文章导读
【项目遵循需求分析、程序设计、编码、测试、运行标准开发过程， 从分析项目问题入手，提出解决方案，应用对象建模工具UML设计系统，依据设计文档进行编码。】
问题描述：实现一个简单的四则运算器。满足用户在Windows命令行窗口可以进行简单四则运算的要求。
1、四则运算具体功能要求：
（1）实现带单个运算符表达式的计算；
（2）用户可以重复输入表达式进行计算；
（3）输入quit退出程序；
（4）显示程序帮助内容。
2、角色划分与用例描述
角色是与程序相关的人和物，是指程序以外的，在使用程序或与程序交互中所扮演的角色。例如：使用程序的人、程序运行所依赖的环境等，本节主要讨论程序与人相关的角色。
本程序涉及的角色只有一个，就是程序的使用者，使用者输入算式，程序给出算式结果；使用者输入quit命令，程序退出；当使用者不熟悉该程序如何使用时，使用者可以查看程序给出的帮助说明。
本程序采用用例图对角色功能进行描述，通过用例图对功能需求进行分析和整理，绘制用例图的过程就是程序建模过程，建立的模型就是用例模型。
通过角色分析可知，程序使用者有三个用例模型，分别是输入算式、退出程序、查看帮助。
3、用例图
在一个用例图中通常有三种元素：参与者（Actor）、用例（Use Case）与程序边界（Boundary）。用例描述的是程序为用户提供的功能，也就是程序能为用户做什么，图例符号为一个椭圆；参与者是表1中划分的角色，也就是程序的使用者，图例符号为一个小人儿；最后是程序边界，程序边界描述了程序本身实现的功能与外部交互的边界，例如：参与者在程序边界之外，用例在程序边界之内，图例符号为一个方框。
（1）算式计算用例图（U001）
算式计算用例包含5个子用例，其中<输入算式>用例、<算式求解>用例、<查看答案>用例和使用者有交互行为，<计算算式>用例和<扫描算式>用例为内部用例，由<算式求解>用例调用并使用，<扫描算式>用例扫描算式，如果发现算式错误，由算式求解返回错误给使用者。
（2）退出程序用例图（U002）
该用例包含两个子用例，用例<输入判断>用于判断用户输入的字符串，如果字符串等于“quit”，调用<退出程序>用例退出程序。
（3）查看帮助用例图（U003）
该用例包含两个子用例，用例<输入判断>用于判断用户输入的字符串，如果字符串等于“help”，调用<输出帮助内容>用例显示帮助内容。
4、根据需求设计程序
前面需求分析阶段给出了角色、用例和业务流程。设计阶段需要将需求阶段给出的角色、用例和业务流程模型映射到能够被编程语言识别和描述的对象、对象功能和对象行为模型，设计阶段用到的UML模型有类图、活动图、时序图、状态图、部署图、伪代码。
设计阶段需要针对需求阶段给出的角色与用例，规划出对象类。在UML设计模型中，一般将对象类分为边界类、控制类和实体类。边界类主要用于描述外部参与者与程序之间的交互。例如：角色“程序使用者”同四则运算器的交互行为，其交互行为有“程序使用者”输入算式、查看帮助、退出程序等；控制类用于描述程序的控制流程。例如：四则运算器开始运行后，需要持续等待用户输入命令或算式，根据用户输入的内容选择不同的流程；实体类一般用于事物、人员或者一些现实生活中的对象，该类对象有存储数据的要求。例如：如果四则运算器要求区分角色“程序使用者”并存储角色信息时，就需要为角色“程序使用者”建立实体类，以便程序存储每个“程序使用者”的信息。
四则运算器的角色“程序使用者”并没有存储其信息的要求，因此无需为该角色建立实体类。与该角色相关的有三个用例，分别是<输入算式>用例、<算式求解>用例和<查看答案>用例，该三个用例都有流程控制和外部交互需求，故分别需要为这三个用例建立控制类和边界类。从设计实用性、编程效率方面考虑，可以将控制类和边界类合并为一个控制类；但从可维护性和扩展性上考虑，分开设计有利于代码结构清晰、并易于扩展四则运算器的功能。具体选择什么样的设计模式，需要根据程序（系统）所处的环境、技术、资源来决定，例如：一个程序（系统）在交付日期已经确定，项目进度紧张，而技术和人力资源又出现问题的情况下，应以设计实用性、编程效率方面考虑，反之则应从可维护性和扩展性上考虑。本节主要用于说明如何根据需求分析归纳类对象，从简单易懂考虑，采用合并设计原则。
类名命名为“Arithmetic”，类名确定后，需要根据用例及业务流程图归纳类的属性和方法。
从前面的用例图和业务流程图分析可知，程序主要涉及到算式、帮助内容、错误信息三部分信息，这三部分信息都有被程序修改内容和获取内容的需要，因此可以归纳为“Arithmetic”类的属性。类的属性不同于类的成员变量，类的属性可以通过get方法获取属性内容，通过set方法设置属性内容。
一般来说，用例图中的子用例都可以归纳为类的方法。例如：用例<算式计算>的子用例<<输入算式>>、<<计算算式>>、<<扫描算式>>等都可以归纳为类的方法。
图4 Arithmetic类图
类图说明
类图设计完成后，根据设计的需要，可能还需要设计活动图、时序图、状态图、部署图等。其多用于复杂的程序（系统）进一步理顺业务活动、流程、事件、部署等设计需要。本程序结构简单，无需再设计活动图，类图设计完成后，基本就可以进入编码了。
程序流程控制功能
程序启动运行后，首先显示帮助内容，向用户提示程序的使用方法。然后循环等待用户输入，用户输入完成后，程序根据用户输入的选择不同的分支执行程序。若输入的内容为“quit”，则执行退出程序分支；若输入的内容为“help”，则执行显示帮助程序分支；若不是前两项内容，则执行算式计程序分支。分支执行完毕，继续等待用户输入。程序控制流程如下图所示：
图5 程序控制流程图
算式计算功能
计算算式并返回计算结果，计算前先对算式做语法判断，若算式语法错误，返回错误信息，终止计算功能。若算式语法正确，计算算式并返回计算结果。算式计算流程如下图所示：
图6 算式计算流程图
5、根据设计编写代码
程序流程控制
节程序流程控制功能一段给出了流程描述。按照流程描述，需要实现如下功能。
（1）建立run方法，在main方法中调用
在main方法中，声明类型为Arithmetic类成员变量tempArithmetic，并调用new方法初始化，然后调用Arithmetic类的run方法。
（2）显示帮助内容
需求部分要求帮助内容及显示格式如下：
***欢迎使用四则运算器***
算式计算：输入算式后，按下回车键，程序给出答案。算式仅限于算式仅支持包含单个运算符和两个运算数的算式。例如：15+20、8*9、20/5等。
退出程序：请输入“quit”命令，按下回车键。
查看帮助：请输入“help”命令，按下回车键。
Arithmetic类属性“help”存储帮助内容，showHelp()方法显示帮助内容。在Arithmetic类方法run中添加如下代码：
（3）循环等待用户输入
在程序顶部导入java.util包，在run方法中添加while循环代码，在循环体添加获取用户输入代码。
在run方法中，添加do-while循环语句，循环接收用户的输入，该循环为无限循环，后续代码需要添加退出循环语句。
（4）判断用户输入内容，选择不同程序分支
根据用户输入的内容，程序流程有三个分支。若输入的内容为“quit”，调用Arithmetic类的quit方法退出程序；若输入的内容为“help”，调用Arithmetic类的showHelp方法；若不是前两项内容，
调用Arithmetic类的calculateFormula方法。在run方法do-while循环语句中增加if-else语句。
算式计算
计算算式并返回计算结果，计算前先对算式做语法判断，若算式语法错误，返回错误信息，终止计算功能。若算式语法正确，计算算式并返回计算结果。
（1）语法扫描
扫描用户输入的算式，检查算式语法是否符合程序要求。语法正确与否判断规则如下：
● 算式的开始和结束字符必须是数字；
● 算式只能包含数字和‘+’、‘-’、‘*’、‘/’运算符；
● 运算符不能连续；
● 运算符有且只能包含一个；
在Arithmetic类的scanFormula方法添加如下代码：
/**
* Function scanFormula
* Description: 扫描formula算式，返回扫描结果
* input: 无输入参数
* return: formula算式无语法错误，返回sucess，否则返回语法错误
*/
public String scanFormula()
{
String result = "sucess";
String strFormula = getFormula();
char ch;
//声明count变量，存储运算符的出现的次数
int count=0;
//遍历strFormula
for( int i = 0; i < strFormula.length(); i++ )
{
//获取strFormula的第i个字符
ch = strFormula.charAt(i);
/**
* 判断ch是否是合法字符
* 合法字符为数字和‘+’、‘-’、‘*’、‘/’运算符
*/
if(ch >='0' && ch <='9')
{
continue;
}
elseif( ch=='+' || ch=='-' || ch=='*' || ch=='/' )
{
count++;
//算式的第一个字符和最后一个字符不能是运算符
if( i == 0 || i == strFormula.length()-1 )
{
result = "算式的第一个字符和最后一个字符不能是运算符";
break;
}
//算式只能包含一个运算符
if( count >= 2 )
{
result = "输入的算式只能包含一个运算符";
break;
}
}
else
{
result = "输入的算式包含非法字符，算式的第(" + i + ")个字符为非法字符";
break;
}
}
return result;
}语法扫描采用遍历算式所有字符的算法，对算式的每个字符进行判断。for循环遍历算式的所有字符，for循环体的if-else语句判断算式的单个字符是否符合语法要求，如果不符合要求，设置语法错误信息并跳出循环。
（2）计算算式
具体算法为：遍历并解析算式，得到运算数和运算符，然后利用switch语句控制不同的计算分支，得到计算结果。
在Arithmetic类的calculateFormula方法添加如下代码：
/**
* Function calculateFormula
* Description: 计算formula存储的算式，返回计算后的结果
* input: 无输入参数
* return: 返回计算后的结果
*/
public String calculateFormula()
{
String result = "";
//声明num1和num2变量，用于存储运算数
String num1 = "";
String num2 = "";
//声明op，用于存储运算符
String op = "";
char ch;
//判断
boolean bFirst = true;
String strFormula = getFormula();
//遍历strFormula
for( int i = 0; i < strFormula.length(); i++ )
{
//获取strFormula的第i个字符
ch = strFormula.charAt(i);
if(ch >='0' && ch <='9')
{
if( bFirst )
num1 += ch;
else
num2 += ch;
}
elseif( ch=='+' || ch=='-' || ch=='*' || ch=='/' )
{
bFirst = false;
op += ch;
}
}
//计算算式
//获取运算符
ch = op.charAt(0);
//将字符串强制转换为double类型
double dNum1 = Double.parseDouble(num1);
double dNum2 = Double.parseDouble(num2);
double dResult = 0.0;
switch(ch)
{
case'+':
dResult = dNum1 + dNum2;
break;
case'-':
dResult = dNum1 - dNum2;
break;
case'*':
dResult = dNum1 * dNum2;
break;
case'/':
{
if( (int)dNum2 == 0 )
{
dResult = 0.0;
break;
}
dResult = dNum1 / dNum2;
}
break;
}
returnString.valueOf(dResult);
}完善Arithmetic类的run方法
在Arithmetic类run方法循环体中增加算式语法扫描、计算算式、输出计算结果的代码。
publicvoidrun()
{
/**
* 初始化help,并显示help
*/
String strHelp = "***欢迎使用四则运算器***\n"
+ "算式计算：输入算式后，按下回车键，程序给出答案。算式仅限于算式仅支持包含单个运算符和两个整数运算数的算式。例如：15+20、8*9、20/5等。\n"
+ "退出程序：请输入“quit”命令，按下回车键。"
+ "查看帮助：请输入“help”命令，按下回车键。";
setHelp(strHelp);
showHelp();
/**
* 循环等待用户输入
*/
//声明Scanner变量，并用new运算符实例化Scanner
Scanner sc = new Scanner(System.in);
do {
String strInput = sc.next();
//判断用户输入内容，执行不同分支程序
if( strInput.equals("quit") )
quit();
elseif( strInput.equals("help") )
showHelp();
else
{
setFormula(strInput);
//语法扫描
String ret = scanFormula();
//语法正确
if( ret.equals("sucess") )
{
ret = calculateFormula();
printResult(ret);
}
else
{
//输出语法错误信息
printResult(ret);
}
}
}while(true);
}至此，程序编写完成。
