个人实践——四则运算
一、需求分析：
（一）功能需求
1、基本功能：
程序可接收一个输入参数n，然后随机产生n道加减乘除练习题。
2、扩展功能
支持有括号的运算式，包括出题与求解正确答案。
支持真分数的出题与运算。
（二）非功能需求
1、每个数字在 0 和 100 之间，运算符在3个到5个之间。
2、所出的练习题在运算过程中不得出现负数与非整数，比如3÷5+2=2.6，2-5+10=7等是不合法的。
3、算式中存在的括号必须大于2个，且不得超过运算符的个数。
4、真分数只需要涵盖加减法
5、支持运算时分数的自动化简，且计算过程中与结果都须为真分数。
6、格式要求如下：
当程序接收的参数为4时，以下为一个输出文件示例。
2018010203
13+17-1=29
11*15-5=160
3+10+4-16=1
15÷5+3-2=4
（三）设计需求
1、只能使用Java语言。
2、生成文件时请使用相对路径，生成的txt 文件需在项目的根目录下，可直接查看演示示例。
3、使用的JDK版本为 jdk8u161。
4、使用的JRE版本为jre8u161。
5、不得使用除限定版本jdk与jre外的额外依赖包。
二、功能设计：
（一）基本功能
1、能生成文件，假如文件生成有误，会报错，会有提示。
2、输入的保证是数字，如果不是数字，会有提示，并且可以重新输入。
3、输入一个参数n，然后随机产生n道加减乘除算术题。保证加减乘除四个运算符的相对平衡，出现的次数相对均等。尽量能出现连除，连减的算术题。且保证在算数过程中，不出现负数，和小数。
4、在没仔细看要求之前，我打算生成一个窗口，同学可以输入答案，并且可以进行判断正误，然后给出结果。
（二）扩展功能
1、在生成括号的过程中，打算随机生成括号，并且保证括号的合法性。比如（3*8）+5=29； 6+（7）*8=62； （2*3+4）=10； 等式子是不合法的。
2、在生成分数的过程中，保证生成真分数，并且化成最简的。
3、在计算真分数的过程中，保证过程中不会出现假分数和负数。因为没有乘除运算，所以不用考虑优先级，可以边生成边运算。且保证结果是最简真分数。
三、设计实现
（一）优先级类
功能：此类是一个带参的有返回值的类，返回的是一个整数（int）。
目的：通过返回来的int的大小，从而来判断符号的优先级。
关系：此类是一个内部类，可以直接调用使用。
此类较简单，未画流程图。
（二）gcd 类
功能：此类是一个带参的有返回值的类，返回的是一个整数，此整数是两个数的最大公因数。
目的：此类通过辗转相除法计算两个数的最大公因数，为了生成最简真分数和化简最终结果。
关系：此类还是一个内部类，可以直接调用。
流程图：
（三）两个函数相互独立。
四、算法详解
（一）文件生成
要求：能生成文件，假如文件生成有误，会报错，会有提示。
要完成这个功能，需要使用PrintStream类，为了生成的txt 文件需在项目的根目录下，则需要直接使用"result.txt"，不加任何路径。
1 try { 2 PrintStream ps = new PrintStream("result.txt"); 3 System.setOut(ps); 4 }catch(Exception e) { 5 System.out.println("文件生成错误"); 6 }
（二）输入整数
要求：输入的保证是数字，如果不是数字，会有提示，并且可以重新输入。
要实现这个功能，需要使用字符转化来判断是否是数字字符串，从而转化成数字。需要使用Integer.valueOf(String);语句。为了能重新输入需要使用while(true)加break；
1 while(true) 2 { 3 n=input.nextLine(); 4 flag=1; 5 try 6 { 7 int num=Integer.valueOf(n);//把字符串强制转换为数字 8 } 9 catch (Exception e) 10 { 11 System.out.println("输入的不是数字，请重新输入："); 12 flag=0; 13 } 14 if(flag==1)break;//退出循环 15 }
（三）随机数的使用
要求：保证加减乘除四个运算符的相对平衡，出现的次数相对均等，不出现负数，和小数。需要使用“数组+随机数”。
1 char[] arr= {‘+‘,‘-‘,‘*‘,‘÷‘}; 2 int temp=rand.nextInt(4); 3 charArr=arr[temp]; 4 5 while(a0%a1!=0) 6 { 7 a0=rand.nextInt(100); 8 a1=rand.nextInt(99)+1; 9 } 10 while(a0<a1) 11 { 12 a0=rand.nextInt(100); 13 a1=rand.nextInt(100); 14 }
如果不能乘除或者a0-a1<0，则会重新生成随机数。
（四）保证括号的合法性
为了不生成（3*8）+5=29； 6+（7）*8=62； （2*3+4）=10；此类括号。我们需要对优先级进行判断，如果前者优先级低于后者，则会生成括号。
1 if(panduan(charArr)<panduan(charArr2))//优先级判断 2 { 3 if(charArr2==‘÷‘) 4 { 5 if(b0==0)b0++; 6 while(sum%b0!=0)//如果不能整除 重新生成随机数 7 { 8 b0=rand.nextInt(99)+1; 9 } 10 sum=sum/b0; 11 } 12 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0; 13 brr="("+brr+")"+""+charArr2+""+b0;//满足条件 生成括号 14 }
注释：panduan（）是一个内部类，用来判断符号优先级。
（五）panduan——优先级类的实现
1 public static int panduan(char c)//判断优先级 2 { 3 if(c==‘(‘)return 0; 4 if(c==‘+‘||c==‘-‘)return 1; 5 if(c==‘*‘||c==‘÷‘)return 2; 6 return -1; 7 }
（六）最大公因数——gcd类
要求：在生成分数的过程中，保证生成真分数，并且化成最简的。需要使用辗转相除法求最大公因数，然后分子分母同除以最大公因数化简。保证是真分数的代码和保证非负数的代码类似，就不写出来了。
1 public static int gcd(int x,int y) 2 { 3 while(true) 4 { 5 if(x%y==0)return y; 6 int temp=y; 7 y=x%y; 8 x=temp; 9 } 10 }
五、测试运行
六、代码
在计算值得过程中，用到了栈的思想。但是我的思路主要还是，边生成边运算。即生成完毕后，结果就直接出来了。
1 for(int i=1;i<charCoun;i++) 2 { 3 int temp1=rand.nextInt(4); 4 char charArr2=arr[temp1]; 5 int b0=rand.nextInt(100); 6 if(panduan(charArr)<panduan(charArr2))//优先级判断 7 { 8 if(charArr2==‘÷‘) 9 { 10 if(b0==0)b0++; 11 while(sum%b0!=0)//如果不能整除 重新生成随机数 12 { 13 b0=rand.nextInt(99)+1; 14 } 15 sum=sum/b0;//计算 16 } 17 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0; 18 brr="("+brr+")"+""+charArr2+""+b0;//满足条件 生成括号 19 } 20 else 21 { 22 if(charArr2==‘÷‘) 23 { 24 if(b0==0)b0++; 25 while(sum%b0!=0) 26 { 27 b0=rand.nextInt(99)+1; 28 } 29 sum=sum/b0;//计算 30 } 31 if(charArr2==‘-‘) 32 { 33 while(sum<b0) 34 { 35 b0=rand.nextInt(100); 36 } 37 sum=sum-b0; 38 } 39 if(charArr2==‘+‘)sum=sum+b0;//计算 40 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0;//计算 41 brr=brr+""+charArr2+""+b0; 42 } 43 charArr=charArr2; 44 } 45
此代码根据优先级，生成括号。
1 if(panduan(charArr)<panduan(charArr2))//优先级判断 2 { 3 if(charArr2==‘÷‘) 4 { 5 if(b0==0)b0++; 6 while(sum%b0!=0)//如果不能整除 重新生成随机数 7 { 8 b0=rand.nextInt(99)+1; 9 } 10 sum=sum/b0; 11 } 12 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0; 13 brr="("+brr+")"+""+charArr2+""+b0;//满足条件 生成括号 14 }
七、总结
1、对任务进行逐步分解和细化，分成若干个子任务，每个子任务只完成部分完整功能，并且可以通过函数来实现；比如此四则运算中的panduan类和gcd类。通过生成两个内部类，使程序模块化，来简化代码。最后在主函数中进行调用实现。
2、降低耦合，控制了程序设计的复杂性，提高了代码的重用性。但是由于个人编程习惯问题，仍有一些功能没有进行模块化。之后我会对博客和代码进行更新。
八、PSP
|
PSP |
任务内容 |
计划时间（min） |
完成时间（min） |
|
Planning |
计划 |
3 |
3 |
|
Estimate |
估计这个任务需要多少时间，并规划大致工作步骤 |
3 |
3 |
|
Development |
开发 |
145 |
305 |
|
Analysis |
需求分析 |
10 |
15 |
|
Design Spec |
生成文档 |
0 |
0 |
|
Design Review |
设计复审 |
0 |
0 |
|
Coding Standard |
代码规范 |
0 |
0 |
|
Design |
具体设计 |
30 |
50 |
|
Coding |
具体编码 |
90 |
60 |
|
Code Review |
代码复审 |
0 |
0 |
|
Test |
测试 |
15 |
180 |
|
Reporting |
报告 |
120 |
210 |
|
Test Report |
测试报告 |
0 |
0 |
|
Size Measurement |
计算工作量 |
0 |
0 |
|
Postmortem& ProcessImprovement Plan |
事后总结, 并提出过程改进计划 |
120 |
210 |
1、因为没有生成文件等一系列过程，导致在具体设计和代码编写的时候花了大量时间。尤其是测试，一直出现bug，调bug花了我大量时间。
2、因为是个人项目，所以感觉自己能看懂就行，不用管其他人，所以一些过程就直接略过了。在以后团队工作中，我会认真完成各项工作，方便未来的修改。
九、完整代码
1 import java.util.Random; 2 import java.util.Scanner; 3 import java.io.PrintStream; 4 public class Main { 5 6 public static int panduan(char c)//判断优先级 7 { 8 if(c==‘(‘)return 0; 9 if(c==‘+‘||c==‘-‘)return 1; 10 if(c==‘*‘||c==‘÷‘)return 2; 11 return -1; 12 } 13 14 public static int gcd(int x,int y) 15 { 16 while(true) 17 { 18 if(x%y==0)return y; 19 int temp=y; 20 y=x%y; 21 x=temp; 22 } 23 } 24 25 public static void main(String[] args) { 26 // TODO Auto-generated method stub 27 Scanner input = new Scanner(System.in); 28 String n; 29 int flag=1; 30 try { 31 PrintStream ps = new PrintStream("result.txt"); 32 System.setOut(ps); 33 }catch(Exception e) { 34 System.out.println("文件生成错误"); 35 } 36 while(true) 37 { 38 n=input.nextLine(); 39 flag=1; 40 try 41 { 42 int num=Integer.valueOf(n);//把字符串强制转换为数字 43 } 44 catch (Exception e) 45 { 46 System.out.println("输入的不是数字，请重新输入："); 47 flag=0; 48 } 49 if(flag==1)break;//退出循环 50 } 51 int n1=Integer.valueOf(n); 52 System.out.println("2016012090"); 53 Random rand = new Random(); 54 char charArr; 55 int coun=0; 56 while(true) 57 { 58 if(coun==n1)break; 59 int temp2=rand.nextInt(4); 60 if(temp2!=0) 61 { 62 char[] arr= {‘+‘,‘-‘,‘*‘,‘÷‘}; 63 String brr=""; 64 int sum=0; 65 int charCoun=rand.nextInt(3)+3; 66 int temp=rand.nextInt(4); 67 charArr=arr[temp]; 68 int a0=rand.nextInt(100); 69 int a1=rand.nextInt(100); 70 if(charArr==‘÷‘) 71 { 72 if(a1==0)a1++; 73 while(a0%a1!=0) 74 { 75 a0=rand.nextInt(100); 76 a1=rand.nextInt(99)+1; 77 } 78 sum=a0/a1; 79 } 80 if(charArr==‘-‘) 81 { 82 while(a0<a1) 83 { 84 a0=rand.nextInt(100); 85 a1=rand.nextInt(100); 86 } 87 sum=a0-a1; 88 } 89 if(charArr==‘+‘)sum=a0+a1; 90 if(charArr==‘*‘)sum=a0*a1; 91 brr=a0+""+charArr+""+a1; 92 for(int i=1;i<charCoun;i++) 93 { 94 int temp1=rand.nextInt(4); 95 char charArr2=arr[temp1]; 96 int b0=rand.nextInt(100); 97 if(panduan(charArr)<panduan(charArr2))//优先级判断 98 { 99 if(charArr2==‘÷‘) 100 { 101 if(b0==0)b0++; 102 while(sum%b0!=0)//如果不能整除 重新生成随机数 103 { 104 b0=rand.nextInt(99)+1; 105 } 106 sum=sum/b0; 107 } 108 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0; 109 brr="("+brr+")"+""+charArr2+""+b0;//满足条件 生成括号 110 } 111 else 112 { 113 if(charArr2==‘÷‘) 114 { 115 if(b0==0)b0++; 116 while(sum%b0!=0) 117 { 118 b0=rand.nextInt(99)+1; 119 } 120 sum=sum/b0; 121 } 122 if(charArr2==‘-‘) 123 { 124 while(sum<b0) 125 { 126 b0=rand.nextInt(100); 127 } 128 sum=sum-b0; 129 } 130 if(charArr2==‘+‘)sum=sum+b0; 131 if(charArr2==‘*‘)sum=sum*b0; 132 brr=brr+""+charArr2+""+b0; 133 } 134 charArr=charArr2; 135 } 136 System.out.println(brr+"="+sum); 137 } 138 else 139 { 140 String brr2=""; 141 char[] arr1= {‘+‘,‘-‘}; 142 int sumx=0; 143 int sumy=0; 144 int charCoun1=rand.nextInt(3)+3; 145 int temp1=rand.nextInt(2); 146 charArr=arr1[temp1]; 147 int num0x=rand.nextInt(20); 148 int num0y=rand.nextInt(19)+1; 149 int num1x=rand.nextInt(20); 150 int num1y=rand.nextInt(19)+1; 151 int g; 152 g=gcd(num0x,num0y); 153 num0x/=g; 154 num0y/=g; 155 g=gcd(num1x,num1y); 156 num1x/=g; 157 num1y/=g; 158 while(num0x>=num0y||num1x>=num1y) 159 { 160 num0x=rand.nextInt(20); 161 num0y=rand.nextInt(19)+1; 162 num1x=rand.nextInt(20); 163 num1y=rand.nextInt(19)+1; 164 g=gcd(num0x,num0y); 165 num0x/=g; 166 num0y/=g; 167 g=gcd(num1x,num1y); 168 num1x/=g; 169 num1y/=g; 170 } 171 if(charArr==‘-‘) 172 { 173 while(num0x*num1y-num0y*num1x<0) 174 { 175 num1x=rand.nextInt(20); 176 num1y=rand.nextInt(19)+1; 177 g=gcd(num1x,num1y); 178 num1x/=g; 179 num1y/=g; 180 } 181 sumx=num0x*num1y-num0y*num1x; 182 sumy=num0y*num1y; 183 } 184 if(charArr==‘+‘) 185 { 186 while(num0x*num1y+num0y*num1x>=num0y*num1y) 187 { 188 num1x=rand.nextInt(20); 189 num1y=rand.nextInt(19)+1; 190 g=gcd(num1x,num1y); 191 num1x/=g; 192 num1y/=g; 193 } 194 sumx=num0x*num1y+num0y*num1x; 195 sumy=num0y*num1y; 196 } 197 brr2=num0x+"/"+num0y+""+charArr+""+num1x+"/"+num1y; 198 for(int i=1;i<charCoun1;i++) 199 { 200 temp1=rand.nextInt(2); 201 charArr=arr1[temp1]; 202 int num2x=rand.nextInt(20); 203 int num2y=rand.nextInt(19)+1; 204 while(num2x>=num2y) 205 { 206 num2x=rand.nextInt(20); 207 num2y=rand.nextInt(19)+1; 208 g=gcd(num2x,num2y); 209 num2x/=g; 210 num2y/=g; 211 } 212 if(charArr==‘-‘) 213 { 214 while(sumx*num2y-sumy*num2x<0) 215 { 216 num2x=rand.nextInt(20); 217 num2y=rand.nextInt(19)+1; 218 g=gcd(num2x,num2y); 219 num2x/=g; 220 num2y/=g; 221 } 222 sumx=sumx*num2y-sumy*num2x; 223 sumy=sumy*num2y; 224 } 225 if(charArr==‘+‘) 226 { 227 while(sumx*num2y+sumy*num2x>sumy*num2y) 228 { 229 num2x=rand.nextInt(20); 230 num2y=rand.nextInt(19)+1; 231 g=gcd(num2x,num2y); 232 num2x/=g; 233 num2y/=g; 234 } 235 sumx=sumx*num2y+sumy*num2x; 236 sumy=sumy*num2y; 237 } 238 brr2=brr2+""+charArr+""+num2x+"/"+num2y; 239 } 240 g=gcd(sumx,sumy); 241 if(sumx==0)System.out.println(brr2+"="+sumx); 242 else System.out.println(brr2+"="+sumx/g+"/"+sumy/g); 243 } 244 coun++; 245 } 246 } 247 248 }
