结对项目：四则运算题目生成器（Java）

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项目Github地址：ExercisesGenerator

结对项目成员：丘丽珊 3218007877 黄钰朝 3118005005

一、需求分析

二、开发计划

三、实现方案

3.1 项目结构

结构说明：

上图展示了程序中核心的类和方法，其中GenerateController负责生成题目的功能，CheckController负责批卷功能，两者都依赖于底层的GenerateService，而GenerateService中进行四则运算的功能依赖于OperationService

3.2 代码说明

3.2.1 出题功能代码

    /**
     * 生成指定数目包含答案的有效题目
     */
    @Override
    public void generateExercises(int exercisesNum, int numRange) throws IOException {
        int count = 0;
        while (count 

实现思路：

1. 随机生成运算符个数
2. 根据运算符个数随机生成运算符
3. 根据运算符个数和限定的数值范围随机生成操作数
4. 根据生成的表达式求解答案，求解过程发现表达式不合理就返回null
5. 上一步合法的表达式，根据查重集合检查是否重复，如果不合法，返回第1步
6. 上一步合法的表达式，加入待输出队列和查重集合，如果重复，返回第1步
7. 循环以上1-6，直到生成指定数量的题目

3.2.3 批卷功能代码

/**
* 解析题目文件和答案文件
*/
public List readFile(File exercisesFile, File answerFile) throws Exception {
        BufferedReader exercisesReader = FileUtil.getBufferedReader(exercisesFile);
        BufferedReader answerReader = FileUtil.getBufferedReader(answerFile);
        String question;
        List exercisesList = new LinkedList();
        while ((question = exercisesReader.readLine()) != null) {
            String answer = answerReader.readLine();
            //解析成Exercises对象
            Exercises exercises = CalculateUtil.parseExercises(question);
            //填入学生答案
            exercises.setStudentAnswer(CalculateUtil.parseAnswer(answer));
            exercisesList.add(exercises);
        }
        return exercisesList;
 }
/**
 * 批卷功能
 */
public Result checkAnswer(List exercises) throws IOException {
        Result result = new Result();
        for (Exercises e : exercises) {
            generateAnswer(e);
            //填入表格
            CheckController.CHECK_EXERCISES_OBSERVABLE_LIST.add(e);
            if (e.getAnswer().equalsIgnoreCase(e.getStudentAnswer())) {
                result.getCorrectList().add(e.getNumber());
            } else {
                result.getWrongList().add(e.getNumber());
            }
        }
        //将结果输出到文件
        writeCheckResultToFile(result);
        return result;
}

实现思路：

1. 读取题目文件和学生答案，逐行解析为题目和答案
2. 将解析出的题目和学生答案加入集合
3. 从集合取出题目，计算正确答案
4. 比较正确答案和学生答案
5. 若上一步答案正确，把题号加入正确题目集合，若错误，把题号加入错误题目集合
6. 循环以上1-5，直达文件读取完毕

3.2.3 四则运算功能代码

    /**
     * 生成答案
     */
    @Override
    public void generateAnswer(Exercises e) {
        Queue queue = new LinkedList();
        ArrayList eValueList = e.getValueList();

        //将所有运算数进队列
        for (int i = 2 * e.getOperatorNumber(); i > e.getOperatorNumber() - 1; i--) {
            queue.add(eValueList.get(i));
        }

        //取出每个运算符,再从队列取出两个数字进行运算，结果再放入队尾中，直到取完所有运算符，此时队列中的数字为最终答案
        for (int i = e.getOperatorNumber() - 1; i >= 0; i--) {
            String opSymbol = eValueList.get(i);

            //从队列取出两个数字
            String num1 = queue.remove();
            String num2 = queue.remove();
            //计算两数运算后结果
            String answer = OperatorEnum.getEnumByOpSymbol(opSymbol).op(num1, num2);

            //计算过程出现不符合条件的数值，就返回null
            if (answer == null) {
                e.setAnswer(null);
                return;
            }
            queue.add(answer);
        }
        e.setAnswer(queue.remove());
    }

实现思路：

1. 将题目的所有操作数加入队列
2. 如果还有剩余的运算符，取出题目的一个运算符，如果没有，跳到第7步
3. 从队列头部取出两个操作数
4. 将2和3取出的操作数和运算进行四则运算
5. 如果四则运算返回的结果为null，则结束，返回答案为null
6. 将4的结果加入到队列中，返回第2步
7. 取出队列中元素作为答案返回（此时只剩一个元素）

四、效能分析

4.1 程序效能

这是先后两次执行生成50000道题目功能时程序的资源消耗情况，可以得到以下结论：

• 内存占用：刚开始执行功能时占用内存短暂上升，但在功能执行结束后很快触发了GC，内存得到回收
• 线程消耗：第一次执行时创建了线程，第二次执行时没有创建新线程，说明线程池中线程得到重用
• 线程阻塞：整个过程只出现一次短暂的线程阻塞
• CPU占用：整个任务过程中CPU负载较高，属于CPU密集型应用

4.2 性能优化

以下测试皆为程序执行生成10000道题目时的性能表现

4.2.1 优化前：(执行过程消耗时间为：74s)

这是优化前的程序执行生成10000道题目的性能表现，可以看到程序中性能消耗最大的函数是GenerateServiceImpl类的validate函数，其中执行List.contains方法的时间占用达到了96%

4.2.2 查重算法优化后：(执行过程消耗时间为：11s)

由于查重算法中，把题目是否重复的判断写在equals方法中，每次比较都要重新分析题目的运算次序，并且validate方法中直接调用了List.contain方法，从源码来看，contain的内部是逐个遍历再调用equals方法，效率很低，因此改成每次生成题目后，解析出题目的最简式，用一个HashSet去保存题目的最简式，查重时调用Set.contain方法，其内部实现时哈希寻址，因此效率得到提高。改进查重方法后，validate依然是消耗最大的函数，但占比已经下降到27%.

4.2.3 多线程并发优化后（执行过程消耗时间为：1s）

这次改进在查重算法改进的基础至上，将生成题目和输出到文件的方法进行分离，引入线程池和多线程并发执行，最终将生成10000道题的时间消耗降低至1s

五、测试报告

5.1 测试项：生成题目和答案是否符合要求

结果说明：

以上为测试生成10道数值在2以内的题目的截图，可以看到题目符合要求且答案正确

5.2 测试项：批卷功能是否正确判断答案正确与否

修改上一步中输出的Answer.txt中奇数题号的答案，再使用批卷功能

查看输出的Grade.txt文件：

结果说明：

其中标出来奇数编号被修改的题目为错误题号，结果符合预期

5.3 测试项：能否支持一万道以上大量题目的生成

在出题模式下执行生成10000道数值范围在5以内的题目的功能

查看生成的Exercises.txt文件

查看生成的Answer.txt文件

结果说明：

可以看到程序正确地执行了生成10000道题目的功能，消耗时间1s

六、PSP表格

七、总结

7.1 项目小结

获得的经验：

1.实现的过程中到了数据结构的知识，加深对数据结构的理解

2.对项目进行性能优化，加深对多线程知识的理解

3.增加了协作开发的经验

不足的地方:

用Java来实现数据结构的效率不够高，GUI界面没有做响应式编程

7.2 结队感受

丘丽珊：

1. 这次项目中我们通过互相协作高效地完成了结对项目的任务，我在这次项目中学习到了很多新的知识，加深了对数据结构的理解，也获得了丰富的合作项目经验
2. 项目中我负责的是运算式的生成、运算式存储等功能，以及承担部分测试程序的任务，虽然有挑战但是不会觉得很困难，就算有也被队友在后期解决了
3. 队友的开发效率很高，使得项目在几天之内就完成了，合作起来比较轻松。

黄钰朝：

1. 这次项目中我们通过互相协作高效地完成了结对项目的任务，和别人协作开发的能力得到提高，丰富了合作项目的经验，也学习到了很多新的知识
2. 我正好在这段时间忙于工作室安康打卡项目的开发，队友认真负责，承担生成表达式和使用数据结构进行四则运算功能的开发(no error,no warning!)，使得项目进度没有落下
3. 队友代码风格良好并且注释很详细，对接后很容易看懂实现思路，模块耦合度低，维护起来很轻松，写的工具类谜之好用，后期调用十分省事，并且容易沟通，开发过程中遇到的问题能够及时地解决

结对项目：四则运算题目生成器（Java）

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原文地址：https://www.cnblogs.com/misterchaos/p/12687033.html