结对项目：四则运算题目生成

这个作业属于哪个课程	22级计科1班
这个作业要求在哪里	作业要求
这个作业的目标	自动生成小学四则运算题目
github项目链接	链接

姓名&学号

姓名	学号
万凯毅	3122004788
周彦安	3122004804

PSP

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	30	30
· Estimate	估计这个任务需要多少时间	30	30
Development	开发	1180	1180
· Analysis	需求分析（包括学习新技术）	60	60
· Design Spec	生成设计文档	60	60
· Design Review	设计复审	60	60
· Coding Standard	代码规范（为当前的开发制定合适的规范）	60	60
· Design	具体设计	360	360
· Coding	具体编码	360	360
· Code Review	代码复审	100	100
· Test	测试（自我测试、修改代码、提交修改）	120	120
Reporting	报告	160	160
· Test Report	测试报告	100	100
· 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
Total	合计	1370	1370

功能

生成题目

输出

控制台输出

题目

答案

效能分析

优化前

每生成一个题目就使用append的形式写入文件

优化后

生成所有题目后，一次性写入文件

分析

优化前后生成10000道题目以及答案的耗时都是700ms左右，性能差别主要在文件io上，优化前相当于对文件做了10000次io，优化后只有一次io

设计实现过程

总体流程

生成单个题目流程

判断题目是否重复

利用多级树型结构逐层判断，如果到最后一层出现相同的，则认为是重复表达式：

代码说明

批量随机生成题目

每次生成题目时校验是不是负数、是否重复，如果不满足要求就不断重新生成

  /**
     * 批量随机生成题目
     *
     * @param range             操作数的大小范围
     * @param numberOfQuestions 最大题目数
     * @return 题目，答案
     */
    public static Tuple2<List<String>, List<String>> generateQuiz(int range, int numberOfQuestions) {
        int duplicateCount = 0;
        int negativeCount = 0;
        int totalCount = 0;

        List<String> quizzes = new ArrayList<>(numberOfQuestions);
        List<String> answers = new ArrayList<>(numberOfQuestions);
        for (int i = 1; i <= numberOfQuestions; i++) {
            int maxOperators = generateRandomOperatorCounts();
            while (true) {
                totalCount++;
                List<String> operands = new ArrayList<>();
                List<String> operators = new ArrayList<>();

                for (int j = 0; j < maxOperators + 1; j++) {
                    String lastOperator = operators.isEmpty() ? "" : operators.get(operators.size() - 1);
                    Fraction operand = FractionUtils.generateRandomOperand(lastOperator, range);
                    operands.add(operand.toString());
                    if (j < maxOperators) {
                        operators.add(generateRandomOperator());
                    }
                }

                StringBuilder quiz = new StringBuilder();
                for (int j = 0; j < operands.size(); j++) {
                    quiz.append(operands.get(j));
                    if (j < operators.size()) {
                        quiz.append(" ").append(operators.get(j)).append(" ");
                    }
                }
                String expression = quiz.toString();

                if (operands.size() > 2 && RANDOM.nextBoolean()) {
                    expression = addRandomParentheses(expression);
                }

                String postfix = ExpressionUtils.infixToPostfix(expression);
                Fraction result = ExpressionUtils.evaluatePostfix(postfix);
                if (Objects.nonNull(result)) {
                    if (!DuplicateChecker.isDuplicate(result, expression)) {
                        quizzes.add(i + ". " + expression);
                        answers.add(i + ". " + result);
                        break;
                    } else {
                        duplicateCount++;
                    }
                } else {
                    negativeCount++;
                }
            }
        }
        System.out.println("生成" + numberOfQuestions + "道题目完成，总次数：" + totalCount + "，重复次数：" + duplicateCount + "，负数次数：" + negativeCount);
        return new Tuple2<>(quizzes, answers);
    }

题目去重

  // key：表达式的结果；value：map(key：表达式的长度，value：map集合（key：表达式中的每一个操作数或操作符；value：该字符串出现的次数））
    private static final Map<String, Map<Integer, List<Map<String, Integer>>>> DUMPLICATE_MAP = new HashMap<>();

    public static boolean isDuplicate(Fraction result, String expression) {
        // 已创建的表达式中，如果有计算结果相同，且表达式中的所有字符和出现的次数都一样，就认为是重复的
        String resultStr = result.toString();
        expression = expression.replaceAll("[()]", "");
        Integer length = expression.length();

        // 统计表达式中每个操作数和操作符出现的次数
        Map<String, Integer> characterCountMap = Arrays.stream(expression.split("\\s+"))
                .collect(Collectors.groupingBy(
                        Function.identity(),
                        Collectors.collectingAndThen(Collectors.counting(), Long::intValue))
                );

        Map<Integer, List<Map<String, Integer>>> expressionLengthMap = DUMPLICATE_MAP.get(resultStr);

        if (expressionLengthMap != null) {
            // 存在计算结果相同的表达式
            List<Map<String, Integer>> characterCountMapList = expressionLengthMap.get(length);
            if (characterCountMapList != null) {
                // 存在长度相同的表达式
                boolean isDuplicate = characterCountMapList.stream()
                        .anyMatch(map -> map.equals(characterCountMap));

                if (isDuplicate) {
                    // 存在操作数和操作符出现次数相同的表达式
                    return true;
                }
            }
        } else {
            expressionLengthMap = new HashMap<>();
            DUMPLICATE_MAP.put(resultStr, expressionLengthMap);
        }
        List<Map<String, Integer>> characterCountMapList = expressionLengthMap.computeIfAbsent(length, k -> new ArrayList<>());
        characterCountMapList.add(characterCountMap);
        return false;
    }

判题

输出

控制台输出

结果输出

效能分析

分析：对10000道题目和答案进行校验，耗时主要在题目结果的计算上

测试和异常情况

1. args参数：
   • -n 和 -r 的参数如果没有就是默认值10
   • -n 和 -r 的参数必须是整数类型的值
   • -e 和 -a 的参数必须同时存在或不存在
   • -e 和 -a 参数不满足格式 xxx.txt
   • -e 和 -a 参数的文件必须存在
2. 校验题目：题目数和答案数必须一致
3. 生成题目：-r 给出的参数不支持生成 -n 的题目数

项目小结

本项目开发了一个智能数学题目生成器，能够随机生成包含加法、减法、乘法和除法的数学表达式，并支持题目的有效性校验与答案计算。加强了代码规范，性能优化，设计分析以及团队合作的能力。