结对项目——自动生成小学四则运算题目的命令行程序（基于Python）

这个作业属于课程	软件工程
这个作业的要求在哪里	结对项目
这个作业的目标是	实现一个自动生成小学四则运算题目的命令行程序
成员	3118005408 方俊涛、3118005409 冯宇航

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文章目录

PSP
效能分析
设计实现过程以及重要代码说明
测试运行
项目小结

PSP

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	30	20
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	30	20
Development	开发	470	455
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	150	120
· Design Spec	· 生成设计文档	30	20
· Design Review	· 设计复审 (和同事审核设计文档)	20	15
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	20	10
· Design	· 具体设计	30	20
· Coding	· 具体编码	150	130
· Code Review	· 代码复审	30	20
·Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	40	120
Reporting	报告	75	80
· Test Report	· 测试报告	25	50
· Size Measurement	· 计算工作量	20	10
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结, 并提出过程改进计划	30	20
合计		575	555

效能分析

花费时间：30min

egg :python main.py -r 50 -n 1000

改进前：

通过pycharm自带的效能分析工具来看，我们的程序在creQuestion（）上花费的时间是比较多的，原因是该函数在实现生成表达式时，调用了self.isRepeat(expressionList, expression) 进行查重检测，此步奏涉及到大量的遍历二叉树

    def creQuestion(self):"""表达式生成主函数"""expNum = self.expressionNumexpressionList = []i = 0while i < expNum:random_num_operation = random.randint(1,self.operCount)  #运算符的数目is_need_parenteses = random.randint(0, 1)    #是否需要加括号number_of_oprand = random_num_operation + 1  # 操作数比操作符的数目多1exp = []for j in range(random_num_operation + number_of_oprand):if j % 2 == 0:# 随机生成操作数(含分数）exp.append(self.getOperNum()['operStr'])if j > 1 and exp[j - 1] == '÷' and exp[j] == '0':while True:exp[j - 1] = self.generateOperation()if exp[j - 1] == '÷':continueelse:breakelse:# 生成运算符exp.append(self.generateOperation())if j > 3:if exp[j-2] == '÷' :  #为了子表达式为真分数，÷左右又括号除外if exp[j-1] > exp[j-3]:t  = exp[j-1]exp[j - 1] =  exp[j-3]exp[j - 3] = telif exp[j-2] == '-' :if exp[j-1] < exp[j-3]:t  = exp[j-1]exp[j - 1] =  exp[j-3]exp[j - 3] = t# 判断是否要括号if is_need_parenteses and number_of_oprand != 2:expression = " ".join(self.generateParentheses(exp, number_of_oprand))else:expression = " ".join(exp)#判断是否有重复#           if self.expressionNum <= 500:if 1 :if self.isRepeat(expressionList, expression) :continueelse:result = self.calculate(expression)if result == "False" :passelse:expressionList.append(expression)#('第 %d 道题' % int(i + 1))#print(expression)i = i + 1else:result = self.calculate(expression)if result == "False":passelse:expressionList.append(expression)# ('第 %d 道题' % int(i + 1))# print(expression)i = i + 1return expressionList

改进后：

出于软件工程的实用性和需求分析，当需要生成的题目数量超过500时，由于题量较多，时间更显得重要，故判断题量较多时可不查重，改进后时间大大缩短

通过pycharm自带的效能分析工具来看，我们改进后的程序在expression_result()上花费的时间是比较多的，原因在于为了计算答案，多次调用suffixExpression进行中缀表达式转后缀表达式并进行计算。思考无果，暂时没有好算法进行替换

时间缩短为原来的1/37

   def expression_result(self,exp_list):"""求表达式的结果:param exp_list: 表达式列表:return: None"""self.exp_list  =exp_listif os.path.exists('Answer.txt'):   # 清空上一次的答案with open('Answer.txt', 'r+') as file:file.truncate(0)for i, exp in enumerate(self.exp_list):order_str = str(i + 1)suffixExpression  = SuffixExpression(exp)#print("------suffixExpression:{}---------".format(str(suffixExpression.suffixToValue()) ))exp_value = str(suffixExpression.suffixToValue()) + '\n'result = "Answer"+order_str + ': ' + exp_valuewith open('Answer.txt', 'a+', encoding='utf-8') as f:f.write(result)

设计实现过程以及重要代码说明

本次设计程序我们采取了面向对象的方法进行编程，对于整个程序进行分析，我们以生成题目、计算答案、校对答案三个功能把它分为了三个模块构造了四个类，其中BinaryTree类主要服务于Product类实现生成题目的功能

第一个类： BinaryTree类

该类有两个功能：生成二叉树和检查两颗二叉树是否相同

生成二叉树：是将传入的后缀表达式列表用二叉树进行存储

检查两颗二叉树是否相同：实现的方法是基于递归的方法进行遍历结点

本类是为了Product类的def isRepeat(self, express_set, expression)函数服务的，在Product类为了避免生成重复的表达式，采用了基于二叉树的形式进行查重！

第二个类： SuffixExpression类

该类的功能如下：

* 将中缀表达式转化为后缀表达式(def toSuffix(self))
* 计算后缀表达式的值( def suffixToValue(self):)

其中将中缀表达式转化为后缀表达式的实现：

def toSuffix(self):"""中缀表达式转为后缀表达式:self.exp : 中缀表达式列表:return: result列表"""if not self.exp: return []ops_rule = {'+': 1,'-': 1,'×': 2,'÷': 2,}suffix_stack = []  # 后缀表达式结果ops_stack = []  # 操作符栈infix = self.exp.split(' ')   # 将表达式分割得到单词# print(infix)for item in infix:if item in ['+', '-', '×', '÷']:  # 遇到运算符while len(ops_stack) >= 0:if len(ops_stack) == 0:ops_stack.append(item)breakop = ops_stack.pop()if op == '(' or ops_rule[item] > ops_rule[op]:ops_stack.append(op)ops_stack.append(item)breakelse:suffix_stack.append(op)elif item == '(':  # 左括号直接入栈ops_stack.append(item)elif item == ')':  # 右括号while len(ops_stack) > 0:op = ops_stack.pop()if op == "(":        # 一直搜索到出现“(”为止breakelse:suffix_stack.append(op)else:suffix_stack.append(item)  # 数值直接入栈while len(ops_stack) > 0:suffix_stack.append(ops_stack.pop())self.re =suffix_stackreturn suffix_stack

该代码的思路解释：
我们实现中缀表达式转化为后缀表达式的思路：
预处理：由于题目要求数字与运算符之间要有空格隔开，所以转化过程中需先清除空格
遍历中缀表达式：

如果遇到操作数，我们就直接将其存入后缀表达式栈suffix_stack[]
如果遇到操作符，则我们将其放入到操作符栈ops_stack中，遇到左括号时我们也将其放入操作符栈ops_stack中
如果遇到一个右括号，则将操作符栈ops_stack元素弹出，将弹出的操作符存入后缀表达式栈suffix_stack直到遇到左括号为止。注意，左括号只弹出并不存入后缀表达式栈suffix_stack。
如果遇到任何其他的操作符，如（“+”， “*”，“（”）等，从操作符栈ops_stack中弹出元素直到遇到发现更低优先级的元素(或者栈为空)为止。弹出完这些元素后，才将遇到的操作符压入到操作符栈ops_stack中。有一点需要注意，只有在遇到" ) “的情况下我们才弹出” ( “，其他情况我们都不会弹出” ( "。
如果我们读到了输入的中缀表达式的末尾，则将ops_stack栈中所有元素依次弹出。

第三个类：Product类

功能是生成要求的四则运算式子。

对于实现生成式子功能，我们把式子的各个要素分别构建方法进行生成，式子可能包含的要素分别为：整数、分数、括号、运算符。

其中分数的生成是较为复杂的，因为题目要求生成的都是真分数，所以在生成分数后我们有构建了一个方法把假分数转换为带分数

 def DecToStr(self,operArray):#分数转化为带分数字符串operNum1 = operArray[0]operNum2 = operArray[1]if operNum2 == 1:return operNum1if(operNum1 > operNum2):temp = int(operNum1/operNum2)operNum1 -= (temp*operNum2)return str(temp) + "'" + str(operNum1) + "/" + str(operNum2)else:return str(operNum1) + "/" + str(operNum2)

此外，我们的函数isRepeat(self, express_set, expression)实现了查重，避免生成运算本质相同的式子（egg: 3+2+4 与4+（3+2），像这样就是重复的一种情形），不过此算法的时间复杂度较大。

    def isRepeat(self, express_set, expression):"""判断重复方法:paramexpress_set: 表达式集合expression: 生成的表达式:return: True or False"""suffixExpression = SuffixExpression(expression)target_exp_suffix = suffixExpression.re   # 后缀表达式列表binaryTree = BinaryTree()target_exp_binary_tree = binaryTree.generateBinaryTree(target_exp_suffix)for item in express_set:suffixExpression2 = SuffixExpression(item)source_exp_suffix = suffixExpression2.resource_exp_binary_tree = binaryTree.generateBinaryTree(source_exp_suffix)if binaryTree.treeIsSame(target_exp_binary_tree) == binaryTree.treeIsSame(source_exp_binary_tree):return Truereturn False

第四个类：Answer类

功能是：

调用SuffixExpression类进行计算得出答案文档
校对提交的答案

由于需要对两个文档的答案进行校对，所以也有可能出现文档输入不正确的结果，所以设置了两个异常处理，防止打开文件出现问题导致程序出错

    def check_answer(exercisefile, answerfile):"""校对答案:paramexercisefile: 练习题文件answerfile: 答案文件:return: None"""wrong_num = 0correct_num = 0exercise_answer = []correct_list = []  # 正确题目序号wrong_list = []  # 错误题目序号try:with open(exercisefile, 'r', encoding='utf-8') as f:for line in f:# 匹配出正则表达式exp_str = re.findall(r'\d+: (.*) = \n', line)if exp_str:exp = exp_str[0]else:continuep  = SuffixExpression(exp)exp_value = str(p.suffixToValue())exercise_answer.append(exp_value)except IOError:print('please check if the path is correct')# 判断表达式列表是否为空try:with open(answerfile, 'r', encoding='utf-8') as f:for i, line in enumerate(f):ans_str = re.findall(r'\d+: (.*)\n', line)# 容错if ans_str:ans = ans_str[0]else:continue# 判断是否正确if ans == exercise_answer[i]:correct_num += 1correct_list.append(i + 1)else:wrong_num += 1wrong_list.append(i + 1)with open('Grade.txt', 'w+', encoding='utf-8') as f:correct_str = 'Correct: ' + str(correct_num) + ' ' + str(correct_list) + '\n'wrong_str = 'Wrong: ' + str(wrong_num) + ' ' + str(wrong_list)f.write(correct_str)f.write(wrong_str)except IOError:print('please check if the path is correct')

在读取文件时，采用正则表达式获取所需要的信息：

ans_str = re.findall(r'\d+: (.*)\n', line)exp_str = re.findall(r'\d+: (.*) = \n', line)

测试运行

项目小结

冯宇航

对于结对项目的实操是给我们团队编程的一次训练，团队合作可能成员实力有强有弱，这时候能力较强的可能要付出多一点教导能力较弱的成员，两人一个学习一个复习，共同进步。

方俊涛

本次结对编程利用python采用了面向对象的思想，进行分模块分类实现。使用到的数据结构有：二叉树，列表，栈。用到的技术有中缀表达式转化为后缀表达式，二叉树判定重复等等。合作方面：开发前二人进行较多的讨论，通过事先调研、二人讨论确定本次开发所需要的技术，并确定各自任务和合作内容。两人合作可以发现各自无法发现的bug，并互相促进更进进度。结对编程重要的还是交流与互助！