BUAA-OO-第一单元表达式求导作业总结

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第一单元表达式求导作业

写在前面

本学期接触OOP面向对象编程这门课程，三周以来，第一单元的作业（表达式求导）已经基本完成，在此过程中，我初次接触到面向对象的思想，锻炼使用这种思想来编程解决一些问题；互测屋这种新的测评方式，也让人感触良多。

第一单元的作业围绕表达式求导，进行了三次逐渐扩展，难度递增的project，下面我将介绍在三次作业中的思路与代码架构，以及一些想法。再根据Metrics度量来分析我的程序架构。然后我将反思我程序的bug和互测屋测试别人的bug，最后思考重构方案，并总结心得体会。

一、设计思路与架构

Project 1 幂函数多项式求导

第一次作业可以说比较简单，在之前C语言的学习中，我们曾用结构体与链表实现过。可以说思路非常简单。

但不同的是，我们需要解析字符串，构建表达式，并且进行有效性的判断，如果输入表达式非法，需要输出WRONG FORMAT!

对于有效性判断，我练习使用了正则表达式。但是考虑到1000 char的要求，如果全部匹配，会发生爆栈。所以我通过循环匹配每一项，然后再从式中剪切掉，判断能否得到空串来判断有效性。

解析表达式，我使用正则，配合使用Pattern和Matcher，通过不同的捕获组进行表达式的解析。

第一次的作业代码架构，我建立了一个Term类，具有coef（系数）和exp（指数）的成员变量来表示每一个项，并再Poly类使用了ArrayList<Term>来存储表达式的每一项。

定义了Deri（求导）和print（输出）函数来实现求导和输出的功能。由于性能要求表达式尽可能短，所以再Poly中定义了simplify方法，循环对合并同类像对表达式进行化简。

UML第一次作业的构架如下图所示：

Project 2 幂函数与三角函数混合表达式求导

第一次作业中，我还没有什么面向对象编程的思想，写的非常面向过程，结构也没有可扩展性，导致了第二次作业完全重写的情况.......

第二次作业我重写了代码结构，为了尽可能的让程序具有扩展性，以便为第三次作业进行准备。

我建立了Expr（表达式）、Term（项）和Factor（因子）三级结构。其中Factor为抽象类，Power（幂函数），Sin（正弦函数），Cos（余弦函数）三个基本函数继承抽象类Factor。在Expr建立ArrayList<Term>，在Term中建立ArrayList<Factor>来实现三级存储。其结构如下图：

有效性判断依旧使用正则表达式，判断后化简，去除空白字符，处理连续的加减号。

解析表达式使用Pattern & matcher ，在解析时统一结构合并为 A * x^B * sin(x)^C * cos(x)^D，并且固定三个基本因子在ArrayList中的位置，这个合并可以简化求导时的计算。

求导时逐级遍历求导，A*B x^(B-1) * sin(x)^C * cos(x)^D，A*C x^B * sin(x)^(C-1) * cos(x)^(D+1)，A*D x^B * sin(x)^(C+1) * cos(x)^(D-1)

在本单元的化简中，我是用了启发式的化简方法，是一个很好的思路。

启发式化简

启发式思想

一个基于直观或经验构造的算法，在可接受的花费（指计算时间和空间）下给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解。

直观或经验构造的算法：sin(x)^2 + cos(x)^2= 1

可接受的花费：最大允许CPU时间1秒

每一个实例的一个可行解：记录每一个解的长度及其表达式，选择最优解（最短）输出。

所以，我用使用TreeMap结构存储，因为其有序性，方便直接取得最优解。

化简的流程为：

（1）随机选择，从TreeMap中随机选择一个表达式，再随机选择表达式中一项开始遍历，如有某项sin(x)因子的指数≥2，将其中的sin(x)\^2变为1-cos(x)\^2，然后调用基本化简，循环此操作。

（2）基本化简，从头遍历表达式各项（双循环）将A * sin(x)\^2 + A * cos(x)\^2化简为A

(3)限定条件，（循环次数或循环）输出得到的最优解，TreeMap. get(TreeMap.firstKey)。

具体代码如下：

总体来说，启发式化简思路简单，易于操作，只有sin(x)\^2+cos(x)\^2=1，这一条语法规则。其不断循环也可以处理高次方的化简问题。其可将表达式化简到最简。很多商业软件就是用的启发式算法进行化简，如Project 3评测采用的sympy。但是随机具有的不确定性，让此方法有些风险。如评测机不稳定等原因造成的TLE，对与统一式子化简得到如果有足够的时间，结果每次不一样等等。

Project 3 包含幂函数，三角函数，项嵌套的表达式求导

第三次作业在第二次作业中增加了嵌套，我在我第二次作业的基础上进行了扩展，增加了Digit（常数因子）和ExpFactor（表达式因子）继承抽象类Factor，增加了递归以实现了嵌套。其框架结构如下图所示：

由于此次的递归，无法使用正则表达式匹配，所以我学习使用了递归下降来进行表达式有效性判断和解析 。我新建表达式解析类，在其中共享数据流，并且新建每一个类对应的方法，返回值式每一个对应的类，表达式因子和三角函数括号内的因子需要将进行递归调用。

由于构架，求导也需要递归，并且各级求导返回都返回表达式(Expr)，并且要定义表达式的加法与乘法。

对于化简，要进行去括号和合并等操作，都需要递归进行，并且改变存储结构。

二、基于Metrics度量分析程序结构

使用Metrics来对面向对象程序进行度量是非常重要的。对于Project 1和Project 2 来说，由于代码结构比较简单，所以Metrics度量问题显示的不够明显。到Project 3时，我代码的问题暴露的非常冥想。下面我主要对我第三次作业代码进行Metrics度量的分析。

1、基于CK标准度量

（1）CBO 对象类之间的耦合

Metrics测试显示我代码大部分类的耦合度在7及以上，代码的耦合度还是比较高的，这会对代码的复用性造成影响。

（2）DIT与NOC

从这两项指标可以看出，我的代码深度及继承度都不足。由于初始面向对象，我的思想还比较浅显，代码构架的设计非常简单。虽然也成功解决了问题，但是代码的可扩展性不足。如果本单元还需要继续扩展，我的构架可能难以支持，这是我今后在写码前的设计过程中必须要考虑的。

（3）WMC 加权方法数

从测试中可以看出，我的有些类（如Analysis）的WMC值是非常高的，这是我从面向过程编程带来的问题，习惯吧一整套流程写在一个类中，导致有些类的加权方法数很大，这样会影响代码的通用性和复用性。

（4）RFC 类的响应集的大小

我的代码在此项数据中也有着较高的数值，类中方法被调用的过多，让代码调试变得困难。

2、对方法复杂对的分析

通过对方法复杂度的分析可以看出，Analysis类中的方法，复杂度非常高。这是由于我的主要功能与流程都集中在了此类中。这是一种不好的风格，影响了代码的复用性和扩展性，增加了出错的概率和调试的难度。

三、我的bug（悲剧啊.......

可以所在三次作业中，我的粗心和测试不足，让我付出了非常大的代价。

在第一次作业测试中，在输出的方法中，我对 -1*x 形式的量输出的时候会输出 -*x 的导致公测和互测频繁被爆。

在第二次作业测试中，由于我在解析表达式的时候，把正负号相连情况化为一个符号，但是其中存在-+-的情况化为了-号（应为+号），公测没有被测出，但导致互测被