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结对项目成员:张鹏 3118004985 郑靓 3118004988


一、项目需求分析

二、功能实现


三、代码实现or功能说明

★ GUI功能扩展说明

  • 采用了多线程的界面,任何操作不会阻塞其他操作,例如:可以在生成答案的同时批改作业
  • 得益于上面的设计,可以同时生成多个表达式文件,存储形式如下所示

  • 对于错误的输入,会有提示,如下所示

  • 对于文件选择后,点击批改,对于文件的格式有错误检查

通过后缀表达式的计算过程,确保生成表达式满足题目所有要求,避免重复的表达式生成 (详参下文 '判断重复的思路' )

★ 多线程(防止I/O阻塞)

  • 创建生产者线程, 传参进队列 'queue'

producer = multiprocessing.Process(target=self.expression_generator, args=(queue,))

  • 创建消费者进程, 传参进队列 'queue'

consumer = multiprocessing.Process(target=self.io_operation, args=(queue,))

  • 生产者——循环生成表达式 及其答案

    1. 构建随机表达式 以及生成其答案 ' Arithmetic(self.domain).create_arithmetic() '
    2. 生成其表达式对应答案 ' Calculate(expression).cal_expression() '
    3. 将生成后缀表达式过程中每次的结果 以及操作符集合 保存到 字典 (' self.no_repeat_dict ' ) 中, 从而确保生成等式不相同 (即 3+2+1 与 1+2+3 不相等, 6×8 与 8×6 相等)
    4. 生成完成后, 把表达式 以及 答案添加到队列 queue
  • 消费者——循环生成表达式 及其答案
    1. 通过死循环不断获取队列内容, 若队列传出 'None' 信号, 消费者进程停止
    2. 解析从队列获取的内容, 并将多次获取的表达式以及答案保存到 缓冲区(Buffer) 中, 有限次数后开始写入文件 并 销毁缓冲区内容

★ 判断重复的思路

  1. 由于考虑到题目说1+2+32+1+3相等,1+2+33+2+1是不相等的,我一开始是从字符串的处理考虑,但是复杂度有点高。
  2. 所以换了一个角度考虑,从运算顺序入手,就想到用后缀表达式进行去重,并且这样也不用考虑括号,符合题目所说的(1+2)+31+2+3相等
  3. 具体就是存储每一次运算出来的结果,然后进行一一比较

    例如(这里举的是比较简单的例子): 1+2+3,压入的数字:[3, 6]; 3+2+1,压入的数字:[5,6],所有两个判断为不相等
  4. 但是这样会出现1+32+2判断为重复的情况,所以添加两个数组——[操作数],[运算符],作为比较的依据
  5. 再来考虑效率,用字典的数据结构,以答案为键,其他三个比较标志作为值,只在答案相等的情况下判重

    附:最终选定了添加后缀计算的去重模式,就是为了避免 (1÷1)+31+(3÷1) 这种不为重复表达式的情况,但是效率确实比只判断(操作数、运算符)的模式低了

——创建数据结构

# 用答案作为索引构建的字典,
{
"1'2/2": [
[[压入的数字], [操作数], [运算符]],
[[压入的数字], [操作数], [运算符]],
...
]
}
# 通过比较上述字典, 确认新表达式是否已经在上述字典中
def judge_repeat(self, answer, test_sign):
for expression_sign in self.no_repeat_dict[answer]:
# 记录相同的个数
same_num = 0 for i in range(3):
if collections.Counter(expression_sign[i]) == collections.Counter(test_sign[i]):
same_num += 1 # 如果中间结果、操作数、运算符均相等,则为重复
if same_num == 3:
return False
return True

★ 生成表达式思路

# 表达式列表形式
['10', '÷', '(', '8/9', '÷', '51', ')']
  1. 随机生成操作数列表,运算符列表
  2. 根据以上两个列表构建无括号表达式
  3. 根据运算符个数,随机生成括号个数,最大个数为( 1->0, 2->1, 3->2 )
  4. 再随机括号位置,维护操作数位置列表,插入括号
# 生成表达式
def create_arithmetic(self):
# 生成随机操作数、运算符列表
self.create_operand_list()
self.create_operator_list()
i = 0 # 构建表达式列表
self.expression_split.append(self.operand_list[i])
self.expression_split.append(self.operator_list[i])
i += 1
while i < len(self.operator_list):
self.expression_split.append(self.operand_list[i])
self.expression_split.append(self.operator_list[i])
i += 1
self.expression_split.append(self.operand_list[i]) # 插入括号
if self.operator_num != 1:
bracket_num = random.randint(1, self.operator_num - 1)
self.insert_bracket(bracket_num) # 删除无用括号
self.del_useless_bracket() return [self.expression_split, self.operand_list, self.operator_list]

★ 计算思路(后缀表达式)

生成后缀表达式

  1. 设置两个栈,一个用以存储运算符,一个用以存储后缀表达式
  2. 循环遍历表达式列表,如果是操作数,则加入后缀栈
  3. 否则如果是运算符则进入以下判断
    • 如果运算符栈为,或者栈顶为 ( ,则压入运算符栈
    • 否则如果当前运算符大于栈顶运算符的优先级,则压入运算符栈
    • 否则弹栈并压入后缀栈直到优先级大于栈顶或空栈
  4. 否则如果遇到括号则进入以下判断
    • 若为 ( 直接压入运算符栈
    • 否则弹栈并压入后缀栈直到遇到 (
  5. 将运算符栈剩余的元素压入后缀栈

计算后缀表达式

  1. 用一个栈(calculate_stack)作为计算中介
  2. 循环遍历后缀表达式,若为数字压入 calculate_stack
  3. 否则从 calculate_stack 弹出两个数字,分别化为分数类,进行计算,结果压入 calculate_stack
  4. 重复 2-3,若期间运算结果出现负数,或除数为0,则返回false
  5. 直至后缀表达式遍历完成,返回 calculate_stack 的栈顶

代码

class Calculate(object):

    def __init__(self, expression):
self.expression = expression # 分数加法 a1/b1 + a2/b2 = (a1b2 + a2b1)/b1b2
@staticmethod
def fraction_add(fra1, fra2):
molecular = fra1.molecular * fra2.denominator + fra2.molecular * fra1.denominator
denominator = fra1.denominator * fra2.denominator return Fraction(molecular, denominator) # 分数减法 a1/b1 - a2/b2 = (a1b2 - a2b1)/b1b2
@staticmethod
def fraction_minus(fra1, fra2):
molecular = fra1.molecular * fra2.denominator - fra2.molecular * fra1.denominator
denominator = fra1.denominator * fra2.denominator return Fraction(molecular, denominator) # 分数乘法 a1/b1 * a2/b2 = a1a2/b1b2
@staticmethod
def fraction_multiply(fra1, fra2):
molecular = fra1.molecular * fra2.molecular
denominator = fra1.denominator * fra2.denominator return Fraction(molecular, denominator) # 分数除法 a1/b1 ÷ a2/b2 = a1b2/a2b1
@staticmethod
def fraction_divide(fra1, fra2):
molecular = fra1.molecular * fra2.denominator
denominator = fra1.denominator * fra2.molecular return Fraction(molecular, denominator) # 基本运算选择器
def operate(self, num1, num2, operater):
if not isinstance(num1, Fraction):
num1 = Fraction(num1)
if not isinstance(num2, Fraction):
num2 = Fraction(num2) # 计算结果
if operater == '+':
return self.fraction_add(num1, num2)
if operater == '-':
return self.fraction_minus(num1, num2)
if operater == '×':
return self.fraction_multiply(num1, num2)
if operater == '÷':
return self.fraction_divide(num1, num2) # 转成逆波兰
def generate_postfix_expression(self):
# 运算符栈
operator_stack = []
# 后缀栈
postfix_stack = [] for element in self.expression:
# 如果是操作数则添加
if element not in operators:
postfix_stack.append(element)
# 如果是运算符则按优先级
elif element in operator.values():
# 运算符栈为空,或者栈顶为(,则压栈
if not operator_stack or operator_stack[-1] == '(':
operator_stack.append(element)
# 若当前运算符优先级大于运算符栈顶,则压栈
elif priority[element] >= priority[operator_stack[-1]]:
operator_stack.append(element)
# 否则弹栈并压入后缀队列直到优先级大于栈顶或空栈
else:
while operator_stack and priority[element] < priority[operator_stack[-1]]:
postfix_stack.append(operator_stack.pop())
operator_stack.append(element) # 如果遇到括号
else:
# 若为左括号直接压入运算符栈
if element == '(':
operator_stack.append(element)
# 否则弹栈并压入后缀队列直到遇到左括号
else:
while operator_stack[-1] != '(':
postfix_stack.append(operator_stack.pop())
operator_stack.pop() while operator_stack:
postfix_stack.append(operator_stack.pop()) return postfix_stack # 计算表达式(运算过程出现负数,或者除数为0,返回False,否则返回Fraction类)
def cal_expression(self):
# 生成后缀表达式
expressions_result = self.generate_postfix_expression()
# 存储阶段性结果
stage_results = [] # 使用list作为栈来计算
calculate_stack = [] # 后缀遍历
for element in expressions_result:
# 若是数字则入栈, 操作符则将栈顶两个元素出栈
if element not in operators:
calculate_stack.append(element)
else:
# 操作数
num1 = calculate_stack.pop()
# 操作数
num2 = calculate_stack.pop() # 除数不能为0
if num1 == "0" and element == '÷':
return [False, []] # 结果
result = self.operate(num2, num1, element) if result.denominator == 0 or '-' in result.to_string():
return [False, []] stage_results.append(result.to_string()) # 结果入栈
calculate_stack.append(result) # 返回结果
return [calculate_stack[0], stage_results]

四、实际测试

通过命令行控制

python ArithmeticCLMode.py [args|args]

[args]

├─ -h --help # 输出帮助信息

├─ -n # 指定生成表达式数量,默认100

├─ -r # 指定生成表达式各个数字的取值范围,默认100

├─ -a # 需和-e参数共同使用进行批改,指定答案文件

├─ -e # 需和-a参数共同使用进行批改,指定练习文件

└─ -g # 开启GUI

通过gui控制

python ArithmeticGMode.py

执行代码

python ArithmeticCLMode.py -n 100 -r 100

# 将上述执行生成的 Exercise.txt 中的1~10题的答案改为错误 执行
python ArithmeticCLMode.py -e ./docs/Exercise.txt -a ./docs/Answer.txt


五、效能分析

由Pycharm测试输出性能测试

程序耗时在多线程中的 生成表达式及计算, 以及I/O操作

在值域1000的情况下各生成不同数量级四则运算的耗时测试


六、PSP表格

PSP2.1 Personal Software Process Stages 预估耗时(分钟) 实际耗时(分钟)
Planning 计划 30 10
· Estimate · 估计这个任务需要多少时间 30 10
Development 开发 1055 1480 + 120
· Analysis · 需求分析 (包括学习新技术) 120 335
· Design Spec · 生成设计文档 60 35
· Design Review · 设计复审 (和同事审核设计文档) 5 5
· Coding Standard · 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范) 10 5
· Design · 具体设计 200 120
· Coding · 具体编码 600 580 +120
· Code Review · 代码复审 30 120
· Test · 测试(自我测试,修改代码,提交修改) 30 150
Reporting 报告 85 130
· Test Report · 测试报告 60 30
· Size Measurement · 计算工作量 10 10
· Postmortem & Process Improvement Plan · 事后总结, 并提出过程改进计划 15 90
合计 1170 1620 + 120

七、总结

优点:

  1. 在此次项目合作中,我们通过 "Notion" 这一个软件完成设计我们的 开发流程、工作分配以及我们的代码规范的设计。我们将需求列出,根据难度不同从而安排开发流程,每个人根据自己能力特出点不同而去做不同的需求,再通过交流约定我们每个人的接口。简化开发流程。
  2. 交流和配合都挺顺畅的

不足:

  1. 开发中各个模块的依赖关系在开发任务中没有处理清楚,导致双方都有空窗期

互评

To 郑靓

能力强,效率高,非常积极主动。能根据自己日常使用的工具提高效率,在实际开发中有明确的开发流程思路,开发过程中有部分函数代码注释思路不清。

To 张鹏

配合和交流能力强,效率高,能主动揽接任务,思维挺好的,但比较被动

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