面向对象编程第1次总结
面向对象编程第1次总结
需求分析
这3次作业的题目要求是对表达式求导，同时需要判断错误输入。
显而易见，作业可以分成这些模块：输入输出，表达式解析，表达式求导。
所以，笔者的代码结构仿照工厂模式：
表达式解析单独为1个工厂类，根据字符串构造表达式对象。
表达式对象提供求导方法返回求导结果表达式，并重载toString()方法输出标准化的字符串。
主程序读入输入数据，通过表达式解析class构建表达式对象，调用求导方法并输出结果。
表达式的解析
总的来说，这3次作业中，笔者使用的都是递归下降的方法解析表达式，而不是使用正则表达式的group去分离表达式因子。
好处是相对于一长串正则，递归下降可读性好，而且是线性时间复杂度，不会像使用正则表达式一样出现栈溢出等问题。
可以边解析边判断错误输入时，不必先进行判断。
缺点是解析部分几乎无法重用，每次作业都必须重写。
词法解析
参照Scanner的next，笔者写了一个next方法，传入正则表达式的参数，返回匹配到的token。由于这里的正则表达式十分简单，不会出现栈溢出等错误。
其中，整数使用正则表达式 [+-]?\d+ 来提取。其他token对应的正则表达式都只有1-2个字符的长度，这里省略。
语法分析
使用BNF文法会可能需要消除左递归，故采用更加灵活的EBNF文法来描述。以第3次作业为例子：
SinFactor := 'sin' '(' Factor ')' ('^' Number)?
CosFactor := 'cos' '(' Factor ')' ('^' Number)?
PowerFactor := 'x' ('^' Number)?
ConstFactor := Number
ExpressionFactor := '(' Expression ')'
Factor := PowerFactor
| SinFactor
| Cos
| ExpressionFactor
| ConstFactor
Term := Factor ('*' Factor)*
| '+' Factor ('*' Factor)*
| '-' Factor ('*' Factor)*
Expression := ('-'|'+')? Term ('-'|'+' Term)*
测试
本地测试
事实上，笔者在完成作业的过程中，将将近一半的时间用来编写测试代码和构造测试数据。使用Junit进行本地测试。大体思路如下：
将测试代码放在单独的文件夹（例如test文件夹）里，将样例和自己构造的测试数据放到一个总的测试样例集合里。之后就可以使用IDEA等IDE进行测试。
提交的时候，将test文件夹添加到 .gitignore 。
互测
笔者采用的方式是以黑盒测试为主的方法，使用Python编写数据生成器进行对比。首先安装对拍用到的工具：sympy。
pip install sympy
数据生成器是根据文法手写的，实际生成的测试点也令人满意；xeger等工具主要用于辅助生成空白字符串等。
不过sympy有个不足之处：不能解析带前导0的数字。对于这种测试数据只能人工进行判断。
多次运行随机测试的方法，最坏情况下可能多个随机样例都测不出bug；但是实际上这种方法非常有效，我使用了这种方法找到了多个非同质的bug。
除了黑盒测试之外，笔者也通过阅读代码，发现可能存在bug的位置，例如正则表达式、循环的边界情况等。实际互测环节中，也构造样例，使长度过长的正则表达式匹配运行超时。
Tips
提取常用方法
在写Parser的时候，要多次用到判断是否有非法字符、判断空格和水平制表符，为了便于重用，笔者将这些method放在单独的class，定义为静态方法。
调试信息
仿照Android系统的Logcat，笔者实现了一个Log类，将调试信息分为verbose, debug, info, warn, error等级别，这样以来，通过调整过滤器（笔者将其实现为一个static变量控制），就能控制输出哪些调试信息，便于调试。在最终提交的版本，只要改动这个变量就可以不输出调试信息。
第1次作业
这次作业需求相对简单，输入为简单多项式。
代码结构
代码复杂度
互测环节
这次作业暴露出来的问题很多：异常处理、格式错误的判断、代码风格。
在互测环节，有的同学没有考虑输入空串的情况，抛出越界异常，而且还没有捕获异常，导致运行时错误。
有的同学使用正则表达式 \s 判断空格和TAB，但是实际上\s包括其他空白字符，例如'\v'，而这些字符属于错误输入。但是很多同学没有考虑这一点，结果是'\v'成为hack别人的通用测试点之一。。
有的同学只写了一个Main类，完全是面向过程编程。
另外，笔者在这次互测也被发现了bug，原因是在结果为0的情况下输出空串。
第2次作业
这次作业加入了三角函数，复杂度增加，同时化简空间更大。例如，利用sin(x)^2+cos(x)^2=1化简。
解析方面，笔者仍然采用递归下降。
关于化简，笔者出于稳妥考虑，只写了同类项合并，导致强测被扣了很多性能分。
关于进一步化简的思路，可以参考这些同学的博客。
https://www.cnblogs.com/MisTariano/p/10535508.html
https://www.cnblogs.com/tqnwhz/p/10559893.html
https://prime21.github.io/2019/03/19/OO-unit1-summary/
代码结构
代码复杂度
互测环节
第二次作业由于指导书给出了很多错误格式的样例，因此笔者不再着重测试这一点，更加关注正确性。这次笔者首次使用随机生成数据进行黑盒测试的方法，成功找出了很多bug，有些随机生成的样例甚至使3名同学的程序输出错误结果。
这次互测找出的bug主要是首尾空白字符的处理，正负号的判断。
另外，仍有同学使用很长的正则表达式匹配，笔者利用xeger生成的字符串（错误格式）使程序超时。
在这次互测中，笔者没有被找出bug。
第3次作业
第三次作业需要处理括号嵌套的情况，这时已经难以使用正则表达式分离因子，因为表达式本身可以作为因子。相对的，递归下降显示了其巨大的优势。
使用数学公式化简极为困难，比较好写的化简方法有合并常数项等。由于各种因素，笔者没有写化简。
代码结构
由于出现了嵌套，笔者定义了一个求导接口，以便组织代码。
使用接口，构建表达式树并自顶向下求导变得十分自然。代码框图如下图所示。
代码复杂度
互测环节
这次作业的互测不再关注对错误格式的判断，而是更加关注程序的正确性。
令人吃惊的是，这次作业仍然有人只用一个Class，面向过程编程。在使用随机数据的情况下，这名同学的程序将一半以上的合法输入判断为格式错误。
由于这次作业涉及了递归，如果处理不当，必将出现栈溢出、运行时间过长等后果。笔者在互测环节也成功发现了这些bug。
另外就是输出结果的bug，例如化简结果输出错误等。
在这次互测中，笔者没有被找出bug。
总结
这3次作业过来，同学们对Java语言的掌握程度提升了很多，对面向对象编程的优势有更为深入的认识。同时，也意识到程序鲁棒性的重要意义。
正则表达式是很好的工具，在匹配字符串等方面有极为重要的地位，事实上第1次、第2次作业中，多数同学使用正则表达式来寻找项、分离系数、指数等。但是，过于复杂的正则表达式往往会留下很多问题，不仅阅读起来困难，而且会导致栈溢出、超时等严重的问题。基于以上考虑，这几次作业中，笔者只使用尽可能简单的正则表达式用于提取Token。
关于面向对象编程的优势，在这次作业的主要体现在：利用异常机制将错误输入的处理和正常业务逻辑分开，利用接口将不同代码组织起来。
关于代码结构，从类图来看，在这几次作业中，笔者只是利用到了最基本的继承、接口机制，而class之间相对独立；此外，解析类总代码量将近300行，代码结构还有很大的改进空间。
