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Java题目集4~6

前言
本次博客围绕题目集4-6展开讨论，重点分析它们的代码实现和优化。三次题目集分别从“答题判题程序”到“家居强电电路模拟”的系统开发

三次题目集的总结
题目特点：
4 答题判题程序-4：程序复杂度显著提升，加入了多选题、填空题判分逻辑。重点在数据解析、面向对象设计和异常处理。
5 家居强电电路模拟-1：模拟智能家居的基本电路功能，实现了设备的串联连接和状态模拟。
6 家居强电电路模拟-2：进一步拓展了家居电路功能，加入了电压计算、复杂设备控制及并联场景。
技术层次：三次题目逐步增强了抽象设计能力，涵盖了多态应用、输入输出处理以及系统化的建模。
难度分析：
题目集4-6涉及逻辑复杂度和输入多样性，增加了对编码细致性的要求，尤其是边界条件和鲁棒性处理。
本文将对这三次题目的设计、代码分析、踩坑心得并结合开发过程中遇到的问题和经验，总结改进思路。

1.设计与分析
4 答题判题程序-4：目标：在已有的单选题基础上，增加多选题和填空题判分功能。核心功能包括：输入与数据解析：输入题目信息、试卷信息、学生答卷和删除信息。任意顺序的输入要求了对解析函数的鲁棒性。
判分逻辑：单选题严格匹配答案。多选题支持部分正确（Partial Correct）。填空题支持多种标准答案的匹配。
异常与边界处理：输入格式校验。错误引用题号提示。
类设计：核心类如下：
Question 抽象类：定义通用接口。
SingleChoiceQuestion：实现单选题判分逻辑。
MultiChoiceQuestion：多选题支持部分正确。
FillBlankQuestion：填空题支持多答案匹配。

多态实现判分逻辑：
abstract int calculateScore(String answer, int maxScore);
具体子类通过覆盖实现差异化评分。
部分正确逻辑（多选题）：
String getPartialCorrect(String answer) {
Set givenAnswers = new HashSet<>(Arrays.asList(answer.split(" ")));
if (givenAnswers.equals(correctAnswers)) return "true";
else if (givenAnswers.isEmpty() || givenAnswers.stream().anyMatch(a -> !correctAnswers.contains(a))) return "false";
return "partially correct";
}
关键问题：
输入格式问题：乱序输入对解析的要求较高，错误格式易引发异常。
代码复杂性：主类Main负责所有数据解析与判分逻辑，职责分散。

5 家居强电电路模拟程序-1
设计目标：构建基础电路模拟系统，包括设备的状态模拟和电路连接验证。
核心功能包括：
设备模拟：
控制设备：开关、分档调速器、连续调速器。
负载设备：白炽灯、日光灯、吊扇。

电路串联模拟：通过输入连接关系，实现设备状态与输出的级联。
状态更新：输入控制信息，动态调整设备状态。

类设计：
Device 抽象类：定义设备的基本接口。
ControlDevice：模拟控制设备。
子类包括Switch、StepRegulator和ContinuousRegulator。
LoadDevice：模拟负载设备。
子类包括IncandescentLamp、FluorescentLamp和CeilingFan。

功能分析：
开关设备的状态更新逻辑如下：
@Override
public void update(double voltage) {
outputVoltage = isClosed ? voltage : 0; // 根据开关状态决定输出电压
}
关键问题：
设备连接验证：输入连接信息容易出错，需要增加校验逻辑。
设备状态维护：状态更新依赖输入顺序，缺少容错机制。

6 家居强电电路模拟程序-2
设计目标：在题目5基础上，增加并联电路、复杂设备及电阻模拟。
主要功能需求
题目6的功能需求分为以下几个方面：
并联电路的实现：
支持在电路中构建并联节点，实现多个设备或分支电路共享相同的电压。
计算每个分支的电流和总电流。

新增设备的支持：
落地扇设备（FloorFan）：需要根据电压动态调节转速，模拟实际风扇的运行行为。
电阻设备：模拟固定的电阻对电路电流、电压的影响。

电路状态的全面更新：
所有电路设备的状态由电源节点开始逐步向下传播，通过更新每个设备的状态模拟电路的真实运行情况。

电路计算的增强：
支持计算电路的总功率消耗。
支持检测不合法的电路连接（如设备短路或无地线问题）。
电路状态计算：从电源到接地的电压分配与设备状态更新。
类设计：
在原有Device体系中，新增以下功能：ParallelCircuit 类：用于描述并联电路。
新增设备类：
落地扇：复杂转速规则的实现。
电阻设备：增加电压/电流计算逻辑。

功能分析：落地扇的转速计算：

@Override
public String getStatus() {
if (voltageDiff < 80) return "0"; // 停止
if (voltageDiff >= 140) return "360"; // 最大转速
return String.valueOf((int)((voltageDiff - 80) / 20 * 80));
}

关键问题：
电路参数计算复杂：并联电路的电压分配需综合多个设备状态。
设备编号管理混乱：多个并联和串联电路下，设备编号易冲突。

踩坑心得
4 答题判题程序-4
问题1：输入解析失败
输入顺序打乱及格式不规范是主要难点。通过正则表达式和异常处理增强鲁棒性：
if (!line.matches("#[NZTK]:.*")) {
System.out.println("Invalid format: " + line);
}
问题2：部分正确逻辑错误
多选题部分正确的判定初期遗漏了去重，后通过Set集合解决。

5 家居强电电路模拟程序
问题1：电路连接不合法
部分设备引脚连接顺序出错。通过输入校验解决：
if (line.contains("[") && line.contains("]")) {
// 验证连接关系是否有效
}
问题2：状态输出顺序不一致
使用TreeMap对设备排序，保证输出顺序一致。

6 家居强电电路模拟程序
问题1：并联电路的电流计算复杂
并联电路中，每个分支的电流计算需要综合设备的电阻或功率，这可能导致程序复杂度增加。通过引入ParallelCircuit类，并在其内部独立管理分支节点，简化了主电路的计算逻辑。

问题2：风扇的动态转速逻辑
风扇的转速逻辑最初设计过于复杂，电压范围的判断直接硬编码在程序中，维护性较差。通过分段函数和参数化的阈值（如minVoltage），使转速的计算更加清晰和灵活。

问题3：电路拓扑验证
复杂电路中，容易出现非法连接（如循环连接或无地线问题）。通过在CircuitNode中添加拓扑检查逻辑，可以有效避免不合法的电路结构。

4.改进建议
4 答题判题程序-4
（1）增加动态扩展题型的机制
通过引入工厂模式或策略模式，支持动态添加新的题目类型。例如，新增"编程题"或"简答题"时，只需提供新的题目类和对应的校验策略，无需修改核心逻辑。
实现思路：
为每种题型实现一个独立的校验策略类。
Question类不再直接依赖具体的实现，而是通过依赖策略接口完成评分。
（2）加入题库管理模块
设计一个QuestionBank类，提供增删改查题目、加载题库的功能。通过持久化方案（如数据库或JSON文件）存储题目信息，提升系统的灵活性。
实现要点：
提供CRUD接口，支持动态管理题目。
通过序列化与反序列化实现题库存储与加载。
引入分页机制和搜索功能，提升题库的操作效率。
（3）支持多种评分规则
设计不同的评分规则（满分、部分分、多选题按权重评分等），并允许用户为每道题动态配置规则。
示例规则：
单选题：完全正确得满分。
多选题：选对部分答案得部分分数，选错答案扣分。
填空题：完全匹配得分，部分正确按占比得分。

5 家居强电电路模拟程序-1

（1）优化控制逻辑
增加更复杂的控制设备，如定时器、远程控制器等。
新控制设备：
定时开关：支持设定开启与关闭的时间点。
智能调节器：根据输入电压动态调整输出（如智能调光）。
（2)增强电路模拟细节
当前电路计算逻辑只支持基本的串联特性，改进后应加入对设备电阻和功率的精确模拟。
改进点：
电阻模拟：为每个负载设备设置电阻参数（resistance），在串联电路中动态计算分压和分流。
精确功率计算：根据P = V² / R或P = VI公式计算设备功率，支持动态更新。

6 家居强电电路模拟程序-2
并联电路优化：将并联电路封装为独立模块，减少对主逻辑的干扰。
设备扩展性增强：通过抽象类和接口实现设备的多态化管理。

5.总结
本阶段的三次题目集围绕面向对象设计与复杂系统模拟展开，通过对答题判题系统-4（7-4）、家居电路模拟系统-1（7-5）和-2（7-6）的实现和改进，全面提升了对面向对象编程思想的理解和实践能力，同时也暴露了在系统复杂性提升时设计思路与技术积累的不足。

首先，在7-4 答题判题系统中，学会了如何通过继承与多态设计一个灵活的系统。通过设计通用的Question抽象类并扩展不同的题型类（如单选题、多选题），系统实现了基本的功能。但在实现中，暴露了硬编码逻辑过多、题库管理和动态校验机制不足的问题，尤其是在需求升级时，系统的扩展性较差。这启示我需进一步学习设计模式，如工厂模式和策略模式的应用，以提升程序的可维护性。

其次，在7-5 家居电路模拟基础版中，理解了如何通过面向对象思想模拟实际场景中的复杂关系。通过将电路节点与设备抽象为独立的类，初步实现了串联电路的模拟。然而，该实现过于简化，未能全面反映实际电路的动态特性。尽管通过控制设备（如开关和调节器）实现了部分控制功能，但设备类型单一、拓扑验证不足，限制了电路的复杂度。这让我意识到，需要进一步深入学习电路理论与数据结构设计，以支持更复杂的场景。

最后，7-6 家居电路模拟扩展版进一步提高了系统复杂度，通过引入并联电路和复杂设备模拟（如风扇），大幅增强了程序的实用性。通过递归设计解决了电路拓扑的嵌套问题，但仍暴露了对并联电路中电流、电压分布动态计算的不足，以及对瞬态电路行为（如电流冲击）的模拟能力的欠缺。由此，我认识到需要加强数值计算和物理仿真的相关学习，并提升对复杂系统的架构设计能力。

总体而言，这一阶段的题目集使我掌握了面向对象设计的基本原理，并认识到其在复杂系统中的重要性。同时，我学会了分析问题、拆解功能、设计抽象模型的能力。未来的重点是深入学习设计模式、高级算法和系统优化技术，进一步提升对复杂需求的应对能力。