四则运算题目的生成

四则运算题目的生成

github地址：https://github.com/gomevie/gomevie/tree/master

这个作业属于哪个课程	广工计院计科34班软工
这个作业要求在哪里	作业要求
这个作业的目标	生成数学四则运算的练习题和答案
作业成员	陈国威 3122004559

PSP表格

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	60	60
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	600	650
Development	开发	40	60
· Analysis	· 需求分析（包括学习新技术）	60	50
· Design Spec	· 生成设计文档	30	25
· Design Review	· 设计复审	30	30
· Coding Standard	· 代码规范（为目前的开发制定合适的规范）	20	20
· Design	· 具体设计	50	45
· Coding	· 具体编码	120	120
· Code Review	· 代码复审	25	30
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	60	45
Reporting	报告	60	90
· Test Report	· 测试报告	20	25
· 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	20	30
合计		615	650

代码简解

导入模块：
random：用于生成随机数。
sympy：用于数学表达式的解析和计算。
argparse：用于处理命令行参数。

全局变量：
operate：一个字典，用于将运算符映射到它们的字符串表示。

函数定义：
save_data：将表达式和结果保存到两个文件中。
calculate_expression：计算数学表达式并返回结果的分数形式。
is_true_fraction：检查表达式是否为真分数。
is_valid_expression：检查表达式是否有效。
generate_true_fraction：生成一个真分数。
generate_expressions：生成指定数量的四则运算表达式。
main：主函数，生成表达式并保存到文件。
read_answers：从文件中读取答案。
compare_answers：比较正确答案和学生答案。
write_grades_to_file：将成绩统计结果写入文件。
calculate_grades：计算并记录学生答案的正确率。

命令行参数处理：
使用argparse库来定义和解析命令行参数。
参数包括题目数量、运算最大值、学生答案文件名、正确答案文件名和输出文件名。

主程序：
如果没有提供学生和正确答案文件，将生成新的表达式和答案。
如果提供了学生和正确答案文件，将比较答案并生成成绩统计。

错误处理：
在多个地方使用了异常处理来捕获错误，并在发生错误时返回错误信息。
下面是项目的流程图：

函数精解

generate_expressions(max_value, count)

功能
生成指定数量的四则运算表达式。

实现细节
1.使用random.sample随机选择1到3个运算符。
2.循环遍历运算符，生成两个随机真分数，并构建表达式。
3.随机添加括号，以增加表达式的复杂性。

calculate_expression(expression)
功能
计算给定的数学表达式，并将其结果转换为分数形式。

实现细节
1.使用sympify函数解析和计算表达式。
2.如果结果是整数，直接转换为整数。
3.如果结果不是整数，转换为分数形式，并限制分母的大小。

save_data(data, filename_expressions, filename_results)
功能
将生成的表达式及其计算结果保存到文件中。

实现细节
1.使用with open打开两个文件，一个用于保存表达式，另一个用于保存结果。
2.遍历数据，将表达式和结果写入对应的文件。

read_answers(filename)
功能
从文件中读取答案。

实现细节
1.使用with open打开文件。
2.读取每一行，并去除空白字符。

compare_answers(correct, student)
功能
比较正确答案和学生的答案。

实现细节
1.遍历正确答案和学生答案，比较它们是否相同。
2.计算正确和错误的答案数量。

write_grades_to_file(correct_count, wrong_count, correct_list, wrong_list, output_file)
功能
将成绩统计结果写入文件。

实现细节
1.使用with open打开文件。
2.将正确和错误的答案数量以及对应的题目编号写入文件。

calculate_grades(correct_answers_file, student_answers_file, output_file)
功能
整合读取答案、比较答案和写入成绩的流程。

实现细节
1.调用read_answers读取正确答案和学生答案。
2.调用compare_answers比较答案。
3.调用write_grades_to_file将结果写入文件。

main(max_value, count)
功能
程序的主函数，生成表达式并保存结果。

实现细节
1.检查输入参数的有效性。
2.调用generate_expressions生成表达式。
3.调用save_data保存结果。

代码的主要功能是生成数学表达式和答案，然后比较学生的答案和标准答案。关键函数包括生成表达式、计算表达式、保存数据、读取数据、比较答案和写入成绩。

性能分析

性能分析的目的在于识别程序中的性能瓶颈，以便进行必要的优化。为此，利用了Python的cProfile模块来收集程序运行时的性能数据，如图：

主要性能瓶颈
分析结果显示，generate_expressions函数是程序中运行时间最长的部分，平均耗时0.353秒。该函数负责生成数学表达式，其性能对整个程序的响应速度有直接影响。

此外，main函数也显示出较高的耗时，平均耗时0.354秒。由于main函数是程序的入口点，并且调用了generate_expressions，因此其性能同样关键。

is_valid_expression和is_true_fraction函数虽然单独的运行时间不长，但它们在程序中被频繁调用，累计耗时分别为0.153秒和0.0961秒，表明这些函数的总体影响可能比单个调用的耗时要大。

calculate_expression函数的运行时间为0.0965秒，考虑到其在表达式计算中的核心作用，这一部分的性能同样值得关注。

Sympy库中的sympify和parse_expr函数也显示出了较高的耗时，分别为0.319秒和0.308秒。这些函数用于解析和处理数学表达式，它们的性能直接影响到程序的计算效率。

性能数据分析
从性能数据中可以看出，程序的性能在很大程度上受到数学表达式生成和解析函数的影响。这些函数的运行时间占据了程序总运行时间的大部分。

结论
性能分析揭示了Myapp.py的性能特点和潜在瓶颈。虽然当前的分析并未涉及具体的优化措施，但它为未来的性能改进提供了重要的数据支持和方向指导。通过识别出关键函数的性能表现，可以更有针对性地进行后续的优化工作。

单元测试

概述
单元测试是软件开发过程中的关键环节，旨在验证程序的各个独立组件是否按预期工作。本次测试针对的是“四则运算”项目中的表达式计算功能，测试脚本位于test_and_analysis目录下。

测试范围
测试覆盖了以下几种情况：

正常表达式，结果为整数：
测试用例验证了程序能够正确计算整数结果的表达式。

正常表达式，结果为分数：
测试用例验证了程序能够正确计算分数结果的表达式。

正常表达式，结果为带分数：
测试用例验证了程序能够正确处理和计算带分数的表达式。

含错误的表达式：
测试用例验证了程序能够识别并提示错误信息的无效表达式。

测试方法
测试使用了Python的unittest框架，通过断言（assert）来验证每个测试用例的预期结果。测试脚本包括：
test_calculate_expression()：测试计算表达式的功能。

测试结果
测试结果显示，所有测试用例均通过，没有发现错误或异常行为。

测试代码

def test_calculate_expression():
  # 正常表达式，结果为整数
  assert calculate_expression("2+2") == "4"
  assert calculate_expression("299+201") == "500"

   # 正常表达式，结果为分数
  assert calculate_expression("1/2 + 1/3") == "5/6"
  assert calculate_expression("1/18 + 2/9") == "5/18"

  # 正常表达式，结果为带分数
  assert calculate_expression("3+2/3") == "3'2/3"
  assert calculate_expression("1/2+2/3") == "1'1/6"

  # 含错误的表达式
  assert calculate_expression("a+b").startswith("Error:")
  assert calculate_expression("2 + /3").startswith("Error:")

`
分析
测试结果表明，程序能够正确处理各种类型的数学表达式，并在遇到无效输入时给出适当的错误提示。这表明计算表达式的函数具有良好的健壮性和准确性。

结论
单元测试为程序的可靠性提供了有力的证据。所有测试用例的成功执行表明，当前版本的计算表达式功能符合预期，可以进行后续的集成和系统测试。

终端测试

概述
错误处理是确保软件健壮性的重要部分。通过测试程序对错误输入和异常情况的处理，可以验证程序的稳定性和用户友好性。

测试范围
本次测试专注于验证程序对以下错误情况的处理：

非法的命令行参数：
测试程序对负数题目数量和未提供的运算最大值的处理。

文件不存在：
测试程序在读取不存在的文件时的错误提示。

测试方法
测试通过直接在命令行中输入特定的参数来进行。测试脚本包括：

输入负数题目数量和未提供的运算最大值。
指定不存在的文件作为输入。

测试结果
测试结果显示，程序能够正确识别并处理错误情况，具体如下：

非法的命令行参数：

输入负数题目数量时，程序抛出ValueError，提示“参数必须是给定的自然数。”
未提供运算最大值时，程序同样抛出ValueError，提示“运算最大值必须是给定的自然数。”
文件不存在：
当尝试读取不存在的文件时，程序抛出FileNotFoundError，并明确指出文件不存在。

分析
测试结果表明，程序具备良好的错误识别和处理能力。对于非法的命令行参数和不存在的文件，程序能够给出清晰的错误提示，帮助用户了解问题所在。

结论
通过本次测试，验证了程序在遇到错误输入和异常情况时的稳定性和用户友好性。程序的错误处理机制能够有效地指导用户进行正确的操作，提高了程序的健壮性和可靠性。

总结

该项目成功实现了一个四则运算表达式生成与计算的应用程序。程序以其高效的算法和全面的错误处理机制为亮点，确保了在面对各种输入时都能稳定运行并给出准确的反馈。用户界面简洁直观，便于用户快速理解和操作。

程序在处理表达式生成和计算方面展现了出色的性能，同时能够优雅地处理异常情况，为用户提供了有用的错误信息，从而提升了整体的用户体验。此外，程序的文档齐全，增强了其可维护性和可扩展性。