【软件工程】小学四则运算 “软件”之初版

作业要求来源于：https://edu.cnblogs.com/campus/gzcc/GZCC-16SE2/homework/2186

我的github远程仓库的地址： https://github.com/RichardSkr/Simple-arithmetic-device

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一、实验要求

像《构建之法》的人物阿超那样，写一个能自动生成小学四则运算题目的命令行 “软件”。

具体要求：任何编程语言都可以，命令行程序接受一个数字输入，然后输出相应数目的四则运算题目和答案。例如输入数字是 30， 那就输出 30 道题目和答案。 运算式子必须至少有两个运算符，运算数字是在 100 之内的正整数，答案不能是负数。 如：

 23 - 3 * 4 = 11

 扩展要求：

 　　1） 要求能出和真分数 （二分之一， 十二分之五，等）相关的练习题。

 　　2） 并且要求能处理用户的输入，并判断对错，打分统计。 要求能处理用户输入的真分数， 如 1/2, 5/12 等。

 初步拟定要实现的功能后，估计一下自己需要花多长时间。编程过程中记录自己实际用了多长时间。

 然后和同学们比较一下各自程序的功能、实现方法的异同等等。

 写博客纪录自己实现的过程和思路。

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 二、功能模块

1、模块设计：

　　（1）MainWork：主类，用于获取用户输入数据、输出获取的题目列表和答题情况

　　（2）ExerciseUtils：练习题工具类，用于生成题目列表

　　（3）ExerciseBean：练习题对象类，用于存储该题目的运算数、运算符和答案

2、数据结构：

　　（1）ExerciseBean对象类中，用整型数组存储自动生成的运算数，用字符串数组存储自动生成的运算符；

    public int[] num;          //运算数
    public String[] operator;  //运算符
    public int degree = 3;     //难度
    public int answer = 0;         //答案

　　（2）主类中采用了List对象集合将储存练习题列表；

List<ExerciseBean> exerciseList = ExerciseUtils.getExerciseList(exerciseCount);

3、算法：

　　（1）随机生成运算数和运算符

for (int i = 0; i < degree; i++) {
    this.num[i] = rand.nextInt(100);
    int oper = rand.nextInt(4);
    if (i == degree - 1) {
        this.operator[degree - 1] = "=";
    } else {
        switch (oper) {
            case 0:
                this.operator[i] = "+";
                break;
            case 1:
                this.operator[i] = "-";
                break;
            case 2:
                this.operator[i] = "*";
                break;
            case 3:
                this.operator[i] = "/";
                break;
        }
    }
}

　　（2）生成题目列表集合

for (int i = 0; i < exerciseCount; i++) {
    exerciseList.add(new ExerciseBean());
}

　　（3）输出题目

for (int j = 0;j < 3;j++){
    exercise += exerciseList.get(i).num[j] + exerciseList.get(i).operator[j];
}
System.out.print(exercise);

 　　（4）判断运算顺序，先进行乘除运算，再进行加减运算，遍历运算符集合，通过用answer变量计算某运算符前后的数据，运算完后使当前运算符出栈，并把运算符前的数据替换成运算结果，运算符后的数据出栈；除法运算用变量numerator和denominator记录分子和分母，使分子参与运算，分母在运算符优先级的运算完后再参与运算这里只列出部分代码，完整代码请参考ExerciseBean对象类中的getAnswer()方法。

for (int i = 0; i < answer_operator.size(); ){  //先乘除
            if (answer_operator.get(i).equals("*")){
                answer = answer_num.get(i) * answer_num.get(i+1);
                answer_num.set(i,answer);
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else if (answer_operator.get(i).equals("/")){
                numerator = answer_num.get(i);
                answer = numerator;
                denominator = answer_num.get(i+1) * denominator;
                answer_num.set(i,numerator);
                numerator_index = i;
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else
                i++;
}

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三：主要代码

　　（1）MainWork

import java.util.List;
import java.util.Scanner;

public class MainWork {
    public static void main(String arg[]){
        Scanner in =new Scanner(System.in);
        System.out.print("请输入出题数：");
        int exerciseCount=in.nextInt();
        String answer;//用户输入的答案
        System.out.println("共有"+ exerciseCount + "题");
        List<ExerciseBean> exerciseList = ExerciseUtils.getExerciseList(exerciseCount);
        int score = 0;      //用户答题得分
        for (int i = 0;i<exerciseList.size();i++){
            String exercise = i+1 + "、";
            for (int j = 0;j < 3;j++){
                exercise += exerciseList.get(i).num[j] + exerciseList.get(i).operator[j];
            }
            System.out.print(exercise);
            answer = in.next();
            if (answer.equals(exerciseList.get(i).getAnswer())){
                //System.out.println("答案"+exerciseList.get(i).getAnswer());
                score++;
                System.out.println("答对了，很优秀！");
            }else {
                System.out.println("答错了，真遗憾！");
                System.out.println("正确答案是"+exerciseList.get(i).getAnswer());
            }
        }
        System.out.println("答题结束！总成绩为"+score*100/exerciseCount+"分");
    }
}

　　（2）ExerciseBean对象类

import java.util.*;

public class ExerciseBean {
    public int[] num;          //运算数
    public String[] operator;  //运算符
    public int degree = 3;     //难度
    public int answer = 0;         //答案
    public ExerciseBean(){
        do {
            createExercise();
        }while (answer < 0);
    }

    /**
     * 习题初始化
     */
    private void createExercise(){
        Random rand =new Random();
        this.num = new int[degree];
        this.operator = new String[degree];
            for (int i = 0; i < degree; i++) {
                this.num[i] = rand.nextInt(100);
                int oper = rand.nextInt(4);
                if (i == degree - 1) {
                    this.operator[degree - 1] = "=";
                } else {
                    switch (oper) {
                        case 0:
                            this.operator[i] = "+";
                            break;
                        case 1:
                            this.operator[i] = "-";
                            break;
                        case 2:
                            this.operator[i] = "*";
                            break;
                        case 3:
                            this.operator[i] = "/";
                            break;
                    }
                }
            }
    }

    /**
     * 计算算式答案
     * 返回答案字符串
     */
    public String getAnswer(){
        int answer = 0;
        int denominator = 1;//分母
        int numerator = 1;  //分子
        int numerator_index = -1;  //分子坐标
        List<Integer> answer_num = new ArrayList<Integer>();
        List<String> answer_operator = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0;i < num.length;i++){
            answer_num.add(num[i]);
            answer_operator.add(operator[i]);
        }
        for (int i = 0; i < answer_operator.size(); ){  //先乘除
            if (answer_operator.get(i).equals("*")){
                answer = answer_num.get(i) * answer_num.get(i+1);
                answer_num.set(i,answer);
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else if (answer_operator.get(i).equals("/")){
                numerator = answer_num.get(i);
                answer = numerator;
                denominator = answer_num.get(i+1) * denominator;
                answer_num.set(i,numerator);
                numerator_index = i;
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else
                i++;
        }
        for (int i = 0; i < answer_operator.size(); ){  //后加减
            if (answer_operator.get(i).equals("+")){
                if (i == numerator_index){
                    answer_num.set(i+1,answer_num.get(i+1) * denominator);
                }else if ((i+1) == numerator_index){
                    answer_num.set(i,answer_num.get(i) * denominator);
                }
                answer = answer_num.get(i) + answer_num.get(i+1);
                answer_num.set(i,answer);
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else if (answer_operator.get(i).equals("-")){
                if (i == numerator_index){
                    answer_num.set(i+1,answer_num.get(i+1) * denominator);
                }else if ((i+1) == numerator_index){
                    answer_num.set(i,answer_num.get(i) * denominator);
                }
                answer = answer_num.get(i) - answer_num.get(i+1);
                answer_num.set(i,answer);
                answer_num.remove(i+1);
                answer_operator.remove(i);
            }else
                i++;
        }
        this.answer = answer/denominator;
        if (denominator != 1){
            int gongyinshu = 1;
            int smaller = answer > denominator ? denominator : answer;
            for (int i = 1; i <= smaller; i++) {
                if (answer % i == 0 && denominator % i == 0) {
                    gongyinshu = i;
                }
            }
            answer = answer / gongyinshu;
            denominator = denominator / gongyinshu;
            return answer + "/" + denominator;
        }else
            return answer+"";
    }

    //设置题目难度
    private void setDegree(int degree){
        this.degree = degree;
    }

}

　　（3）ExerciseUtils工具类

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ExerciseUtils {
    public static List<ExerciseBean> getExerciseList(int exerciseCount) {
        List<ExerciseBean> exerciseList = new ArrayList<ExerciseBean>();
        for (int i = 0; i < exerciseCount; i++) {
            exerciseList.add(new ExerciseBean());
        }
        return exerciseList;
    }
}

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四、运行结果

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五：时间表

PSP2.1	Personal Software Process Stages	Time Senior Student	Time
Planning	计划	20	15
.Estimate	估计这个任务需要多少时间	20	15
Development	开发	120	150
.Analysis	需求分析 (包括学习新技术)	20	15
.Design Spec	生成设计文档	0	0
.Design Review	设计复审	5	10
.Coding Standard	代码规范	10	10
.Design	具体设计	20	15
.Coding	具体编码	35	70
.Code Review	代码复审	10	5
.Test	测试（自我测试，修改代码，提交修改）	20	25
Reporting	报告	9	6
·	测试报告	4	4
·	计算工作量	5	2
·	并提出过程改进计划	0	0

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六、遇到的问题及如何解决

　　（1）问题：在设计运算符优先级时，优先级相同的运算符只有出现一次时只运算一次，比如a*b+c可以运算正确因为“*”和“+”优先级不一样，而a*b/c就只能进行一次运算符的运算。

　　解决方法：经过测试之后发现是由于在for循环里面，运算完的运算符出栈了，但是下标i进行了++操作，导致不能获取到运算符集合里的下一个运算符，所以在改为在没有这一优先级的运算符时才进行下标++操作。

　　（2）问题：进行除法运算时，使用"/"运算符只能得到整型数据而不能得到真分数。

　　解决方法：定义两个变量分别存储分子和分母的值，分母初始化为1，在进行除法运算时，记录分子下标，并为分子和分母赋值，进行加减法运算时判断运算符前后是否有存储分子的数据，有的话则使另一个运算数与分母相乘，在进行优先级运算后，当分母不为1是，把结果和分母进行约分并用字符串组合起来，得到最终结果。