MathExamV2.0四則混合運算計算題生成器----211606360 丁培暉 211606343 楊宇瀟

一、預估與實際

二、需求分析

我通過在網絡搜索的方式了解到，小學三年級數學有如下的幾個特點：

• 特點1：式子的運算無法得出負數。
• 特點2：數字範圍增加，可以得出上千的結果。
• 特點3：除數不能為0。
• 特點4：在一個式子內會使用多個運算符號。
• 特點5：清楚加減乘除算式的優先級，並且明白括號的意思。
• 特點6：式子的結果大小限定在10000以內。

經過分析，我認為，這個程序應當：

• 使用的數字大小應為[0,1000)
• 並且判斷除數的數字大小應為[1,1001)
• 生成的符號至少兩個，並且至少兩種。

三、設計

1. 設計思路

這一次的作業，由於需要使用逆波蘭表達式，因此我們使用了和上次作業不同的輸入文本的方式，這一次使用的是將字符串轉為byte[]，然後輸入文本的方式。
我們還分出了多中方法體以及構造函數，在主函數main（）裏調用構造函數，在構造函數內調用各個方法體。（第一次作業只建立了一個方法體，並且在主函數調用，顯得代碼臃腫，因為將所有的算法都集中在一個方法體內，因此作出改變。）

• 根據題目要求，傳入的參數有-n和-grade，因此使用if（）判斷了參數的-n和-grade的順序，並建立了一個judge（）的方法體，使用正則表達式判斷參數的格式。
• 數字需要隨機得出，因此需要建立隨機數，隨機數有多種。
• 隨機出來的式子需要寫入文本，因此創建了一個TxT（）的方法，用於創建文本並將式子輸入文本當中，使用String數組進行存儲式子，並用Byte[]轉換，最後輸入文本。
• 答案需要的格式為“等式+答案”，而且不需要小數以及負數，因此將隨機數類型定義為整型，並在最後判斷答案是否符合要求。
• 判斷加減乘除需要使用到優先級，因此創建了一個Level方法，返回值為0，1，2，用於判斷符號的優先級。
• 因為三年級的式子為四則混合運算，因此使用中序表達式以及逆波蘭，將String數組裏的式子轉化為線性表，最終調用reckon（）方法計算線性表內的式子。並返回最終結果。

2. 實現方案

• 準備工作：先在Github上創建倉庫，克隆到本地，並邀請結伴對象，將代碼提交到一個倉庫內。
• 技術關鍵點：
  • 四則混合運算式子以及括號的判斷，需要使用到優先級，因此建立一個關於判斷優先級的Level（）的方法。
  • 使用隨機數Random( )時，需要註意隨機數生成範圍，比如除數不能為0。
  • 當式子內有減法，需要判斷式子的答案是否大於等於0。
  • 使用String數組將式子轉換為Byte [] ，並將其全部輸入文本。
  • 使用正則表達式、Pattern、Matcher判斷輸入參數是否達標，不達標則提示輸入錯誤，並結束程序。
  • 使用 DateFormat( )獲取系統當前時間。

四、編碼

請說明你如何按照設計思路進行編碼，並記錄你在開發中遇到的問題，與解決過程

1. 調試日誌

記錄編碼調試的日誌，請記錄下開發過程中的 debug 歷程

• 數據傳入棧中，會出現空指針，導致程序不能運行。
  解決方案：檢查隨機數的生成，看隨機數是否和判斷條件相符合。
• 命令行輸入格式不對，會出錯。
  解決方案：通過字符匹配，如果輸出格式不對，報錯結束進程。
• 除法計算，除數生成了0.
  解決方案：在生成隨機數時+1.
• 輸入題目個數輸入過大，或者輸入不是數字，會報錯。
  解決方案：用正則表達式來判斷傳入參數是否合理。
• 使用逆波蘭計算方法不能正確計算。
  解決方案：檢查傳入參數是否正確，寫的方法是否正確，使用方法是否正確。

2. 關鍵代碼

請展示一段程序的關鍵代碼，並解釋代碼的作用

• 通過main函數中String[] args的參數，將其傳入構造函數內，並在構造函數中判斷出-n與-grade的順序，並將相應的年級和題目數量傳入judge（）方法體內，判斷輸入的格式是否正確。
• 通過了參數格式判斷後，將參數傳入calculate（）和TxT（）的方法內。
• 在calculate（）判斷傳入的年級大小後，根據年級大小調用calculate_1（），calculate_2（），calculate_3（）。分別對應一年級、二年級、三年級的式子生成方法。
• 使用random（）隨機生成數字。
• 這一段是調用三年級的式子生成方法。

private void  calculate_3(int count) {
     int i=0;
    while(i<count){
            
            int symbol_number=(int)(Math.random()*5+2);                 //隨機生成數字，用於判斷符號個數
            int number_1=(int)(Math.random()*1000);                     //隨機生成第一個數字
            int number_2=(int)(Math.random()*1000+1);                   //隨機生成第二個數字
            int number_3=(int)(Math.random()*1000+1);                   //隨機生成第三個數字
            int symbol_1=(int)(Math.random()*4);                        //隨機生成第一個符號
            int symbol_2=(int)(Math.random()*4);                        //隨機生成第二個符號
            
            if(symbol_number == 2) {
                if(symbol_1==symbol_2)                                  //保證至少有兩種運算符號。
                    {continue;}
                if(Level(SymB[symbol_1])<Level(SymB[symbol_2])) {       //比較第一個符號和第二個符號的優先級，並添加括號。
                    QT_1[i]="("+number_1+SymB[symbol_1]+number_2+")"+SymB[symbol_2]+number_3;
                    QT[i]="( "+number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" ) "+SymB[symbol_2] +" " +number_3;
                }
                else if(Level(SymB[symbol_1])>Level(SymB[symbol_2]))  {
                    QT_1[i]=+number_1+SymB[symbol_1]+"(" + number_2 +SymB[symbol_2]+number_3+")";
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" ( "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2]  +number_3+" ) ";
                }
                else {
                    QT_1[i]=+number_1+SymB[symbol_1]+number_2+SymB[symbol_2]+number_3;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2] +" "+number_3;
                }
            }
            //判斷運算符為兩個之後，開始判斷符號優先級，並在式子裏添加括號。
            
            
            else if(symbol_number == 3) {   
                if(symbol_1==symbol_2)      //保證式子內至少有兩種運算符號
                {continue;}     
                int number_4=(int)(Math.random()*1000+1);
                int symbol_3=(int)(Math.random()*4);
                if(Level(SymB[symbol_1])<Level(SymB[symbol_2])) {
                    QT_1[i]="("+number_1+SymB[symbol_1]+number_2+")"+SymB[symbol_2]+number_3+SymB[symbol_3]+number_4;
                    QT[i]="( "+number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" ) "+SymB[symbol_2] +" " +number_3+" "+SymB[symbol_3]+" "+number_4;
                }
                else if(Level(SymB[symbol_1])>Level(SymB[symbol_2]))  {
                    QT_1[i]=+number_1+SymB[symbol_1]+"(" + number_2 +SymB[symbol_2]+number_3+")"+SymB[symbol_3]+number_4;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" ( "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2]  +number_3+" ) "+SymB[symbol_3]+" "+number_4;
                }
                else if(Level(SymB[symbol_2])>Level(SymB[symbol_3]))  {
                    QT_1[i]=+number_1+SymB[symbol_1]+ number_2 +SymB[symbol_2]+"("+number_3 +SymB[symbol_3]+number_4+")";
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2] +" ( " +number_3+" "+SymB[symbol_3]+" "+number_4+" ) ";
                }
                else {
                    QT_1[i]=+number_1+SymB[symbol_1]+number_2+SymB[symbol_2]+number_3+SymB[symbol_3]+number_4;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2] +" "+number_3+" "+SymB[symbol_3]+" "+number_4;
                }
            }
        //判斷運算符為三個之後，開始判斷符號優先級，並在式子裏添加括號。
            
            
            else if(symbol_number == 4) {
                if(symbol_1==symbol_2)                              //保證式子至少有兩種運算符號
                {continue;}
                int number_4=(int)(Math.random()*1000+1);
                int number_5=(int)(Math.random()*1000+1);
                int symbol_3=(int)(Math.random()*4);
                int symbol_4=(int)(Math.random()*4);
                
                if(Level(SymB[symbol_1])<Level(SymB[symbol_2])) {
                    QT_1[i]="("+number_1+SymB[symbol_1]+number_2+")"+SymB[symbol_2]+number_3+SymB[symbol_3]+number_4+SymB[symbol_4]+number_5;
                    QT[i]="( "+number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" ) "+SymB[symbol_2] +" " +number_3+" "+SymB[symbol_3]+" "+number_4+" "+SymB[symbol_4]+" "+number_5;
                }
                
                
                else if(Level(SymB[symbol_1])>Level(SymB[symbol_2])) {
                    QT_1[i]=number_1+SymB[symbol_1]+"("+number_2+SymB[symbol_2]+number_3+")"+SymB[symbol_3]+number_4+SymB[symbol_4]+number_5;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" ( "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2]+" "+number_3+" ) "+SymB[symbol_3]+" "+number_4+" "+SymB[symbol_4]+" "+number_5;
                }
                
                
                else if(Level(SymB[symbol_2])>Level(SymB[symbol_3])) {
                    QT_1[i]=number_1+SymB[symbol_1]+number_2+SymB[symbol_2]+"("+number_3+SymB[symbol_3]+number_4+")"+SymB[symbol_4]+number_5;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 + " "+SymB[symbol_2]+" ( "+number_3+" "+SymB[symbol_3]+" "+number_4+" ) "+" "+SymB[symbol_4]+" "+number_5;
                }
                
                
                else if(Level(SymB[symbol_3])>Level(SymB[symbol_4])) {
                    QT_1[i]=number_1+SymB[symbol_1]+number_2+SymB[symbol_2]+number_3+SymB[symbol_3]+"("+number_4+SymB[symbol_4]+number_5+")";
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 + " "+SymB[symbol_2]+" "+number_3+" "+SymB[symbol_3]+" ( "+number_4+" "+SymB[symbol_4]+" "+number_5+" )";
                }
                
                
                else {
                    QT_1[i]=number_1+SymB[symbol_1]+ number_2+SymB[symbol_2]+number_3+SymB[symbol_3]+number_4+SymB[symbol_4]+number_5;
                    QT[i]=number_1+" "+SymB[symbol_1]+" "+ number_2 +" "+SymB[symbol_2] +" " +number_3+" "+SymB[symbol_3] +" "+number_4+" "+SymB[symbol_4]+" "+number_5;
                }
            }
        //判斷運算符為四個之後，開始判斷符號優先級，並在式子裏添加括號。
            
            else {continue;}        //當symbol_number隨機出不需要的數字時，結束本次循環，重新開始新的循環。主要防止出現空指針。
            
            
             List<String> rec= toInfixExpression(QT_1[i]);          //調用中序表達式。
             AS[i]=QT[i]+" = "+reckon(rec);
             
             
             if(reckon(rec)<0 || reckon(rec)>10000)  //當數字的結果大小為負數或者大於10000，結束本次循環，重新生成式子。
             {continue;}
             i++;
             
        }
     
    }

3. 代碼規範

請給出本次實驗使用的代碼規範：

• 第一條：代碼中的變量名不能以下劃線開始也不能以下劃線結束。
• 第二條：代碼中的命名嚴禁使用拼音與英文混合，更不許使用中文命名。
• 第三條：常量命名全部大寫，單詞鍵用下劃線隔開，力求語義表達完整，不要嫌名字長。
• 第四條：類型與中括號緊挨相連來定義數組。
• 第五條：杜絕完全不規範的縮寫，避免忘文不知義。
• 第六條：第四條：不要使用一個常量類維護所有常量，按常量功能進行歸類，分開維護。並人工檢查代碼是否符合規範

五、測試

請思考並記錄你認為必要的測試點，並記錄測試用例與測試結果

六、總結

請總結過程中的教訓和經驗，思考

• 在這一次的作業中，由於使用了逆波蘭以及中序表達式，並且還有堆棧和線性表的運用，由於基礎薄弱，我和結伴對象在寫代碼之前，花費了大量的時間去查看相關知識，並查看相關的博客代碼，詢問班裏的大神，最終成功理解了其運算方式。
• 結對作業和之前的個人作業並不一樣，因為是兩個人一起敲代碼，並且我們的想法以及思路都不同，因此每敲一行，都會對同伴說出關於這一行代碼我要用它來做什麽，這一行代碼的用處。同時，也會提出建議，一種不同的想法，最後撮合而成，出發點不一樣，想法不一樣。導致了我們可以對代碼更好的優化，畢竟當局者迷，旁觀者清，有的不必要的代碼，確實在旁觀看的人會看的更加清晰，並能指出一些錯誤邏輯。
• 有關於調用逆波蘭和中序表達式兩種方法的時候，我不只一次出現了空指針的錯誤，原因就是if（）判斷隨機數生成的時候，並沒有把所有可能列出來，導致出現了if（）判斷之外的數字，從而導致了需要接收式子的String數組 QT_1並沒有獲得式子，將一個空數組傳入中序表達式內，最終導致程序報錯，出現空指針的問題。
• 在我無法判斷出錯誤地點之時，同伴的幾句話，可能是無心，也可能是有意，卻能驚醒我這個夢中人，使我發現錯誤的地方，同時進行修改，最後得出最終結果。
• 結對編程相比於個人作業，多了頭腦風暴和靈感沖撞，在一次次的沖突碰撞之下，在一次次克服難題之下，我們磕磕碰碰，修修改改，最終提交了代碼，完成了本次作業。
• 但是這次的代碼依舊有許多不足，我使用了優先級進行判斷，然後逐一添加括號，在我的想法中，其實不只是兩個數字，甚至可以括三個、四個數字。然而想法是美好的，但真正寫出來卻只能實現一個括號，只能括兩個數字。
• 代碼仍具有局限性，我和結伴對象雖然討論過，但卻沒有得出能夠符合我們想法的代碼，因此只能礙於時限，草草提交了本次作業。代碼依舊有著許多不足，能夠改進的地方還有很多，相信在下一次的作業中，我能夠獲得新的想法，同時改進本次的不足，逐一完善我的代碼。
• 結對編程很有趣，兩個人的想法沖突，兩個人的意見沖突，不僅能給枯燥的編程添加點調味劑，同時也能因為靈感沖突、結合產生新的靈感，可以說是每寫出一種想法就能蹦出另外一種更大膽的想法，讓人忍不住去嘗試，雖然結果往往都是錯的，不過說實話，真理不就是在眾多的錯誤中誕生的嗎？

MathExamV2.0四則混合運算計算題生成器