总结与思考 ：OOP课程PTA作业7 - 8 及课程总结

一． 前言
本次Blog旨在总结面向对象的程序设计的作业，主要为家居强电电路模拟程序。具体的设计过程和心得如下。

二． 设计与分析
（一） 答题判题程序
1.题设
1、控制设备
本题模拟的控制设备包括：开关、分档调速器、连续调速器、互斥开关。

开关：包括0和1两种状态。

开关有两个引脚，任意一个引脚都可以是输入引脚（接往电源端），而另一个则是输出引脚（接网接地端）。开关状态为0时，无论输入电位是多少，输出引脚电位为0。当开关状态为1时，输出引脚电位等于输入电位。
互斥开关：

互斥开关有3个引脚：1个是汇总引脚，另两个是分支引脚。

开关电路示意图如图1所示，左边是汇总引脚，编号为1；右边两个是分支引脚，右上的输出引脚为2，右下输出引脚为3。图中1、2、3引脚均可以是输入引脚，当1为输入引脚时，2、3引脚为输出引脚；1为输出引脚时，2、3引脚为输入引脚。
互斥开关只有两种状态：开关接往上面的2号引脚、接往下面的3号引脚。开关每次只能接通其中一个分支引脚，而另一个分支引脚处于断开状态。
互斥开关的默认状态为1、2引脚接通，1、3引脚断开。
图1中所示的互斥开关可以反过来接入电路，即汇总引脚接往接地端，两个分支引脚接往电源端。

image.png

图1 互斥开关

为避免短路，互斥开关设置了限流电阻，1、2引脚之间默认电阻为5，1、3引脚之间默认电阻为10。

分档调速器

按档位调整，常见的有3档、4档、5档调速器，档位值从0档-2（3/4）档变化。本次迭代模拟4档调速器，每个档位的输出电位分别为0、0.3、0.6、0.9倍的输入电压。
连续调速器

没有固定档位，按位置比例得到档位参数，数值范围在[0.00-1.00]之间，含两位小数。输出电位为档位参数乘以输入电压。
所有调速器都有两个引脚，一个固定的输入（引脚编号为1）、一个输出引脚（引脚编号为2）。当输入电位为0时，输出引脚输出的电位固定为0，不受各类开关调节的影响。

开关、调速器的初始状态/档位为0。

开关的两个引脚编号为1、2。
除互斥开关外，其他控制设备的电阻为 0。

2、受控设备
本题模拟的受控设备包括：灯、风扇。两种设备都有两根引脚，通过两根引脚电压的电压差驱动设备工作。

灯有两种工作状态：亮、灭。在亮的状态下，有的灯会因引脚电位差的不同亮度会有区别。
风扇在接电后有两种工作状态：停止、转动。风扇的转速会因引脚间电位差的不同而有区别。
本次迭代模拟两种灯具。

白炽灯：

亮度在0~200lux（流明）之间。
电位差为0-9V时亮度为0,其他电位差按比例，电位差10V对应50ux，220V对应200lux，其他电位差与对应亮度值成正比。白炽灯超过220V。
日光灯：

亮度为180lux。
只有两种状态，电位差为0时，亮度为0，电位差不为0，亮度为180。
本次迭代模拟两种风扇。

吊扇：

工作电压区间为80V-150V，对应转速区间为80-360转/分钟。80V对应转速为80转/分钟，150V对应转速为360转/分钟，超过150V转速为360转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。其他电压值与转速成正比，输入输出电位差小于80V时转速为0。
落地扇：

工作电压区间为 80V-150V，对应转速区间为 80-360 转/分钟；[80V,100V) 对应转速为 80 转/分钟；[100,120)V 对应转速为 160 转/分钟；[120,140)V 对应转速为 260 转/分钟；大于等于 140V 转速 为 360 转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。

本次迭代模拟一种受控窗帘：

受控串联的电路符号为S，其最低工作电压为50V，电压达到或超过50V，窗帘即可正常工作，不考虑室外光照强度和室内空间大小等因素，窗帘受室内灯光的光照强度控制。
当电路中所有灯光的光照强度总和在[0,50)lux范围内，窗帘全开；
在[50,100)lux范围内，窗帘打开比例为0.8；
在[100,200)lux范围内，窗帘打开比例为0.6；
在[200,300)lux范围内，窗帘打开比例为0.4；
在[300,400)lux范围内，窗帘打开比例为0.2；
在400lux及以上范围内，窗帘关闭。
当电压低于50V，窗帘不工作，默认为全开状态。
如果电路中没有灯或者灯全部关闭，光照强度为0，窗帘处于全开状态。
受控设备电阻：白炽灯的电阻为 10，日光灯的电阻为 5，吊扇的电阻为 20，落地扇的电阻为 20，窗帘电阻为15。

3、输入信息
1）输入设备信息

分别用设备标识符K、F、L、B、R、D、A、H、S、P分别表示开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、落地扇、互斥开关、受控窗帘、二极管（见第6部分说明）。

设备标识用标识符+编号表示，如K1、F3、L2等。

引脚格式：
设备标识-引脚编号，例如：K1-1标识编号为1的开关的1号引脚。
开关、分档调速器、连续调速器的两个引脚编号为1、2。
受控设备的两个引脚编号分别为1、2。
互斥开关的引脚编号已经在互斥开关的介绍部分说明。

约束条件：
不同设备的编号可以相同。
设备信息不单独输入，包含在连接信息中。

2）输入连接信息

一条连接信息占一行，用[]表示一组连接在一起的设备引脚，引脚与引脚之间用英文空格" "分隔。

格式：
"["+引脚号+" "+引脚号+"]"
例如：[K1-1 K3-2]表示K1的1号引脚，K3的2号引脚连接在一起。

约束条件：
不考虑调速器串联到其他调速器的情况。
考虑各类设备的并联接入。例如，K1 的输出接到 L2 的输入，L2 的输出再接其他设备属于串联接线。K1 的输出接到 L2 的输出，同时 K1 的输入接到 L2 的输入，这种情况属于并联。

连接信息不单独输入，包含在线路信息中。

3）输入控制设备调节信息

开关、互斥开关调节信息格式：

+设备标识K+设备编号，例如：#K2，代表切换K2开关的状态。

+设备标识H+设备编号，例如：#H2，代表切换H2互斥开关的状态。

分档调速器的调节信息格式：

+设备标识F+设备编号+"+" 代表加一档，例如：#F3+，代表F3输出加一档。

+设备标识F+设备编号+"-" 代表减一档，例如：#F1-，代表F1输出减一档。

连续调速器的调节信息格式：

+设备标识L+设备编号+":" +数值 代表将连续调速器的档位设置到对应数值，例如：#L3:0.6，代表L3输出档位参数0.6。

4）电源接地标识：

VCC，电压220V，GND，电压0V。没有接线的引脚默认接地，电压为0V。

5）输入串联电路信息

一条串联电路占一行，串联电路信息由 n 个连接信息组成，连接信息按从靠电源端到接地端顺序依次输入，连接信息之间用英文空格" "分隔。

串联电路信息格式：
"#T"+电路编号+":"+连接信息+" "+连接信息+...+" "+连接信息
例如：#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT] 一个串联电路的第一个引脚是 IN，代表起始端，靠电源。最后一个引脚是 OUT，代表结尾端， 靠接地。

约束条件：
不同的串联电路信息编号不同。
输入的最后一条电路信息必定是总电路信息，总电路信息的起始引脚是 VCC，结束引脚是 GND。
连接信息中的引脚可能是一条串联或并联电路的 IN 或者 OUT。例如：

T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT OUT]

T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT M2-IN] [M2-OUT OUT]

6）输入并联电路信息

一条并联电路占一行，并联电路由其包含的几条串联电路组成，串联电路标识之间用英文空格" "分隔。

格式：

"#M"+电路编号+":"+”[”+串联电路信息+" "+....+" "+串联电路信息+”]”
例如：#M1:[T1 T2 T3]
该例声明了一个并联电路，由 T1、T2、T3 三条串联电路并联而成，三条串联电路的 IN 短接在一起构成 M1 的 IN，三条串联电路的 OUT 短接在一起构成 M1 的 OUT。
在本题中，并联电路M中的串联电路可以包含别的并联电路。

约束条件：

本题不考虑输入电压或电压差超过220V的情况。
输入信息以end为结束标志，忽略end之后的输入信息。
本题中的并联信息所包含的串联电路的信息都在并联信息之前输入，不考虑乱序输入的情况。
只要不因短路而造成无穷大的电流烧坏电路(如电路中的部分短接)，都是合理情况。
本次迭代考虑多个并联电路串联在一起的情况。
本题考虑一条串联电路中包含其他串联电路和并联电路的情况。例如：

T3:[VCC K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT K2-1] [K2-2 T1-IN] [T1-OUT GND]

本例中T1\T2两条串联电路是T3的一个部分，本题考虑这种类型的输入。
4、输出信息：
按开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、互斥开关、受控窗帘、二极管（见第6部分说明）的顺序依次输出所有设备的状态或参数。每个设备一行。同类设备按编号顺序从小到大输出。

输出格式：
@设备标识+设备编号+":" +设备参数值（控制开关的档位或状态、灯的亮度、风扇的转速，只输出值，不输出单位）+" "+设备所有引脚的电压（按编号从小到大顺序依次输出，电压的小数部分直接丢弃，保留整数输出，电压之间用”-”分隔）

说明：
连续调速器的档位信息保留两位小数，即使小数为0，依然显示两位小数.00。
开关状态为0（打开）时显示turned on，状态为1（合上）时显示closed
如：
@K1:turned on 32-15
@B1:190 68-17
@L1:0.60 220-176
互斥开关按1、2引脚的接通状态显示，1，2接通-1，3断开时显示closed，1，3接通-1，2断开时显示turned on。
如：
@H1:turned on
受控窗帘显示窗帘打开的百分比，如：
@S1:80%

5、家居电路模拟系列所有题目的默认规则
1）当计算电压值等数值的过程中，最终结果出现小数时，用截尾规则去掉小数部分，只保留整数部分。为避免精度的误差，所有有可能出现小数的数值用double类型保存并计算，不要作下转型数据类型转换，例如电压、转速、亮度等，只有在最后输出时再把计算结果按截尾规则，舍弃尾数，保留整数输出。

2）所有连接信息按电路从靠电源端到靠接地端的顺序依次输入，不会出现错位的情况。VCC/IN一定是第一个连接的第一项，GND/OUT一定是最后一个连接的后一项。

3）连接信息如果只包含两个引脚，靠电源端的引脚在前，靠接地端的在后。

4）调速器的输入端只会直连VCC，不会接其他设备。整个电路最多只有连接在电源上的一个调速器，且不包含在并联单路中。

5）本系列题目中元件的管脚除了互斥开关的1引脚，其他所有引脚在电路中最多只出现一次。

6、本题新增内容：
1）增加管脚电压的显示

在输出每个电器的状态信息后，再依次输出该电器每个管脚的电压。（格式详见输出信息部分）

2）电流限制

电器在工作时，过大的电流会引起电器过热，从而烧坏电路。本次迭代，每个元器件都有最大电流的设置，当实时电流超过最大电流时，在该电器输出信息的最后加入提示“exceeding current limit error”，与前面的信息之间用英文空格分隔。

例如：@B1:190 68-17 exceeding current limit error

本题各类电器的最大限定电流如下：

开关20、分档调速器18、连续调速器18、白炽灯9、日光灯5、吊扇12、落地扇14、互斥开关20、受控窗帘12、二极管8。

3）短路检测

如果电路出现无穷大的电流造成短路，所有元器件信息不输出，仅输出提示“short circuit error”

4）并联电路中包含并联

本次迭代考虑并联电路中包含并联电路的情况，即构成并联电路的串联电路可以包含别的并联电路。例如如下输入的电路，并联电路M2的其中一条串联电路T4中包含了另一条并联电路M1：

T1:[IN D2-1] [D2-2 H1-2] [H1-1 OUT]

T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]

M1:[T1 T2]

T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]

T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]

M2:[T4 T5]

5）二极管

增加二极管元件，其电路特性为：正向导通，反向截止；其电器符号如图4所示，当电流从左至右流过时，二极管导通”conduction”，电阻为0；电流从右至左流动时，二极管截止”cutoff”，电阻无穷大，相当于开关打开。

image.png

图2 二极管符号

二极管的标识符为’P’，左侧管脚编号为1，右侧管脚编号为2。

二极管如果两端电压相等，没有电流流过，分以下两种情况输出：

1、如果两端电压为0，二极管的导通/截止状态由接入方向决定，1号引脚靠近电源则状态为导通，反之为截止。
2、如果两端电压不为0，二极管导通。

2.类设计

3.新增内容
二极管类，集成自开关类，但是，需要重构原来的开关类到广义的开关类。

重构计算电压和设置效果的代码：

以前的代码设计是在检测到输入完毕后，一步同时完成计算电压，和效果的判断。考虑到这次加入了短路和新的开关——二极管，如果还是用抽象电器类的dataForCalculate方法，不仅每个具体类都将重构代码，工作繁重，且代码可读性差，因此决定大幅重构代码。
并且，前面几篇PTA作业，我没有使用电阻这一概念，是通过统计同一并联电路的电器的数量，在均分电压的方法，这次迭代，每一种电器的电阻都不一样，甚至开关都具有电阻，这就意味着要改写分配电压的方法。

（二） 答题判题程序4
1.新增题设

点击查看新增题设

1、控制设备
本题模拟的控制设备包括：开关、分档调速器、连续调速器、互斥开关。

开关：包括0和1两种状态。

开关有两个引脚，任意一个引脚都可以是输入引脚（接往电源端），而另一个则是输出引脚（接网接地端）。开关状态为0时，无论输入电位是多少，输出引脚电位为0。当开关状态为1时，输出引脚电位等于输入电位。
互斥开关：

互斥开关有3个引脚：1个是汇总引脚，另两个是分支引脚。

 

开关电路示意图如图1所示，左边是汇总引脚，编号为1；右边两个是分支引脚，右上的输出引脚为2，右下输出引脚为3。图中1、2、3引脚均可以是输入引脚，当1为输入引脚时，2、3引脚为输出引脚；1为输出引脚时，2、3引脚为输入引脚。
互斥开关只有两种状态：开关接往上面的2号引脚、接往下面的3号引脚。开关每次只能接通其中一个分支引脚，而另一个分支引脚处于断开状态。
互斥开关的默认状态为1、2引脚接通，1、3引脚断开。
图1中所示的互斥开关可以反过来接入电路，即汇总引脚接往接地端，两个分支引脚接往电源端。

6、本题新增内容：
1）增加管脚电压的显示

在输出每个电器的状态信息后，再依次输出该电器每个管脚的电压。（格式详见输出信息部分）


2）电流限制

电器在工作时，过大的电流会引起电器过热，从而烧坏电路。本次迭代，每个元器件都有最大电流的设置，当实时电流超过最大电流时，在该电器输出信息的最后加入提示“exceeding current limit error”，与前面的信息之间用英文空格分隔。

例如：@B1:190 68-17 exceeding current limit error

本题各类电器的最大限定电流如下：

开关20、分档调速器18、连续调速器18、白炽灯9、日光灯5、吊扇12、落地扇14、互斥开关20、受控窗帘12、二极管8。


3）短路检测

如果电路出现无穷大的电流造成短路，所有元器件信息不输出，仅输出提示“short circuit error”


4）并联电路中包含并联

本次迭代考虑并联电路中包含并联电路的情况，即构成并联电路的串联电路可以包含别的并联电路。例如如下输入的电路，并联电路M2的其中一条串联电路T4中包含了另一条并联电路M1：

#T1:[IN D2-1] [D2-2 H1-2] [H1-1 OUT]

#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]

#M1:[T1 T2]

#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]

#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]

#M2:[T4 T5]
5）二极管

增加二极管元件，其电路特性为：正向导通，反向截止；其电器符号如图4所示，当电流从左至右流过时，二极管导通”conduction”，电阻为0；电流从右至左流动时，二极管截止”cutoff”，电阻无穷大，相当于开关打开。

image.png 

图2 二极管符号

二极管的标识符为’P’，左侧管脚编号为1，右侧管脚编号为2。

二极管如果两端电压相等，没有电流流过，分以下两种情况输出：

1、如果两端电压为0，二极管的导通/截止状态由接入方向决定，1号引脚靠近电源则状态为导通，反之为截止。
2、如果两端电压不为0，二极管导通。

2.分析
在电路设计的最新迭代中，引脚的处理变得尤为重要。与之前的版本相比，当前迭代显著增加了对引脚的考量。因此，我需要对代码进行重构，以确保能够正确处理引脚信息。特别是对于二极管，我们需要从电路的主路径开始，按照顺序进行遍历。当遇到二极管元件时，我们需要检查其前一个引脚的编号。如果前一个引脚的编号为1，则表示电流从左至右流过二极管，此时二极管应被视为导通状态，其电阻值应设置为0。如果前一个引脚的编号为2，则表示电流从右至左流过二极管，此时二极管应被视为截止状态，其电阻值应设置为一个非常大的值。这也启发了我如果检测到断路，可以直接把这条路的所有电器设为一个特别大的值，以便后续状态检测方便。

3.短路检测
如果电路出现无穷大的电流造成短路，所有元器件信息不输出，仅输出提示“short circuit error”
在进行输出前，需要先判断是否短路，又需要改写main方法的输出代码。遍历每一条电路的每一个电器，如果发现电阻为0，更改电路的boolean的短路状态值。

4.电流限制
电器在工作时，过大的电流会引起电器过热，从而烧坏电路。本次迭代，每个元器件都有最大电流的设置，当实时电流超过最大电流时，在该电器输出信息的最后加入提示“exceeding current limit error”，与前面的信息之间用英文空格分隔。
同理，在线路类新增一个电流属性，（每次使用前，必须判断是否成功计算，以防止电流值没有及时更新），增加boolean变量，是否超出电流限制。
根据题设，先进行短路判断，如果正常，在进行电流超过限度的判断，超过限度则输出“exceeding current limit error”，否则输出相应的电器效果。

5.二极管问题
在以往的迭代设计中，都没注意引脚的判断，监测到相关电器的字符，直接new一个对象，添加到数据库中。但是二极管需要通过引脚，来判断电阻。因此，我设计的是字符串contain（"P"）,再进行正反判断，第一个引脚是1还是2，再对二极管的电阻进行赋值。

6.静态分析

这次重构通过将一个复杂的操作分解为一系列更小、更简单的步骤，显著地减少了代码的复杂性，从而使得代码的结构更加清晰，易于理解和维护。这种重构不仅简化了代码的逻辑流程，还增强了代码的可读性，更容易地理解代码的意图和功能，确保整个系统的稳定性和可靠性。

三.总结
1.对于浮点数的判断，可以定义一个方法，不需要每次都编写<1e-6之类的范围判断，以简化代码。
2.这两次迭代重构的代码很多，最好用画图，分析好每个流程需要做什么，步骤，不同的电器又需要怎么操作，想好再进行代码编写。编程仍然需要纸笔产于设计，单纯地对着屏幕走一步看一步地编写代码往往得不到好的效果，还会事倍功半。

四.课程建议
1.在最开始上课时提到PTA会给出相应的编程方法，比如可能使用到List，Map知识，到最后都PTA作业都没有实装。我们很很难找到入手的道路，甚至一路错到底，每次能对7,80的分，代码考虑不够全面，最终甚至不知道修改的方向。
2.建议增加实例讲解，尤其是PTA作业的设计思路。对于语法知识，可以在课堂上提一下最近的学习目标或者作业需要用到哪些新语法知识，好让我们在在网上自学。不要制定太宏大的方案，否则我们连学习的方向都没用。
3.课堂花大篇幅讲的设计模式与PTA作业关系不是很大。至少对我而言，到期末尾声了，我仍然没弄清楚该课程的课程学习目标。学到的设计模式，也只是在课堂实例“购物程序”中简单使用了一下，至于复杂的应用，估计该事束手无策。

五.尾声
18周的OOP课程学习使我受益匪浅，虽然对于学习路径有些迷茫，对课程作业和复习的时间安排不够妥当。但不可否认的是，该课程仍是不错的先导课，为我提供了良好的基础和引导。在后续几周的阅读《图解设计模式》和《Thinking in Java》这两本经典著作时，我发现课堂上所学 的概念和实例在这些书籍中得到了进一步的阐述和应用。虽然总体而言，我对于该课程的学习并不踏实，但相信在找到学习的方向后学习会更加深入。 >''<