四则运算生成程序-结对项目

一、github项目地址：https://github.com/wc-TST-2020/Myapp　　

　　项目参与者：李东阳（3118005055）李泽辉（3118005058）

二、PSP2.1表格

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	80	60
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	80	60
Development	开发	1510	1755
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	100	105
· Design Spec	· 生成设计文档	30	25
· Design Review	· 设计复审 (和同事审核设计文档)	40	50
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	40	50
· Design	· 具体设计	50	45
· Coding	· 具体编码	1000	1200
· Code Review	· 代码复审	50	60
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	200	220
Reporting	报告	240	200
· Test Report	· 测试报告	150	120
· Size Measurement	· 计算工作量	30	40
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结, 并提出过程改进计划	60	40
合计		1830	2015

三、效能分析

　　改进程序性能花费了两三天的时间，主要集中在对答案生成模块进行优化上，程序中消耗最大的函数也为答案生成函数。

　　由于采用了时间函数，导致生成运算式的速度最快为一秒一条，加上答案生成模块运用了链表数据结构，故内存的分配等又造成了一定的时间花销，总体

　　上运算式和答案的生成速度还比较慢。

四、设计实现过程

　　1.运算式生成模块利用随机数生成函数随机生成数字，然后随机生成加减乘除符号和自然数、真分数、带分数等运算数，最后把各项拼接成一条运算式

　　2.答案生成模块利用链表，对运算式中的各部分进行拆分和连接等操作，分步运算，设计过程如下图：

五、代码说明

　　1.生成运算式模块

char *creat_term(int max_num,int term_length){/* 生成项的函数 */
    int i, j, type, num1, num2;//num1、num2是随机生成的整数，type用来指明参与运算的数的类型
    char *term;//term用来存放最终拼接成的项
    char num_term[20];//num_term用来存放整数转换成的字符串
    char part[5][20];
    //二维数组part用来存放这次生成的项的各个组成部分
    //0、2、4列存放项，1、3列存放运算符
    term = (char *)malloc(20 * sizeof(char));//为term申请空间
    memset(term, 0x00, sizeof (char) * 20);//初始化term
    if (term_length) strcpy(term,"(");//如果这个项被分配有运算符则在项的开头加上'('
    srand((unsigned)time(NULL));//生成随机数的种子
    for(i = 0;i < term_length; i++){/* 生成项的运算符 */
        j = rand() % 4;    //生成并项的运算符
        switch(j){
            case 0: strcpy(part[2 * i + 1],"+"); break;
            case 1: strcpy(part[2 * i + 1],"-"); break;
            case 2: strcpy(part[2 * i + 1],"x"); break;
            case 3: strcpy(part[2 * i + 1],"/"); break;
        }
    }
    for(i = 0;i < term_length + 1; i++){/* 生成参与运算的数 */
        //Sleep(1000);
        //srand((unsigned)time(NULL));
        type = rand() % 10;//用随机来判定生成参与运算的数的类型
        switch(type){
            case 8://生成小于一的分数
                do{
                    strcpy(part[2 * i],"(");//在分数前加上'('来区分分数和除运算
                    //srand((unsigned)time(NULL));
                    do{
                        num1 = rand() % max_num + 1;//生成分母
                        num2 = rand() % num1 + 1;//生成分子
                        num1 = num1 / common_divisor(num1,num2);//化简
                        num2 = num2 / common_divisor(num1,num2);
                    }while(num1 <= num2);/*避免生成非真分数*/

                    itoa(num2,num_term,10);//将分子转换成字符串
                    strcat(part[2 * i],num_term);//将二维数组的相应列与生成的字符串拼接起来
                    strcat(part[2 * i],"/");//将二维数组的相应列与'/'拼接起来
                    itoa(num1,num_term,10);//将分母转换成字符串
                    strcat(part[2 * i],num_term);//将二维数组的相应列与生成的字符串拼接起来
                    strcat(part[2 * i],")");//在分数前加上')'来区分分数和除运算
                }while(num1 == num2);/*避免生成 m/m 类型的分数*/
                break;
            case 9://生成大于一的分数
                do{
                    strcpy(part[2 * i],"(");//在分数前加上'('来区分分数和除运算
                    //srand((unsigned)time(NULL));
                    do{
                        num1 = rand() % max_num + 1;//随机生成分数的小数部分
                    }while(num1 >= max_num);/*保证生成的分数在指定范围内*/
                    itoa(num1,num_term,10);//将生成的整数转换成字符串
                    strcat(part[2 * i],num_term);//将二维数组的相应列与生成的字符串拼接起来
                    strcat(part[2 * i],"'");//将二维数组的相应列与'''拼接起来
                    //srand((unsigned)time(NULL));/*以下与生成小于一的分数类似*/
                    do{
                        num1 = rand() % max_num + 1;
                        num2 = rand() % num1 + 1;
                        num1 = num1 / common_divisor(num1,num2);//化简
                        num2 = num2 / common_divisor(num1,num2);
                    }while(num1 <= num2);/*避免生成非真分数*/

                    itoa(num2,num_term,10);
                    strcat(part[2 * i],num_term);
                    strcat(part[2 * i],"/");
                    itoa(num1,num_term,10);
                    strcat(part[2 * i],num_term);
                    strcat(part[2 * i],")");//在分数前加上')'来区分分数和除运算
                }while(num1 == num2);/*避免生成 m/m 类型的分数*/
                break;
            default://随机数为0~7则生成整数
                //srand((unsigned)time(NULL));
                num1 = rand() % max_num + 1;//随机生成指定范围内的整数
                itoa(num1,part[2 * i],10);//将生成的整数转换成字符串并将其存放在二维数组part的相应位置上
                break;
        }
    }
    for(i = 0; i < 2 * term_length + 1; i++){/* 将二维数组中的各列拼接成项 */
        if(i) strcat(term," ");//在运算符前面加一个空格
        strcat(term,part[i]);
    }
    if (term_length) strcat(term,")");
    return term;
}
//我将不是项里面的运算符成为主干运算符
char *creat_operation(int max_num){//系统会把空格读成第一个元素//int argc,char *argv[]
    int formula_length, i, j;//formula_length指的是生成的运算式的长度，即运算的运算符数目
    int term_length[5];
    //term指的是运算式各部分被分配的运算符数目，
    //term_length[0]是运算式主干被分配的运算符数目，
    //term_length[1~4]是运算式第1到第4项被分配的运算符数目
    char *term;//term用来存放最终生成的运算式
    char part[7][100];
    //二维数组part用来存放生成的运算式的各个部分，
    //0、2、4、6列存放项，1、3、5列存放运算符
    term = (char *)malloc(100 * sizeof(char));//为term申请空间
    memset(term, 0x00, sizeof (char) * 100);//初始化term
    //库函数memset(<字符指针>,<命令(0x00是将字符数组置空)>,<长度>)是用来初始化字符数组的
    strcpy(term," ");//本来是用来初始化
    srand((unsigned)time(NULL));//生成随机数的种子
    formula_length = rand() % 3 + 1;
    for(i = 0; i < 7; i++){//初始二维数组part
        strcpy(part[i]," ");//起初写这个语句是因为输出的字符串出现了乱码
    }                        //不过后来才清楚出现乱码是因为term没有初始化
    for(i = 0; i < 5; i++){//初始term_length，这一步是必要的
        term_length[i] = 0;
    }
    ++term_length[0];//主干运算符必须要有一个
    //srand((unsigned)time(NULL));
    for(i = formula_length - 1; i ; i--){//随机分配运算符
        j = rand() % 5;
        ++term_length[j];
    }
    //srand((unsigned)time(NULL));
    for(i = 0;i < term_length[0]; i++){ /* 为运算式生成运算符(主干运算符) */
        j = rand() % 4;
        switch(j){
            case 0: strcpy(part[2 * i + 1],"+"); break;
            case 1: strcpy(part[2 * i + 1],"-"); break;
            case 2: strcpy(part[2 * i + 1],"x"); break;
            case 3: strcpy(part[2 * i + 1],"/"); break;
        }
    }
    for(i = 0; i < term_length[0] + 1; i++){ /* 生成项 */
        Sleep(1000);//延迟一秒，不然输出的项是相同的
        strcpy(part[2 * i],creat_term(max_num,term_length[i + 1]));
    }
    for(i = 0; i < 2 * term_length[0] + 1; i++){ /* 拼接成运算式 */
        if(i) strcat(term," ");//运算符前后加上空格
        strcat(term,part[i]);
    }
    strcat(term," = ");//在运算式的最后加上'='
    return term;

　　2.答案生成模块

float fraction(float num1,float num2,float num3){//计算非真分数的函数
    num2 = num2 / num3;
    return num1 + num2;
}

float creat_part_answer(LinkedList &List){//关键函数，已经验证过，可以使用。但是没有释放掉无用的动态空间，有可能会发生内存泄漏，未来需要改进这一点
    LinkedList temp1, temp2, temp3, PartList;
    creat_LinkedList(PartList);
    temp1 = List->next;//temp1用来检查节点
    temp1 = temp1->next;//初始化指向
    while(temp1 != List->next){
        if(temp1->sign == 6){//若找到（
            temp2 = temp1->next;//temp2寻找相应的temp1指向的（对应的）
            while(1){
                if(temp2->sign == 7 && temp1->tag - temp2->tag == 1) break;
                insert_LinkedList(PartList,temp2->num,temp2->sign,temp2->tag);//将成对的括号里的内容截取到另一个独立的单循环链表里
                temp2 = temp2->next;
            }
            temp1->num = creat_part_answer(PartList);//将括号里的计算结果放入（所在的节点
            temp1->sign = 0;//将temp1转化成存放数字的节点
            temp1->tag = 0;//
            if(List == temp2) List = temp1;//如果参与运算的内容有运算式末端的数字或运算符，则将List指向存放运算结果的节点
            temp1->next = temp2->next;//删除已经参与运算的内容
        }
        temp1 = temp1->next;
    }
    temp1 = List->next;
    temp2 = temp1;
    temp1 = temp1->next;
    while(temp1 != List->next){//寻找非真分数的标志'
        if(temp1->sign == 5){//以2'3/4为例，temp1指向的是’，temp2指向的是2
            temp1 = temp1->next;//将temp1的指向改为3
            temp3 = temp1->next->next;//temp3指向4
            temp2->num = fraction(temp2->num,temp1->num,temp3->num);//将运算结果存放在temp2指向的节点
            if(temp3 == List) List = temp2;
            temp2->next = temp3->next;//去除运算式中已经参与运算的部分
            temp1 = temp2->next;//调整temp1,为下一次循环做准备
            continue;
        }
        temp2 = temp1;
        temp1 = temp1->next;
    }
    temp1 = List->next;
    temp2 = temp1;
    temp1 = temp1->next;
    while(temp1 != List->next){
        if(temp1->sign == 3 || temp1->sign == 4){//检测到有运算符乘或除，temp1指向运算符，temp2指向被乘数或被除数
            temp3 = temp1->next;//temp3指向乘数或除数
            temp2->num = calculate(temp2->num,temp3->num,temp1->sign);//将运算结果存放在temp2指向的节点
            if(List == temp3) List = temp2;
            temp2->next = temp3->next;//去除运算式中已经参与运算的部分
            temp1 = temp2->next;//调整temp1,为下一次循环做准备
            continue;
        }
        temp2 = temp1;
        temp1 = temp1->next;
    }
    temp1 = List->next;
    temp2 = temp1;
    temp1 = temp1->next;
    while(temp1 != List->next){
        if(temp1->sign == 1 || temp1->sign == 2){//检测到有运算符加或减，temp1指向运算符，temp2指向被加数或被减数
            temp3 = temp1->next;//temp3指向加数或减数
            temp2->num = calculate(temp2->num,temp3->num,temp1->sign);
            if(List == temp3) List = temp2;
            temp2->next = temp3->next;//去除运算式中已经参与运算的部分
            temp1 = temp2->next;//调整temp1,为下一次循环做准备
            continue;
        }
        temp2 = temp1;
        temp1 = temp1->next;
    }
    return List->num;
}

float create_answer(char *operation){
    LinkedList List;//存放运算式的链表
    char *TempOperation;//存放运算式的字符串
    char TempPart[20];//存放被截取的一部分的运算式的字符串
    int flag;//控制是否将数字字符串转换成整型的开关
    int sign;//运算符的抽象代表
    int tag = 1;//括号的编号
    int IntNum;//转换成整型的字符串
    float FloatNum;//转换成浮点型的字符串
    int i, j;//你懂的
    TempOperation = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
    memset(TempOperation, 0x00, sizeof (char) * 100);//初始化
    creat_LinkedList(List);//初始化链表
    strcpy(TempOperation,operation);//如果输入的字符串就是运算式
    for(i = 0; i < 20; i++){TempPart[i] = '\0';}
    i = 0;
    j = 0;
    flag = 0;
    while(TempOperation[i] != '\0'){//将运算式拆散并装入链表
        if(TempOperation[i] >= '0' &&TempOperation[i] <= '9'){//获取数字字符
            TempPart[j] = TempOperation[i];
            j++;
        }
        if(j > 0 && (TempOperation[i + 1] < '0' || TempOperation[i + 1] > '9')) {//获取字符完毕，将其转换换成字符串
            TempPart[j] = '\0';
            flag = 1;
        }
        if(flag == 1){//将获取的数字字符串转换成整型，进而转换成浮点型
            IntNum = atoi(TempPart);
            FloatNum = (float) IntNum;
            insert_LinkedList(List,FloatNum,0,0);
            //sign是运算符（0是数字，1是加，2是减，3是乘，4是除，5是'，6是（，7是））
            //tag是括号的编号
            flag = 0;
            j = 0;
        }
        //将运算符装入单循环链表
        if(TempOperation[i] == '+' || TempOperation[i] == '-' || TempOperation[i] == 'x' || TempOperation[i] == '/' || TempOperation[i] == 39 || TempOperation[i] == '(' || TempOperation[i] == ')'){
            switch (TempOperation[i]) {
                case '+':
                    sign = 1;
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,0);//装入加号
                    break;
                case '-':
                    sign = 2;
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,0);//装入减号
                    break;
                case 'x':
                    sign = 3;
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,0);//装入乘号
                    break;
                case '/':
                    sign = 4;
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,0);//装入除号
                    break;
                case 39:
                    sign = 5;
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,0);//装入字符 '
                    break;
                case '(':
                    sign = 6;
                    tag++;//设置括号编号
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,tag);//装入括号（，和对应编号
                    break;
                case ')':
                    sign = 7;
                    tag--;//设置括号编号
                    insert_LinkedList(List,0.0,sign,tag);//装入括号），和对应编号
                    break;
            }
        }
        i++;
    }
    return creat_part_answer(List);
}

//将计算结果从小数（浮点型）转化成分数（字符串）
char* creat_char_answer(float answer, int max_num){//answer是输入的小数答案，max_num本来是控制参与运算的数的范围，如今用来控制分数精度
    char *char_answer;//存放最终结果的字符串
    char part_num[20];
    int IntAnswer;
    int num1, num2, i, j;
    float FloatAnswer;
    IntAnswer = (int) answer;//截取整数部分
    FloatAnswer = answer - (float)IntAnswer;//截取小数部分（有误差）
    char_answer = (char *)malloc(20 * sizeof(char));
    memset(char_answer, 0x00, sizeof (char) * 20);
    for(i = 0; i < 20; i++){//初始化存放一部分整数的字符数组
        part_num[i] = '\0';
    }
    if(FloatAnswer == 0.0 || (FloatAnswer == 0.0 && IntAnswer == 0)){//如果答案为零就输出0
        itoa(IntAnswer,char_answer,10);
        return char_answer;
    }
    if(IntAnswer == 0){//如果答案为小于一的小数
        for(i = 1; i <= max_num; i++){
            num2 = i;
            for(j = 1; j <= max_num; j++){
                num1 = j;
                if(answer == (float)num1 / (float)num2){//重新计算，挑选出结算结果和答案一致的两个整数
                    break;
                }
            }
            if(answer == (float)num1 / (float)num2){
                break;
            }
        }
        itoa(num1,char_answer,10);
        itoa(num2,part_num,10);
        strcat(char_answer,"/");
        strcat(char_answer,part_num);
    }
    if(IntAnswer != 0 && FloatAnswer != 0.0){//如果答案为大于一的小数
        itoa(IntAnswer,char_answer,10);
        strcat(char_answer,"'");
        for(i = 1; i <= max_num; i++){
            num2 = i;
            for(j = i; j <= max_num; j++){
                num1 = j;
                if(answer == (float)num1 / (float)num2){//重新计算，挑选出结算结果和答案一致的两个整数
                    break;
                }
            }
            if(answer == (float)num1 / (float)num2){
                break;
            }
        }
        /*num1 = num1 / common_divisor(num1,num2);//化简
        num2 = num2 / common_divisor(num1,num2);*/
        if(answer == (float)num1 / (float)num2){
            num1 = num1 - num2 * IntAnswer;
        }

        itoa(num1,part_num,10);
        strcat(char_answer,part_num);
        strcat(char_answer,"/");
        itoa(num2,part_num,10);
        strcat(char_answer,part_num);
    }
    if(num1 == num2){//如果转换失败则返回ERROR字符串
        strcpy(char_answer,"ERROR");
        return char_answer;
    }
    return char_answer;
}

　　3.求最大公因数函数

int common_divisor(int n,int m){//求最大公因数
    int temp,r;//把大的数放在n里面
    if(n<m){
        temp=n;
        n=m;
        m=temp;
    }
    while(m!=0){
        r=n%m;
        n=m;
        m=r;
    }
    return n;//返回最大公因数
}

　　4.头文件和结构体等

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <string.h>
# include <windows.h>
# include <ctime>



typedef struct LinNode{//结构体，包含有参与运算的数字、运算符的代号、括号的编号
   float num;
   int sign;
   int tag;
   struct LinNode *next;
}LinNode, *LinkedList;

int creat_LinkedList(LinkedList &List){//创建一个空的单循环链表
    List = (LinkedList)malloc(sizeof(LinNode));
    if(List == NULL) return -1;
    List->next = List;
    return 1;
}

int  insert_LinkedList(LinkedList &List,float num,int sign,int tag){//向单循环链表里插入节点
    LinkedList temp;
    temp = (LinkedList)malloc(sizeof(LinNode));
    if(temp == NULL) return -1;
    temp->num  = num;
    temp->sign = sign;
    temp->tag = tag;
    temp->next = List->next;
    List->next = temp;
    List = temp;
    return 1;
}

　　5.主函数

int main(int argc,char *argv[]){//主函数
    int i, number = 10000;//number用来控制生成题目的数量，默认是10000
    int Max = 0; //Max用来控制生成参与运算的数字的最大值
    int flag = 0;//flag用来检测是否有输入参与运算的数的最大值
    char *term;//term用来存放完成初次处理的字符串
    char times[100];//times用来存放完成最终处理的字符串
    for(i = 0; i < argc; i++){//检测输入的指令
        if(strcmp(argv[i],"-n") == 0){//检测到有输入指令 -n
            number = atoi(argv[++i]);//将生成题目的数量改成输入的数
        }
        if(strcmp(argv[i],"-r") == 0){//检测到有输入指令 -r
            Max = atoi(argv[++i]);//将Max设置为输入的数
            flag = 1;//设置已经输入Max的标志
        }
    }
    if(flag == 0){//如果没有输入Max的指令
        printf("input the max number\n");//提示
        return -1;//结束运行
    }
    FILE *fpWrite1 = fopen("Exercises.txt","w");//创建存放运算式的文件
    FILE *fpWrite2 = fopen("Answers.txt","w");//创建存放计算结果的文件
    if(fpWrite1 == NULL || fpWrite1 == NULL){//创建失败，则提示异常并结束程序的运行
        printf("fail to open file\n");
        return -1;
    }
    for(i = 0; i < 100; i++){//初始化存放最终结果的字符数组
        times[i] = '\0';
    }
    term = (char *)malloc(100 * sizeof(char));//申请动态空间
    memset(term, 0x00, sizeof (char) * 100);//初始化存放完成初步处理的字符串的字符指针
    for(i = 0; i < number; i++){//开始生成运算式
        do{
            strcpy(term,creat_operation(Max));//将生成的运算式复制到term
        }while(create_answer(term) < 0 || strcmp(creat_char_answer(create_answer(term),1000),"ERROR") == 0);//如果生成的运算式不符合要求则重新生成
        itoa(i+1,times,10);//将运算式序号转化成字符串
        strcat(times," :");
        strcat(times,term);//将序号和运算式连接起来
        strcat(times,"\n");
        puts(times);//输出运算式
        fputs(times, fpWrite1);//将完成最终处理的运算式存入指定文件中
        itoa(i+1,times,10);//将答案序号转化成字符串
        strcat(times," :");
        strcat(times,creat_char_answer(create_answer(term),1000));//将序号和答案连接起来
        strcat(times,"\n");
        puts(times);//输出答案
        fputs(times, fpWrite2);//将完成最终处理的答案存入指定文件中
    }
    fclose(fpWrite1);//关闭存放运算式的文件
    fclose(fpWrite2);//关闭存放答案的文件
    return 0;
}