BUAA软工__个人项目作业
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 这个作业属于哪个课程 | 2020春季计算机学院软件工程(罗杰 任健) (北京航空航天大学 - 计算机学院) |
| 这个作业的要求在哪里 | 个人项目作业 |
| 我的教学班级 | 005 |
| 这个项目的GitHub地址 | https://github.com/LastWhisper1/IntersectionCounter |
PSP项目表格
| PSP2.1 | Personal Software Process Stages | 预估耗时（分钟） | 实际耗时（分钟） |
|---|---|---|---|
| Planning | 计划 | ||
| · Estimate | · 估计这个任务需要多少时间 | 10 | 5 |
| Development | 开发 | ||
| · Analysis | · 需求分析 (包括学习新技术) | 240 | 180 |
| · Design Spec | · 生成设计文档 | 90 | 60 |
| · 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) | 10 | 10 |
| · Design | · 具体设计 | 60 | 90 |
| · Coding | · 具体编码 | 90 | 90 |
| · Code Review | · 代码复审 | 20 | 20 |
| · Test | · 测试（自我测试，修改代码，提交修改） | 90 | 180 |
| Reporting | 报告 | ||
| · Test Report | · 测试报告 | 30 | 30 |
| · Size Measurement | · 计算工作量 | 30 | 30 |
| · Postmortem & Process Improvement Plan | · 事后总结, 并提出过程改进计划 | 30 | 30 |
| 合计 | 730 | 755 |
从实际结果来看，整个项目的实现时间还是太长了。我码代码的能力果然还是令人捉急，虽然前期有过很复杂的想法，但在具体编码时并没有得到实现，对最后的程序性能也不太满意。虽然不熟悉C++可以作为一部分原因，但总的来说在效率上还是有很大的提升空间，今后还是要加强自己的编码能力，避免有想法而实现不了的情况。
解题思路描述
为了避免各种误差对结果造成的影响，解题中避免了使用浮点数，具体的实现方式上，使用了以下三个类：
1. 直线类Line
直线采用最万能的标准式
来保存，通过给定的两点计算出三个参数即可，并且无需化简。
这个类中还实现了检验两条直线是否平行的函数，由于不考虑重合，只需对两条直线
验证是否成立
即可。
2. 交点类Intersection
题目要求已经确保直线不会重合，通过函数验证两条直线不平行后，方程
的唯一解是
在保存时，分别保存\(x, y\)的分子和分母（都是整数），这样就避免了浮点数导致的精度问题。如果接下去考虑把圆加进来的话，可以再额外保存根式下的分子和分母。但程序中没有实现圆相关的部分，故不再赘述。
3. 交点数统计类Counter
每读入一条直线便与每一条现有直线比较，若两条直线不平行，则计算交点值并放入set容器中，最后将新读入的直线放入vector容器中。这样做的话，如果使用unordered_set，在平均情况下的时间复杂度为\(O(n^{2})\)，若使用set则为\(O(n^{2}logn)\)。
在set与unordered_set的选择中，发现程序在输入规模 \(N = 10000\) 时，使用set会导致超过60秒时间限制，但使用unorder_set会导致bad_alloc异常。经过权衡，既然想不到更好的方法提升性能，不如使用set尽可能保证准确性，也能避免使用unorder_set后因hash函数导致的bug。
4. 优化上的一些没实现的想法
程序中，存储和计算交点是必不可少的工作量。对每个交点，如果在计算中，发现直线通过某个交点，那么该直线和通过这个交点的所有直线，都不可能再有其他交点，这样就可以省去和一些直线计算交点的步骤。考虑到性能测试中交点个数\(h\)远小于\(N(N-1)/2\)，暗示多线共点的情况较多，那么这种方法能起到比较大的优化作用。
针对平行线的优化可能收效不大，举个例子，若一条直线与一组\(m\)条平行线中的某一条相交，可以知道该直线与该组平行线共产生了\(m\)个交点，但由于存在多线共点的情况，仍需要计算每个交点的位置。
设计实现过程
如上一段所说，我实现了Line，Intersection，Counter三个类，并采用了上面所说的容器。在命令行参数的识别上，采用比较普通的while循环来实现参数的读取和处理。下面主要讲一下使用的测试方法与测试样例的构建。
在构建的单元测试样例中，我做了基本的功能测试和边界测试。在基本的功能测试中，我尽可能测试了每个函数的功能是否正确，包括直线标准式是否正确、交点计算是否正确（也就是Line和Intersection的构造函数），同时构建了几个比较基础的样例测试。在边界测试中，考虑了诸如边界点确定直线、两条直线的交点非常接近的情况进行样例构建，测试结果并没有问题。下面这张图描述了其中一个测试样例的构建：
在性能方面的压力测试中，我另写了一个cpp文件（代码不在git仓库中），使用随机生成的方法构建大量样例。虽然这样生成的直线并不能保证不重合（实际上概率非常小），但在我自己的程序逻辑中，两条直线重合被视为平行，不会引发崩溃性的bug，故在性能测试中可以接受。实际上，随机生成的直线几乎不存在平行或重合的情况，得出的交点数基本都是\(N(N-1)/2\)。
程序性能改进
程序写好以后，实际上并没有做大的框架上的改动，但在细节处理上还是改过很多地方。例如，判断两条直线是否平行的函数和Counter类中插入新直线的函数，由于函数体较为简短，故改成了inline函数提高性能。另外，程序中还尝试使用double代替之前介绍的分数表示方法来存储交点，实际显示性能提升不是那么明显。如下是在使用set容器存储交点集合，\(N = 5000\)时性能测试的截图：
从截图中可以看出，程序运行时间中相当一部分都在set的RB树构建上（当然之前测试的时候也对其他时间占比较大的地方进行了优化）。
若把set替换成unordered_set的话，性能会有比较明显的提升（经测试，在相同\(N\)值下，平均可减少\(1/3\)执行时间），但由于没办法很好解决掉内存分配异常的问题，加上hash函数可能存在错误，故还是采用set容器尽可能保证程序正确性。
关键代码说明
首先展示交点的构造函数，这里的A1, B2等使用了宏定义，对应了两条直线标准式的相应参数，具体含义之前的部分已经提及：
Intersection::Intersection(Line* line1, Line* line2) {
int xnume = C1 * B2 - C2 * B1;
int xdeno = B1 * A2 - B2 * A1;
int ynume = A1 * C2 - A2 * C1;
int ydeno = xdeno;
}
代码中的xnume对应交点x坐标的分子，xdeno对应x的分母，y坐标依此类推。通过分子分母分别存储的方法，避免了浮点数可能带来的精度问题。
下面是整个程序的核心函数CountIntersections：
int Counter::CountIntersections() {
for (size_t i = 0; i < lineSet->size(); i++) {
Line* line1 = lineSet->at(i);
for (size_t j = 0; j < i; j++) {
Line* line2 = lineSet->at(j);
if (!line1->isParallel(line2)) {
Intersection intsec(line1, line2);
intersectionSet->insert(intsec);
}
}
}
return intersectionSet->size();
}
代码的逻辑在上文中已经介绍过了，这段函数中的isParallel()为平行线的判定函数，并写成了内联函数以提高性能。若想要继续提高这个函数的性能，除了将set改成unordered_set之外，只能从循环条件出发，略去一些不必要的交点计算。
Code Quality Analysis截图
还请老师助教提出批评意见。
3/10追记：在和结对搭档对拍程序的时候，发现了比较严重的bug，初步判断是Intersection类中运算符重载错误引起的，但短时间内难以找出消除bug的方法。在之前和搭档对double精度的讨论中，同伴的观点是double精度足够完成实验需求，所以在最后一次提交时，利用程序中预留的宏定义开关将Intersection类改为double实现，直接存储交点x, y坐标的double值（在博客代码的基础上做除法即可得到）。
