
ql->goal_state = coords_to_state(cfg, cfg->grid_rows - 1, cfg->grid_cols - 1);
ql->grid[0][0] = CELL_START;
ql->grid[cfg->grid_rows - 1][cfg->grid_cols - 1] = CELL_GOAL;
ql->num_obstacles = 0;
generate_random_obstacles(ql);
}
int is_valid_state(Config *cfg, int row, int col) {
return (row >= 0 && row < cfg->grid_rows && col >= 0 && col < cfg->grid_cols);
}
int is_obstacle(QLearning *ql, int state) {
for (int i = 0; i < ql->num_obstacles; i++) {
if (ql->obstacles[i] == state) {
return 1;
}
}
return 0;
}
int get_next_state(QLearning *ql, int current_state, int action) {
Config *cfg = ql->config;
int row, col, new_row, new_col;
state_to_coords(cfg, current_state, &row, &col);
new_row = row;
new_col = col;
switch (action) {
case ACTION_UP: new_row = row - 1; break;
case ACTION_DOWN: new_row = row + 1; break;
case ACTION_LEFT: new_col = col - 1; break;
case ACTION_RIGHT: new_col = col + 1; break;
}
if (is_valid_state(cfg, new_row, new_col)) {
return coords_to_state(cfg, new_row, new_col);
}
return current_state;
}
double get_reward(QLearning *ql, int next_state) {
Config *cfg = ql->config;
if (next_state == ql->goal_state) {
return cfg->reward_goal;
} else if (is_obstacle(ql, next_state)) {
return cfg->reward_obstacle;
}
return cfg->reward_step;
}
int is_terminal_state(QLearning *ql, int state) {
return (state == ql->goal_state);
}
double get_max_q_value(QLearning *ql, int state) {
int action;
double max_value = ql->q_table[state][0];
for (action = 1; action < NUM_ACTIONS; action++) {
if (ql->q_table[state][action] > max_value) {
max_value = ql->q_table[state][action];
}
}
return max_value;
}
int select_action(QLearning *ql, int state) {
Config *cfg = ql->config;
int action, best_action;
double best_value;
if (random_double() < cfg->epsilon) {
return random_int(NUM_ACTIONS);
}
best_action = 0;
best_value = ql->q_table[state][0];
for (action = 1; action < NUM_ACTIONS; action++) {
if (ql->q_table[state][action] > best_value) {
best_value = ql->q_table[state][action];
best_action = action;
}
}
return best_action;
}
void update_q_value(QLearning *ql, int state, int action,
double reward, int next_state) {
Config *cfg = ql->config;
double current_q = ql->q_table[state][action];
double max_next_q = get_max_q_value(ql, next_state);
ql->q_table[state][action] = current_q +
cfg->alpha * (reward + cfg->gamma * max_next_q - current_q);
}
double run_episode(QLearning *ql, int episode_num) {
Config *cfg = ql->config;
int step, state, action, next_state;
double reward, total_reward;
(void)episode_num; /* Evita warning de variável não usada */
state = ql->start_state;
total_reward = 0.0;
for (step = 0; step < cfg->max_steps; step++) {
action = select_action(ql, state);
next_state = get_next_state(ql, state, action);
reward = get_reward(ql, next_state);
update_q_value(ql, state, action, reward, next_state);
total_reward += reward;
if (is_terminal_state(ql, next_state)) {
break;
}
state = next_state;
}
return total_reward;
}
void train(QLearning *ql) {
Config *cfg = ql->config;
int episode;
for (episode = 0; episode < cfg->num_episodes; episode++) {
run_episode(ql, episode);
}
}
int get_best_action(QLearning *ql, int state) {
int action, best_action = 0;
double best_value = ql->q_table[state][0];
for (action = 1; action < NUM_ACTIONS; action++) {
if (ql->q_table[state][action] > best_value) {
best_value = ql->q_table[state][action];
best_action = action;
}
}
return best_action;
}
/**
* Simula o caminho aprendido e retorna o número de passos para chegar ao objetivo
* Retorna -1 se não conseguir chegar
*/
int get_path_length(QLearning *ql) {
Config *cfg = ql->config;
int state = ql->start_state;
int step = 0;
int action;
while (state != ql->goal_state && step < cfg->max_steps) {
action = get_best_action(ql, state);
state = get_next_state(ql, state, action);
step++;
}
return (state == ql->goal_state) ? step : -1;
}
/* =============================================================================
* CONTADORES DE TESTES
* =============================================================================
*/
int tests_passed = 0;
int tests_failed = 0;
#define TEST(name) void name(void)
#define ASSERT(condition, message) do { \
if (condition) { \
tests_passed++; \
printf("[PASSOU] %s\n", message); \
} else { \
tests_failed++; \
printf("[FALHOU] %s\n", message); \
} \
} while(0)
#define ASSERT_EQ(a, b, message) ASSERT((a) == (b), message)
#define ASSERT_NEQ(a, b, message) ASSERT((a) != (b), message)
#define ASSERT_DOUBLE_EQ(a, b, message) ASSERT(fabs((a) - (b)) < EPSILON_TOLERANCE, message)
#define ASSERT_TRUE(condition, message) ASSERT(condition, message)
#define ASSERT_FALSE(condition, message) ASSERT(!(condition), message)
/* =============================================================================
* TESTES DE CONFIGURAÇÃO E PARSING
* =============================================================================
*/
TEST(test_config_defaults) {
printf("\n--- Testes: Configuração Padrão ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
ASSERT_EQ(cfg.grid_rows, 4, "Padrão: grid_rows = 4");
ASSERT_EQ(cfg.grid_cols, 4, "Padrão: grid_cols = 4");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.alpha, 0.1, "Padrão: alpha = 0.1");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.gamma, 0.9, "Padrão: gamma = 0.9");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.epsilon, 0.1, "Padrão: epsilon = 0.1");
ASSERT_EQ(cfg.num_episodes, 1000, "Padrão: num_episodes = 1000");
ASSERT_EQ(cfg.max_steps, 100, "Padrão: max_steps = 100");
ASSERT_EQ(cfg.num_obstacles, 1, "Padrão: num_obstacles = 1");
ASSERT_EQ(cfg.seed, 42, "Padrão: seed = 42");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.reward_goal, 100.0, "Padrão: reward_goal = 100.0");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.reward_obstacle, -100.0, "Padrão: reward_obstacle = -100.0");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.reward_step, -1.0, "Padrão: reward_step = -1.0");
}
TEST(test_mode_easy) {
printf("\n--- Testes: Modo Easy ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
config_apply_mode(&cfg, "easy");
ASSERT_EQ(cfg.grid_rows, 3, "Easy: grid_rows = 3");
ASSERT_EQ(cfg.grid_cols, 3, "Easy: grid_cols = 3");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.alpha, 0.2, "Easy: alpha = 0.2");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.gamma, 0.8, "Easy: gamma = 0.8");
ASSERT_EQ(cfg.num_episodes, 300, "Easy: num_episodes = 300");
ASSERT_EQ(cfg.num_obstacles, 1, "Easy: num_obstacles = 1");
ASSERT_TRUE(strcmp(cfg.mode, "easy") == 0, "Easy: mode = 'easy'");
}
TEST(test_mode_normal) {
printf("\n--- Testes: Modo Normal ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
config_apply_mode(&cfg, "normal");
ASSERT_EQ(cfg.grid_rows, 4, "Normal: grid_rows = 4");
ASSERT_EQ(cfg.grid_cols, 4, "Normal: grid_cols = 4");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.alpha, 0.1, "Normal: alpha = 0.1");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.gamma, 0.9, "Normal: gamma = 0.9");
ASSERT_EQ(cfg.num_episodes, 1000, "Normal: num_episodes = 1000");
ASSERT_TRUE(strcmp(cfg.mode, "normal") == 0, "Normal: mode = 'normal'");
}
TEST(test_mode_hard) {
printf("\n--- Testes: Modo Hard ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
config_apply_mode(&cfg, "hard");
ASSERT_EQ(cfg.grid_rows, 6, "Hard: grid_rows = 6");
ASSERT_EQ(cfg.grid_cols, 6, "Hard: grid_cols = 6");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.alpha, 0.08, "Hard: alpha = 0.08");
ASSERT_EQ(cfg.num_episodes, 3000, "Hard: num_episodes = 3000");
ASSERT_EQ(cfg.num_obstacles, 4, "Hard: num_obstacles = 4");
}
TEST(test_mode_extreme) {
printf("\n--- Testes: Modo Extreme ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
config_apply_mode(&cfg, "extreme");
ASSERT_EQ(cfg.grid_rows, 10, "Extreme: grid_rows = 10");
ASSERT_EQ(cfg.grid_cols, 10, "Extreme: grid_cols = 10");
ASSERT_DOUBLE_EQ(cfg.alpha, 0.05, "Extreme: alpha = 0.05");
ASSERT_EQ(cfg.num_episodes, 5000, "Extreme: num_episodes = 5000");
ASSERT_EQ(cfg.num_obstacles, 15, "Extreme: num_obstacles = 15");
}
/* =============================================================================
* TESTES DE ALOCAÇÃO E LIBERAÇÃO DE MEMÓRIA
* =============================================================================
*/
TEST(test_memory_allocation_3x3) {
printf("\n--- Testes: Alocação Memória 3x3 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 3;
cfg.grid_cols = 3;
cfg.num_obstacles = 0;
int result = qlearning_alloc(&ql, &cfg);
ASSERT_EQ(result, 0, "Alocação 3x3: retornou 0 (sucesso)");
ASSERT_EQ(ql.num_states, 9, "Alocação 3x3: num_states = 9");
ASSERT_TRUE(ql.q_table != NULL, "Alocação 3x3: q_table alocada");
ASSERT_TRUE(ql.grid != NULL, "Alocação 3x3: grid alocado");
qlearning_free(&ql);
printf("[INFO] Memória liberada com sucesso\n");
}
TEST(test_memory_allocation_10x10) {
printf("\n--- Testes: Alocação Memória 10x10 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 10;
cfg.grid_cols = 10;
cfg.num_obstacles = 0;
int result = qlearning_alloc(&ql, &cfg);
ASSERT_EQ(result, 0, "Alocação 10x10: retornou 0 (sucesso)");
ASSERT_EQ(ql.num_states, 100, "Alocação 10x10: num_states = 100");
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_memory_allocation_large) {
printf("\n--- Testes: Alocação Memória Grande 20x20 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 20;
cfg.grid_cols = 20;
cfg.num_obstacles = 0;
int result = qlearning_alloc(&ql, &cfg);
ASSERT_EQ(result, 0, "Alocação 20x20: retornou 0 (sucesso)");
ASSERT_EQ(ql.num_states, 400, "Alocação 20x20: num_states = 400");
qlearning_free(&ql);
}
/* =============================================================================
* TESTES DE CONVERSÃO DE COORDENADAS
* =============================================================================
*/
TEST(test_coords_conversion_3x3) {
printf("\n--- Testes: Conversão Coordenadas 3x3 ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 3;
cfg.grid_cols = 3;
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 0), 0, "3x3: (0,0) -> estado 0");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 2), 2, "3x3: (0,2) -> estado 2");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 1, 0), 3, "3x3: (1,0) -> estado 3");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 1, 1), 4, "3x3: (1,1) -> estado 4");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 2, 2), 8, "3x3: (2,2) -> estado 8");
int row, col;
state_to_coords(&cfg, 4, &row, &col);
ASSERT_TRUE(row == 1 && col == 1, "3x3: estado 4 -> (1,1)");
state_to_coords(&cfg, 8, &row, &col);
ASSERT_TRUE(row == 2 && col == 2, "3x3: estado 8 -> (2,2)");
}
TEST(test_coords_conversion_5x5) {
printf("\n--- Testes: Conversão Coordenadas 5x5 ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 5;
cfg.grid_cols = 5;
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 0), 0, "5x5: (0,0) -> estado 0");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 4), 4, "5x5: (0,4) -> estado 4");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 2, 2), 12, "5x5: (2,2) -> estado 12 (centro)");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 4, 4), 24, "5x5: (4,4) -> estado 24 (objetivo)");
int row, col;
state_to_coords(&cfg, 12, &row, &col);
ASSERT_TRUE(row == 2 && col == 2, "5x5: estado 12 -> (2,2)");
}
TEST(test_coords_conversion_asymmetric) {
printf("\n--- Testes: Conversão Coordenadas Assimétrica 3x5 ---\n");
Config cfg;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 3;
cfg.grid_cols = 5;
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 0), 0, "3x5: (0,0) -> estado 0");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 0, 4), 4, "3x5: (0,4) -> estado 4");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 1, 0), 5, "3x5: (1,0) -> estado 5");
ASSERT_EQ(coords_to_state(&cfg, 2, 4), 14, "3x5: (2,4) -> estado 14 (objetivo)");
}
/* =============================================================================
* TESTES DE GERAÇÃO DE OBSTÁCULOS
* =============================================================================
*/
TEST(test_obstacles_reproducibility) {
printf("\n--- Testes: Reprodutibilidade de Obstáculos ---\n");
Config cfg;
QLearning ql1, ql2;
/* Primeira execução com seed 42 */
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 42;
cfg.num_obstacles = 3;
qlearning_alloc(&ql1, &cfg);
qlearning_init(&ql1);
/* Guarda posições dos obstáculos */
int obs1[3] = {ql1.obstacles[0], ql1.obstacles[1], ql1.obstacles[2]};
/* Segunda execução com mesma seed */
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 42;
cfg.num_obstacles = 3;
qlearning_alloc(&ql2, &cfg);
qlearning_init(&ql2);
ASSERT_EQ(ql1.num_obstacles, ql2.num_obstacles, "Obstáculos: mesmo número");
ASSERT_TRUE(obs1[0] == ql2.obstacles[0], "Obstáculo 1: mesma posição");
ASSERT_TRUE(obs1[1] == ql2.obstacles[1], "Obstáculo 2: mesma posição");
ASSERT_TRUE(obs1[2] == ql2.obstacles[2], "Obstáculo 3: mesma posição");
qlearning_free(&ql1);
qlearning_free(&ql2);
}
TEST(test_obstacles_different_seeds) {
printf("\n--- Testes: Seeds Diferentes Geram Obstáculos Diferentes ---\n");
Config cfg;
QLearning ql1, ql2;
/* Primeira execução com seed 42 */
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 42;
cfg.num_obstacles = 3;
cfg.grid_rows = 6;
cfg.grid_cols = 6;
qlearning_alloc(&ql1, &cfg);
qlearning_init(&ql1);
/* Segunda execução com seed diferente */
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 123;
cfg.num_obstacles = 3;
cfg.grid_rows = 6;
cfg.grid_cols = 6;
qlearning_alloc(&ql2, &cfg);
qlearning_init(&ql2);
/* Verifica que pelo menos um obstáculo está em posição diferente */
int all_same = (ql1.obstacles[0] == ql2.obstacles[0]) &&
(ql1.obstacles[1] == ql2.obstacles[1]) &&
(ql1.obstacles[2] == ql2.obstacles[2]);
ASSERT_FALSE(all_same, "Seeds diferentes: obstáculos em posições diferentes");
qlearning_free(&ql1);
qlearning_free(&ql2);
}
TEST(test_obstacles_avoid_start_goal) {
printf("\n--- Testes: Obstáculos Evitam Início e Objetivo ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 12345;
cfg.num_obstacles = 10; /* Muitos obstáculos */
cfg.grid_rows = 5;
cfg.grid_cols = 5;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Verifica que início e objetivo não são obstáculos */
int start_is_obstacle = is_obstacle(&ql, ql.start_state);
int goal_is_obstacle = is_obstacle(&ql, ql.goal_state);
ASSERT_FALSE(start_is_obstacle, "Estado inicial não é obstáculo");
ASSERT_FALSE(goal_is_obstacle, "Estado objetivo não é obstáculo");
qlearning_free(&ql);
}
/* =============================================================================
* TESTES DE PRÓXIMO ESTADO E MOVIMENTAÇÃO
* =============================================================================
*/
TEST(test_next_state_movements_4x4) {
printf("\n--- Testes: Movimentação em Grid 4x4 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Estado 5 (1,1) - centro do grid 4x4 */
int state = coords_to_state(&cfg, 1, 1);
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_UP), 1, "4x4: (1,1) + UP = (0,1)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_DOWN), 9, "4x4: (1,1) + DOWN = (2,1)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_LEFT), 4, "4x4: (1,1) + LEFT = (1,0)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_RIGHT), 6, "4x4: (1,1) + RIGHT = (1,2)");
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_next_state_boundaries_4x4) {
printf("\n--- Testes: Limites do Grid 4x4 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Estado 0 (0,0) - canto superior esquerdo */
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, 0, ACTION_UP), 0, "4x4: (0,0) + UP = (0,0) (limite)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, 0, ACTION_LEFT), 0, "4x4: (0,0) + LEFT = (0,0) (limite)");
/* Estado 15 (3,3) - canto inferior direito */
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, 15, ACTION_DOWN), 15, "4x4: (3,3) + DOWN = (3,3) (limite)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, 15, ACTION_RIGHT), 15, "4x4: (3,3) + RIGHT = (3,3) (limite)");
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_next_state_5x5) {
printf("\n--- Testes: Movimentação em Grid 5x5 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 5;
cfg.grid_cols = 5;
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Estado 12 (2,2) - centro do grid 5x5 */
int state = 12;
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_UP), 7, "5x5: (2,2) + UP = (1,2)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_DOWN), 17, "5x5: (2,2) + DOWN = (3,2)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_LEFT), 11, "5x5: (2,2) + LEFT = (2,1)");
ASSERT_EQ(get_next_state(&ql, state, ACTION_RIGHT), 13, "5x5: (2,2) + RIGHT = (2,3)");
qlearning_free(&ql);
}
/* =============================================================================
* TESTES DE RECOMPENSA
* =============================================================================
*/
TEST(test_rewards_4x4) {
printf("\n--- Testes: Recompensas em Grid 4x4 ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
ASSERT_DOUBLE_EQ(get_reward(&ql, ql.goal_state), 100.0, "4x4: Recompensa objetivo = 100");
ASSERT_DOUBLE_EQ(get_reward(&ql, 1), -1.0, "4x4: Recompensa passo normal = -1");
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_rewards_with_obstacle) {
printf("\n--- Testes: Recompensa com Obstáculo ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.seed = 42;
cfg.num_obstacles = 1;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
if (ql.num_obstacles > 0) {
int obs_state = ql.obstacles[0];
ASSERT_DOUBLE_EQ(get_reward(&ql, obs_state), -100.0, "Recompensa obstáculo = -100");
}
qlearning_free(&ql);
}
/* =============================================================================
* TESTES DE ATUALIZAÇÃO DA Q-TABLE (EQUAÇÃO DE BELLMAN)
* =============================================================================
*/
TEST(test_bellman_update) {
printf("\n--- Testes: Atualização Q (Bellman) ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Q(s,a) = Q(s,a) + α * (R + γ * max(Q(s',a')) - Q(s,a)) */
/* Com Q-table zerada, alpha=0.1, gamma=0.9 */
/* Q(0,1) = 0 + 0.1 * (-1 + 0.9 * 0 - 0) = -0.1 */
update_q_value(&ql, 0, ACTION_DOWN, -1.0, 4);
ASSERT_DOUBLE_EQ(ql.q_table[0][ACTION_DOWN], -0.1, "Bellman: Q(0, DOWN) = -0.1");
/* Agora testa com recompensa positiva (objetivo) */
/* Q(11, DOWN) indo para objetivo (estado 15) */
/* Q(11,1) = 0 + 0.1 * (100 + 0.9 * 0 - 0) = 10 */
update_q_value(&ql, 11, ACTION_DOWN, 100.0, 15);
ASSERT_DOUBLE_EQ(ql.q_table[11][ACTION_DOWN], 10.0, "Bellman: Q(11, DOWN) = 10.0 (objetivo)");
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_bellman_propagation) {
printf("\n--- Testes: Propagação de Valores Q ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
/* Simula algumas atualizações para verificar propagação */
/* Primeiro, atualiza estado próximo ao objetivo */
update_q_value(&ql, 14, ACTION_RIGHT, 100.0, 15); /* (3,2) -> (3,3) objetivo */
/* Agora, estados mais distantes devem receber valores propagados */
double max_q_14 = get_max_q_value(&ql, 14);
ASSERT_TRUE(max_q_14 > 0, "Propagação: Q máximo em estado 14 > 0");
/* Atualiza estado 13 -> 14 */
update_q_value(&ql, 13, ACTION_RIGHT, -1.0, 14);
double q_13 = ql.q_table[13][ACTION_RIGHT];
/* Com gamma=0.9, deve propagar parte do valor */
ASSERT_TRUE(q_13 > -1.0, "Propagação: Q(13, RIGHT) > -1 devido ao valor futuro");
qlearning_free(&ql);
}
/* =============================================================================
* TESTES DE CONVERGÊNCIA E CAMINHO ÓTIMO
* =============================================================================
*/
TEST(test_convergence_3x3_no_obstacles) {
printf("\n--- Testes: Convergência Grid 3x3 sem Obstáculos ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.grid_rows = 3;
cfg.grid_cols = 3;
cfg.num_obstacles = 0;
cfg.num_episodes = 500;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
train(&ql);
int path_length = get_path_length(&ql);
/* Caminho mínimo de (0,0) para (2,2) em 3x3 sem obstáculos = 4 passos */
ASSERT_TRUE(path_length > 0, "3x3: Agente encontrou caminho");
ASSERT_TRUE(path_length <= 6, "3x3: Caminho <= 6 passos (razoável)");
printf("[INFO] Caminho encontrado: %d passos (ótimo: 4)\n", path_length);
qlearning_free(&ql);
}
TEST(test_convergence_4x4_no_obstacles) {
printf("\n--- Testes: Convergência Grid 4x4 sem Obstáculos ---\n");
Config cfg;
QLearning ql;
config_set_defaults(&cfg);
cfg.num_obstacles = 0;
cfg.num_episodes = 1000;
qlearning_alloc(&ql, &cfg);
qlearning_init(&ql);
train(&ql);
int path_length = get_path_length(&ql);