软件工程结对作业--四则运算

这个作业属于哪个课程	https://edu.cnblogs.com/campus/gdgy/CSGrade22-12
这个作业要求在哪里	https://edu.cnblogs.com/campus/gdgy/CSGrade22-12/homework/13221
这个作业的目标	实现一个自动生成小学四则运算题目的命令行程序。
地址	https://github.com/Nethtra/SimpleOperation
成员	温宗宝3122004790 王天一3122004789

1.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	60	60
Development	开发	900	1040
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	240	240
· Design Spec	· 生成设计文档	60	60
· 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)	30	30
· Design	· 具体设计	60	60
· Coding	· 具体编码	300	360
· Code Review	· 代码复审	60	60
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	120	200
Reporting	报告	120	120
· Test Repor	· 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	60	60
	· 合计	1080	1220

2.性能分析

程序在处理大量数据时，生成题目和批改答案的速度明显变慢，特别是在处理大量分数运算时。
改进思路
1.减少不必要的对象创建：在原始代码中，每次分数运算都会创建新的 FractionNum 对象，而这些对象在完成运算后很快就会被丢弃。我们通过复用对象，减少了垃圾回收的频率，提升了内存使用效率。
2.优化分数运算逻辑：分数加减乘除的计算过程中，我们发现 gcd（最大公约数）运算频繁调用，导致性能下降。因此，我们通过将 gcd 的计算缓存化，减少了重复的运算。
3.减少文件读写操作：文件的写操作较为频繁，特别是在批量生成题目时。我们通过批量写入操作，减少了文件的频繁打开和关闭，提高了 I/O 的效率。
性能分析图示
最耗时的函数：通过分析，我们发现程序中消耗最大的函数是 FractionNum.add()。由于在大量生成题目和批改过程中，加法操作频繁出现，这一函数的调用次数非常高。通过缓存化 gcd 计算的结果后，我们显著减少了该函数的执行时间。
文件写操作的耗时：FileOutputStream.write() 也是一个主要的性能瓶颈。我们通过批量写入数据来减少这一操作的调用次数，优化了文件写入的效率。

3.设计实现过程

核心类：
FractionNum：用于处理分数，包括加减乘除、分解等操作。
Operation 及其子类（如 OperationAdd, OperationSub, OperationMul, OperationDiv）：分别处理不同的运算符操作，生成分数的加、减、乘、除表达式。
RandomUnit：生成随机数和随机布尔值，用于生成随机题目。
Result：用于将生成的练习题和答案保存到文件中，并进行批改。
Restrict：限制题目中数值的范围。
Calculator：负责对表达式进行计算。

各类之间通过对象传递数据，调用方法实现题目的生成与计算。其中关键点是通过 FractionNum 类完成分数的运算逻辑封装，保证题目生成和表达式解析的准确性。
关键函数的流程可通过如下步骤表示：
1.获取用户输入，选择生成题目数量和数值范围。
2.随机生成表达式（加减乘除）。
3.解析表达式并计算结果。
4.将练习题和答案保存至文件。
5.对用户的解答进行批改，输出正确与错误的题目

4.关键代码展示

关键代码展示：

public class FractionNum {
    // 分数的加法
    public static FractionNum add(FractionNum a, FractionNum b){
        return new FractionNum(a.numerator * b.denominator + b.numerator * a.denominator, b.denominator * a.denominator);
    }

    // 带分数处理的格式化输出
    @Override
    public String toString() {
        if (isFraction()) {
            if (numerator > denominator) {
                return (numerator / denominator) + "’" + numerator % denominator + "/" + denominator;
            }
            return numerator + "/" + denominator;
        } else {
            return "" + numerator / denominator;
        }
    }
}

在 FractionNum 类中，定义了处理加法和带分数的格式化输出。这样，生成的题目可以直接通过分数的加法逻辑得到结果，并以清晰的格式显示给用户。这个类还包含了其他操作，如减法、乘法、除法的实现。

public class OperationAdd extends Operation {
    public OperationAdd(FractionNum value) {
        FractionNum left = new FractionNum();
        FractionNum right = new FractionNum();
        value.splitFractionAdd(left, right); // 将分数拆分为两个加数
        this.left = new Expression(left);
        this.right = new Expression(right);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.left.toString() + " + " + this.right.toString();
    }
}

OperationAdd 类用于实现加法运算的生成，自动将分数拆分为左右两部分，并生成最终的题目表达式。

5.测试运行

@Test
    public void basicTest() {
        String[][] argsArray = {
                {"-r", "0", "-n", "1000"},
                {"-r", "-n", "10000"},
                {"-r", "100", "-n", "10000"},
        };
        for (String[] args : argsArray) {
            testCommandParse(args);
        }
    }

6.项目小结

这次项目合作过程中，我们通过合理分工提升了开发效率。遇到的主要挑战是如何让生成的表达式看起来更加自然。通过多次测试和调优，我们逐步改进了算法，确保生成的题目有合理的难度和结构。结对合作过程中，我们学到了互相支持与沟通的重要性。