20165315 结对编程练习_四则运算（阶段总结）

Posted 2020-10-31 yh666

20165315 结对编程练习_四则运算（阶段总结）

需求分析

• 对需求的理解
  • 支持真分数的四则运算
  • 支持多运算符
  • 能手动输入n道题目，n由使用者输入
• 后续拓展的可能
  • 能随机生成n道题目，n由使用者输入
  • 能够判断正误，错误时能提醒并输出正确答案
  • 能计算出正确率
  • 能多次生成题目，直到使用者选择退出
  • 题目去重
  • 处理生成题目并输出到文件
  • 完成题目后从文件读入并判题
  • 多语言支持：简体中文, 繁體中文, English

设计思路

先从键盘输入生成题目数，进入循环，从键盘输入算式，利用ChangeExpress方法将输入的算式转换为字符串，再用MyDcRational方法对算式进行后缀式计算，将分子分母分别输出后进行判断，若分母为1，则直接输出分子；若分母不为一，则输出分数形式。

UML图如下：

实现过程中的关键代码解释

• 进行带括号的四则运算：需要将输入的字符串更改为后缀式并进行计算。学习了[2016-2017-2 《Java 程序设计》课堂实践项目]之后，发现老师的参考代码MyDC.java，原理是：利用空格作为分隔符将后缀式表达的字符串进行分割，遇到操作数就压栈，遇到操作符就弹出栈顶的两位操作数进行运算，再将运行结果压栈，直到没有下一个分割好的字符串，输出结果：

import java.util.StringTokenizer;
 import java.util.Stack;

 public class MyDC
 {
   /** constant for addition symbol */
   private final char ADD = ‘+‘;
   /** constant for subtraction symbol */
   private final char SUBTRACT = ‘-‘;
   /** constant for multiplication symbol */
   private final char MULTIPLY = ‘*‘;
   /** constant for division symbol */
   private final char DIVIDE = ‘/‘;
   /** the stack */
   private Stack<Integer> stack;//存放操作数的栈,且只能存放Integer型
   public MyDC()
   {
     stack = new Stack<Integer>();
   }

   public int evaluate (String expr)
   {
     int op1, op2, result = 0;
     String token;
     StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer (expr);//划分表达式

     while (tokenizer.hasMoreTokens())
     {
       token = tokenizer.nextToken();//将算数表达式以空格为分隔符进行分解

       if (isOperator(token))//见下方isOperateor方法,当是运算符的时候进入if语句
       {
         op2 = (stack.pop()).intValue();
         op1 = (stack.pop()).intValue();//弹出最上面两个操作数
         result = evalSingleOp (token.charAt(0), op1, op2);//见下方evaSingleOp方法
         stack.push (new Integer(result));//将计算结果压栈
       }
       else
         stack.push (new Integer(Integer.parseInt(token)));//操作数入栈
     }

     return result;//输出结果
   }

   private boolean isOperator (String token)//判断是否为运算符,注意用equal语句比较字符串
   {
     return ( token.equals("+") || token.equals("-") ||
              token.equals("*") || token.equals("/") );
   }

   private int evalSingleOp (char operation, int op1, int op2)
   {
     int result = 0;

     switch (operation)
     {
       case ADD:
         result = op1 + op2;
         break;
       case SUBTRACT:
         result = op1 - op2;
         break;
       case MULTIPLY:
         result = op1 * op2;
         break;
       case DIVIDE:
         result = op1 / op2;
     }

     return result;
   }
 }

• 考虑题目要求为能进行分数运算，想起来教材第四章代码Rational.java可以保留分式进行加、减、乘、除、分数约分等运算,但书上代码

a. 没有考虑到分母为零或者除数为零的情况，所以加以改动，在此情况下打印错误“分子/除数不能为0并退出运算”;

b. 分母为负分子为正时的输出没有将符号提前，进行符号提前：

public class Rational{//有理数
  int numerator=1;//分子
  int denominator=1;//分母
  void setNumerator(int a){//设置分子
    int c=f(Math.abs(a),denominator);//计算最大公约数
    numerator=a/c;
    denominator=denominator/c;
    if (numerator<0&&denominator<0) {
      numerator=-numerator;
      denominator=-denominator;
    }
  }
  void setDenominator(int b){//设置分母
    int c=f(numerator,Math.abs(b));//计算最大公约数
    numerator=numerator/c;
    denominator=b/c;
    if (numerator<0&&denominator<0) {
      numerator=-numerator;
      denominator=-denominator;
    }
    else if (numerator>0&&denominator<0){
        numerator=-numerator;
        denominator=-denominator;
    }
  }
  int getNumerator(){
    return numerator;
  }
  int getDenominator(){
    return denominator;
  }
  int f(int a,int b){//求a,b的最大公约数
    if (a==0) {
      return 1;//c为分母不能为0
    }
    if (a<b) {//令a>b
      int c=a;
      a=b;
      b=c;
    }
    int r=a%b;
    while (r!=0) {
      a=b;
      b=r;
      r=a%b;
    }
    return b;
  }
  Rational add(Rational r){//加法运算
    int a=r.getNumerator();//返回有理数r的分子
    int b=r.getDenominator();//返回有理数r的分母
    int newNumerator=numerator*b+denominator*a;//计算出新分子
    int newDenominator=denominator*b;//计算出新分母
    Rational result=new Rational();
    result.setNumerator(newNumerator);
    result.setDenominator(newDenominator);
    return result;
  }
  Rational sub(Rational r){//减法运算
    int a=r.getNumerator();
    int b=r.getDenominator();
    int newNumerator=numerator*b-denominator*a;
    int newDenominator=denominator*b;
    Rational result=new Rational();
    result.setNumerator(newNumerator);
    result.setDenominator(newDenominator);
    return result;
  }
  Rational muti(Rational r){//乘法运算
    int a=r.getNumerator();
    int b=r.getDenominator();
    int newNumerator=numerator*a;
    int newDenominator=denominator*b;
    Rational result=new Rational();
    result.setNumerator(newNumerator);
    result.setDenominator(newDenominator);
    return result;
  }
  Rational div(Rational r){//除法运算
    int a=r.getNumerator();
    int b=r.getDenominator();
    Rational result=new Rational();
    if (a==0) {
      System.out.println("分母/除数不能为0");
     result.setNumerator(0);
      System.exit(0);
    }
    else{
      int newNumerator=numerator*b;
      int newDenominator=denominator*a;
      result.setNumerator(newNumerator);
      result.setDenominator(newDenominator);
    }
    return result;
  }
}

• 根据MyDC.java 与Rational.java进行综合与改动，完成代码MyDcRational.java，将整数与小数运算改为分数与整数的后缀式运算：

import java.util.StringTokenizer;
 import java.util.Stack;

 public class MyDcRational
 {
   /** constant for addition symbol */
   private final char ADD = ‘+‘;
   /** constant for subtraction symbol */
   private final char SUBTRACT = ‘-‘;
   /** constant for multiplication symbol */
   private final char MULTIPLY = ‘*‘;
   /** constant for division symbol */
   private final char DIVIDE = ‘/‘;
   /** the stack */
   private Stack stack;//存放操作数的栈
   public MyDcRational()
   {
     stack = new Stack();
   }

   public Rational evaluate (String expr)
   {
     Rational op1=new Rational();
     Rational op2=new Rational();
     Rational result=new Rational();
     result.setNumerator(0);
     String token;
     StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer (expr);//划分表达式

     while (tokenizer.hasMoreTokens())
     {
       token = tokenizer.nextToken();//将算数表达式分解的

       if (isOperator(token))//见下方isOperateor方法,当是运算符的时候进入if语句
       {
         op2 = (Rational) stack.pop();
         op1 = (Rational)stack.pop();//弹出最上面两个操作数
         result = evalSingleOp (token.charAt(0), op1, op2);//见下方evaSingleOp方法
         stack.push (result);//将计算结果压栈
       }
       else{
            Rational num=new Rational();
            num.setNumerator(Integer.parseInt(token));//将操作数由string转变为Rational
            stack.push (num);//操作数入栈
       }

     }

     return result;//输出结果
   }

   private boolean isOperator (String token)//判断是否为运算符,注意用equal语句比较字符串
   {
     return ( token.equals("+") || token.equals("-") ||
              token.equals("*") || token.equals("/") );
   }

   private Rational evalSingleOp (char operation, Rational op1, Rational op2)
   {
     Rational result=new Rational();
     result.setNumerator(0);
     switch (operation)
     {
       case ADD:
         result = op1.add(op2);
         break;
       case SUBTRACT:
         result = op1.sub(op2);
         break;
       case MULTIPLY:
         result = op1.muti(op2);
         break;
       case DIVIDE:
         result = op1.div(op2);
         break;
        default:
          System.out.println("Error!");
     }
     return result;
   }
 }

• 要利用MyDcRational.java完成运算就需要将前缀式改成后缀式，具体思路在[2016-2017-2 《Java 程序设计》课堂实践项目]中有明确的说明：

• 设立一个栈，存放运算符，首先栈为空；
• 从左到右扫描中缀式，若遇到操作数，直接输出，并输出一个空格作为两个操作数的分隔符；
• 若遇到运算符，则与栈顶比较，比栈顶级别高则进栈，否则退出栈顶元素并输出，然后输出一个空格作分隔符；
• 若遇到左括号，进栈；若遇到右括号，则一直退栈输出，直到退到左括号止。
• 当栈变成空时，输出的结果即为后缀表达式。

根据上述思路，完成代码ChangeExpress.java，将前缀式改为后缀式，并且完成分析括号匹配的功能，若左右括号不匹配，输出错误并退出程序运行：

import java.util.*;
public class ChangeExpress{
  String originalExpression;
  String changedExpression= "";
  int countLeft=0,countRight=0;
  public void setOriginalExpression(String str){
    originalExpression=str;
  }
  public void changedWay(){
    Stack stackChange=new Stack();//创立栈
    int opValue []=new int[100];
    for (int i=0;i<originalExpression.length() ;i++) {
      char chi=originalExpression.charAt(i);
      if (chi>=‘0‘&&chi<=‘9‘){
          changedExpression=changedExpression+chi;
      }
      else if (chi==‘+‘||chi==‘-‘||chi==‘*‘||chi==‘/‘) {
        changedExpression=changedExpression+" ";//有运算符，数字之间就要有空格，否则是一个整体
        if (stackChange.empty()){//栈为空直接压栈
            stackChange.push(chi);
        }
        else if (judgeValue(chi)>=judgeValue((char)stackChange.peek())) {//运算级别高或者相等压入栈
          stackChange.push(chi);
        }
        else{
          changedExpression=changedExpression+ String.valueOf(stackChange.pop())+" ";//否则直接进入字符串,空格分割运算符
          i--;
        }
      }
      else if(chi==‘(‘){
        countLeft++;
        stackChange.push(chi);//左括号压栈
      }
      else if(chi==‘)‘){
        changedExpression+=" ";
        countRight++;
        while((char)stackChange.peek()!=‘(‘){//直到（为止
          changedExpression=changedExpression+ String.valueOf(stackChange.pop())+" ";//弹出栈内东西,空格分割
        }
        stackChange.pop();
      }
    }
    changedExpression+=" ";
    while(!stackChange.empty()){
        changedExpression=changedExpression+String.valueOf(stackChange.pop())+" ";
    }
    if (countLeft!=countRight) {
      System.out.println("括号不匹配");
      System.exit(0);
    }
  }
  public int judgeValue(char c){
    int value=0;
    switch(c){
      case ‘(‘:
        value=1;
        break;
      case ‘+‘:
      case ‘-‘:
        value=2;
        break;
      case ‘*‘:
      case ‘/‘:
        value=3;
        break;
      case ‘)‘:
        value=4;
      default:
        value=0;
    }
    return value;
  }
}

• 最后编写主函数代码Calculation.java，实现功能有：运算式输入、运算、结果输出:

import java.util.*;
public class Calculation{
  public static void main(String[] args) {
    Scanner reader=new Scanner(System.in);
    Rational result=new Rational();
    System.out.println("请输入运算式");
    String str=reader.nextLine();
    ChangeExpress change=new ChangeExpress();
    change.setOriginalExpression(str);
    //System.out.println(change.originalExpression);
    change.changedWay();//后缀式化
    //System.out.println(change.changedExpression);
    MyDcRational calculate=new MyDcRational();//后缀式计算
    result=calculate.evaluate(change.changedExpression);
    int a=result.getNumerator();
    int b=result.getDenominator();
    if (b==1){
        System.out.println("result="+a);
    }
    else{
        System.out.println("result="+a+"/"+b);
    }
  }
}

测试方法

运行过程截图

代码托管地址

https://gitee.com/BESTI-IS-JAVA-2018/ch1/tree/master/20165315teamwork1/src2

遇到的困难及解决方法

由于我的结对伙伴上次实验是做的四则运算，故我们一开始便是基于上次实验开始做这次的结对编程

• 由于题目中要求使用的除号是÷，而之前的代码则是使用的/，所以在辨别分数和除号时出了一些问题

解决方法：
新增了一个运算符÷，并设置它的优先级等等，将之前程序中使用的/对应改成÷

• 这次题目有很多新增的要求，为了防止主函数太过冗杂，我们认为应该重新设置一个主类，这就需要修改很多代码，容易出bug

解决方法：
我和结对伙伴已经做了大概的思路，即再新增Language类、Judge类等等，将在下周的总结中解决

对结对的小伙伴做出评价

我的结对小伙伴徐雯编程基础很好，所以驾驶员是由她担当的，主要代码的编写都是由她完成，而我基本是监督、修改她的代码。徐雯是一个对打代码严谨、创新、精益求精的人，每一个类每一个方法都分的清晰明白，在和她结对的过程中，我也学会了很多编代码的思路。我非常高兴能和徐雯结对编程～