【软件工程第三次作业】结对编程：四则运算（ Java 实现）

1. GitHub 地址

本项目由莫少政（3117004667）、余泽端（3117004679）结对完成。

项目 GitHub 地址：https://github.com/Yuzeduan/Arithmetic.git

2. PSP 表格

PSP2.1表格

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	20	25
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	20	25
Development	开发	890	635
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	60	30
· Design Spec	· 生成设计文档	60	40
· Design Review	· 设计复审 (和同事审核设计文档)	30	30
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	20	15
· Design	· 具体设计	30	30
· Coding	· 具体编码	600	420
· Code Review	· 代码复审	30	30
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	60	40
Reporting	报告	130	160
· Test Report	· 测试报告	80	100
· Size Measurement	· 计算工作量	20	20
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结, 并提出过程改进计划	30	40
合计		1040	820

3. 效能分析

初始时，生成一万道题目和答案所需时间约 4s 。

优化思路：由于 Java 中对象的初始化需要时间，因此在循环的时候，将变量的定义移到循环体外面，每次循环的时候复用已有的对象，从而避免了多次生成对象所消耗的时间。此外，相比于生成所有题目之后再一次性写入，便生成边写入文件，能避免一次性写入大量数据时文件读写缓冲区所耗费的时间。

优化后，生成一万道题目所花费时间约 0.9s 。

效能分析截图如下：

4. 设计思路

对题目进行分析之后，我们把项目总体分为两个大的功能模块，一个是生成题目以及生成答案，并写入到文件中，另一个是读取传入的参数名的文件题目以及答案，并进行题目的解答，校对答案，生成成绩，写入文件。

生成题目功能：首先需要判断参数，得到生成题目的个数，以及生成数的最大值，根据这两个参数来生成题目。第一步是生成操作符的个数，使用封装的随机数工具，获得操作符个数之后，生成相应数量的操作数，操作数有两种可能，一种是小数，一种是整数，因此需要随机生成两种类别，接着便是生成操作符，操作符有四种，同理也是这么操作，需要注意是，如果生成的是减号，为了使得计算过程中不能产生负数，因此需要生成数的时候，进行判断。最后一步，便是生成括号，括号插入到生成的题目中。

生成答案功能：首先需要判断有没有括号，如果有括号，应该先递归计算里面的子表达式，然后需要将真分数转化为小数，以及有个问题便是算术符号优先级不同，需要进行两次遍历，第一次只处理乘法和除法，第二次处理加法减法。

操作数应该封装成一个实体类，里面包含数值还有其前面的操作符，如果是第一个操作数，则其操作符属性为空。在生成题目和解析题目的时候，将每个操作数对象填充在一个容器中，进行统一管理。

5. 设计实现过程

Base 功能模块
- FileUtil 类，其中提供 read，write 方法，进行文件的读取
- RandomUtil 类，对随机数生成进行封装，构建通用的生成随机数工具
- DecimalUtil 类，对小数，分数，真分数等进行转换
逻辑模块
- DataProvider 类：通过获取功能模块的数据，进行相应的逻辑处理，返回数据给调用的方案处理类
- QuestionService 类：进行生成题目相关的业务逻辑，并执行文件读写操作
- GradeService 类：进行题目和答案校对，生成分数的业务罗技，并执行读写操作

6. 关键代码说明

public String read() {
        try {
            String data = inputStream.readLine();
            if (data != null) {
                return data;
            } else {
                return null;
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
}

public void write(String data) {
        outputStream.println(data);
}

进行文件的读取和写出，使用 Java 提供的 BufferedReade r和 PrintWriter 进行文件操作。

    public static float toFloat(String str) {
        String[] strs = str.split("’");
        if (strs.length == 1) {
            String[] twoNum = strs[0].split("/");
            return twoNum.length == 1 ? Float.valueOf(twoNum[0]) : (Float.valueOf(twoNum[0]) /                  Float.valueOf(twoNum[1]));
        } else {
            String[] twoNum = strs[1].split("/");
            return Integer.valueOf(strs[0]) + Float.valueOf(twoNum[0]) / Float.valueOf(twoNum[1]);
        }
    }

读取文件时候，需要将真分数进行转化为小数，进行数值的处理，此处采用 String 类提供的 api 进行字符串处理，获取其数值。

public static String toStr(float dec) {
        String[] strs = (dec + "").split("\\.");
        if (strs[1].length() > 6) {
            strs[1] = strs[1].substring(0, 6);
        }
        if (strs[1].contains("E")) return null;
        int integer = Integer.valueOf(strs[0]);
        int decimal = Integer.valueOf(strs[1]);
        if (decimal == 0) return integer + "";
        int mother = (int) Math.pow(10, strs[1].length());
        int divisor = getMaxDivisor(decimal, mother);
        return (integer > 0 ? integer + "’" : "") + decimal / divisor + "/" + mother / divisor;
}

将小数转换为分数，并且对过于小的数字，进行精度的截断，构建出真分数，并采用辗转相除法进行分数的化简。

public static String getAnswer(String question) {
        question = question.replace(EQU, "");
        if (question.contains("(")) {
            int leftIndex = question.indexOf("(");
            int rightIndex = question.indexOf(")");
            String subQuestion = question.substring(leftIndex + 1, rightIndex);
            if (subQuestion == null) {
                System.out.println(1);
            }
            String subAnswer = getAnswer(subQuestion);
            if (subAnswer == null) {
                return null;
            }
            question = question.replace("(" + subQuestion + ")", subAnswer);
        }
        String[] preStrs = question.split(" ");
        List<String> strs = new ArrayList<>();
        if (preStrs.length == 1) {
            return question;
        }
        for (int i = 1; i < preStrs.length; i += 2) {
            if (preStrs[i].equals("×")) {
                preStrs[i + 1] = DecimalUtil.toFloat(preStrs[i - 1]) *          DecimalUtil.toFloat(preStrs[i + 1]) + "";
            } else if (preStrs[i].equals("÷")) {
                if (DecimalUtil.toFloat(preStrs[i + 1]) == 0) {
                    return null;
                }
                preStrs[i + 1] = DecimalUtil.toFloat(preStrs[i - 1]) / DecimalUtil.toFloat(preStrs[i + 1]) + "";
            } else {
                strs.add(preStrs[i - 1]);
                strs.add(preStrs[i]);
            }
            if (i == preStrs.length - 2) {
                strs.add(preStrs[i + 1]);
            }
        }
        if (strs.size() == 1) {
            return DecimalUtil.toStr(Float.valueOf(strs.get(0)));
        }
        for (int i = 1; i < strs.size(); i += 2) {
            if (strs.get(i).equals("+")) {
                strs.set(i + 1, DecimalUtil.toFloat(strs.get(i - 1)) + DecimalUtil.toFloat(strs.get(i + 1)) + "");
            } else {
                float temp = DecimalUtil.toFloat(strs.get(i - 1)) - DecimalUtil.toFloat(strs.get(i + 1));
                if(temp < 0) return null;
                strs.set(i + 1, temp + "");
            }
            if (i == strs.size() - 2) {
                return DecimalUtil.toStr(Float.valueOf(strs.get(i + 1)));
            }
        }
        return null;
  }

在生成题目答案的实现中，首先是判断有没有括号的存在，有的话，进行递归调用该方法，算出值之后，替换掉表达式中的括号子表达式，接着进行第一次遍历，算出所有乘法和除法，填充进容器中，进行第二次遍历，算出加减法，值得注意的是，会在这个过程中判断类似9 - ( 5 + 7 )这种产生负数的情况，因为生成的时候，括号是最后生成的，此情况是会出现的，因此需要判断一下，如果出现该情况，就返回 Null 给上层，让其重新生成一道题目。

for (int question = 0; question < num; question++) {
            Random random = new Random();
            List<Number> nums = new ArrayList<>();

            // 生成运算符数量
            int operator = random.nextInt(3) + 1;
            boolean isInt = false;
            boolean hasParentheses = false;
            String symbol = "";
            float operateNum = -1;
            for (int i = 0; i < operator + 1; i++) {
                isInt = random.nextInt(2) == Constant.TYPE_INT;
                symbol = i == 0 ? "" : SymbolList[random.nextInt(4)];
                if (symbol.equals(SUB)) {
                    operateNum = isInt ? random.nextInt((int) (nums.get(i - 1).getNum()) + 1) : random.nextInt((int) ((nums.get(i - 1).getNum() + 0.01) * 100)) / 100.0f;
                } else {
                    operateNum = isInt ? random.nextInt(max + 1) : random.nextInt((max + 1) * 100) / 100.0f;
                }
                if (symbol.equals(DIV)) {
                    operateNum = operateNum == 0 ? (isInt ? 1 : 0.01f) : operateNum;
                }
                nums.add(new Number(symbol, operateNum));
            }
            hasParentheses = random.nextInt(2) == 1;
            int leftIndex = -1;
            int rightIndex = -1;
            if (hasParentheses) {
                leftIndex = random.nextInt(operator);
                rightIndex = random.nextInt(operator - leftIndex) + leftIndex + 1;
            }
            StringBuffer sb = new StringBuffer();
            Number number;
            for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
                number = nums.get(i);
                if (hasParentheses && i == leftIndex) {
                    sb.append(number.getSymbol())
                            .append("(")
                            .append(DecimalUtil.toStr(number.getNum()));
                } else if (i == rightIndex) {
                    sb.append(number.getSymbol())
                            .append(DecimalUtil.toStr(number.getNum()))
                            .append(")");
                } else {
                    sb.append(number.getSymbol()).append(DecimalUtil.toStr(number.getNum()));
                }
            }
            sb.append(EQU);
            String answer = DataProvider.getAnswer(sb.toString());
            if (answer == null) {
                question--;
                continue;
            }
            questionFile.write(question + 1 + ". " + sb.toString());
            answerFile.write(question + 1 + ". " + answer);
 }

生成题目的时候，需要根据参数的题目数量进行判断循环次数，第一步是生成操作符的个数，使用封装的随机数工具，获得操作符个数之后，就进行生成操作数，操作数有两种可能，一种是小数，一种是整数，因此需要进行随机数生成两种类别，接着便是生成操作符，操作符有四种。将操作数填充进一个容器中，在最后转换成字符串时候，生成括号插入。

为了防止生成题目过多，导致写出文件出错，我们采用，在生成题目的开始，打开文件，每次生成一道题目，便写入，且算出答案。结束，关闭文件。