模拟电路系统作业总结

一、前言

刚开始学Java的时候，我连一个完整的类都写得磕磕绊绊，没想到这三次PTA作业（作业集4、5、6）直接让我上手做了一个“数字电路模拟程序”，而且是一版一版往里面加东西。作业4做基础逻辑门，作业5加译码器和数据选择器这些复杂元件，作业6还要搞带反馈的时序电路，难度一次比一次大，但我居然真的跟下来了。
先简单说下这三次作业的整体情况：作业4最基础但也最混乱，就是刚学完类和对象，用最直接的方式写代码，要求实现与门、或门、非门、异或门、同或门五种基本元件，能读输入、算输出就行，不用考虑结构好不好，核心就是练继承、集合和基本的流程控制，题量看着不大，但对刚入门的人来说挑战不小。作业5是最难适应的一次，一下加了四个新元件（三态门、译码器、数据选择器、数据分配器），引脚的类型变多了，有控制引脚、输入引脚、输出引脚，而且有些元件输出不全的话要忽略掉。这次逼着我把之前糊在一起的代码拆成好几个类，电路管理归电路管理，输入解析归输入解析，不能再把所有东西都写在一坨。思维转不过弯的时候真的特别痛苦，但熬过去之后发现代码好像突然变清楚了。作业6是在前两次的基础上又加上了D触发器和JK触发器，电路里能出现反馈了，信号可以自己绕回来，这下之前那种“扫一遍全算完”的方法不行了，得想办法处理状态和时序。这次代码量最大，细节也特别多，但因为有前面两次的底子，思路反而比作业5刚重构时要清晰一些，重点是细心、不马虎。

三次作业难度一点点往上加，知识点也从最开始的继承、多态，慢慢过渡到设计类的分工、处理无效状态、模拟时序逻辑，完全跟着课程进度走。没有一上来就扔一个超难的完整项目，而是一步步引导，让我也能跟得上，也真正开始明白，编程不是写完就算了，还要写得工整、好改、不容易出乱子。这三次作业下来，我才算真正用Java写出了一个有点样子的东西，也一点点理解了面向对象设计到底是在学什么。
二、设计与分析
（一）作业4：第一次尝试，把五种基本门做出来
作业要求

作业4的核心是做一个能模拟数字电路的简单程序，支持与门、或门、非门、异或门、同或门这五种基本逻辑门。程序要能读入像INPUT: A-1 B-0这样的输入信号，还有[A A(2)1-1]这样的连接关系，然后自动算出每个门的输出，按照类型和编号排序打印出来。如果某个门的输入引脚没接全，就干脆忽略它，不输出。
我当时的思路
我一开始觉得，这五种门虽然逻辑不一样，但都有共同的特性：有输入引脚，有输出引脚，只不过计算方式不同。那正好可以用老师刚教的继承，搞一个抽象的父类叫Door，里面放上类型字母、编号、一个存输入值的列表in，还有一个输出值out。然后五种门分别写一个子类，每个子类里重写一个MakeOut()方法，与门就检查是不是所有输入都是1，或门就检查有没有一个1，非门就直接翻转，异或门和同或门就比两个输入一不一样。
所有东西都塞在Main类里
现在回头看，我作业4最大的问题就是所有逻辑都写在Main类里面。解析INPUT行、解析连接行、创建门对象、给门灌输入、一遍遍循环计算、最后排序输出，全挤在一个文件里。当时还觉得“反正就这么点东西，拆来拆去多麻烦”，结果写完之后自己看着都晕。后来老师讲到单一职责原则，我才意识到这种写法有多糟糕——想改一个地方，得在一大坨代码里翻半天，生怕改错了影响到别的功能。
模拟电路是怎么跑起来的
我用了一个很笨但能跑的办法：把所有门放在一个列表里，然后一遍遍循环。每次循环就去检查每个门，看它的所有输入引脚是不是都在信号表里能取到值。如果能取到，就立刻算输出，把算出来的输出信号存进全局信号表（一个HashMap，键是信号名，值是0或1）。然后继续循环，直到某一轮没有任何新门被算出来，就停止。因为题目保证了作业4里没有反馈回路，所以这个方法虽然有点傻，但肯定能停，而且不会算错。
一个很低级的Bug
写完作业4提交的时候，样例1和2都过了，但样例3怎么都过不去。我盯着代码看了快一个小时，最后发现是或门ODoor里面，我算出了输出结果out，却忘了把这个结果赋值给成员变量。局部变量算完就没了，所以输出一直是初始值0。就一行代码的事，折腾了大半个晚上。这个教训让我记到现在：操作成员变量的时候一定要想清楚，你到底是在给局部变量赋值，还是在给this.xxx赋值。
作业五
作业5在原来五种门的基础上，又加了四个新元件：三态门、译码器、数据选择器、数据分配器。这四种元件跟之前的基础门差别很大：它们有了控制引脚，有些输出多个值，有些在控制信号不对的时候根本不干活（输出无效）。这就不是简单加几个子类能解决的了，因为我原来的Door类里只用一个List<Integer> in来存输入值，根本没法区分哪个是控制引脚、哪个是普通输入引脚。
不得不重构
我试过直接在原来的代码上改，但越改越乱。最后干脆把抽象父类Door大修了一遍。我把输入输出都改成用Map来存，Map<Integer, String> pinSources记录每个引脚连到了哪个信号源，Map<Integer, Integer> inputValues存实际拿到的值，Map<Integer, Integer> outputs存输出值。这样一来，不管是控制引脚还是普通引脚，都用统一的方式管理，而且像三态门控制为0时不产生输出的情况，就直接不在outputs里放对应的key，输出时检查一下没有就不打印，自然地实现了“忽略无效元件”的要求。
终于学会拆分类
作业5我新建了两个类：Circuit和Parser。Circuit专门管所有元件和信号表，提供添加信号、建立连接、运行模拟、输出结果这些功能；Parser专门管读输入，把那些字符串解析成电路结构。Main类一下子就瘦身了，只剩三句话：读入、模拟、输出。这样拆完之后，改任何一个部分都不需要去动别的类，代码逻辑一下子清晰了很多。这也是我第一次真正体会到“单一职责”的好处，不是书上说说的空话。*四种新元件怎么处理的

• 三态门：控制端为1的时候才导通，输出等于输入；控制端为0的时候是高阻态，我直接不往outputs里放值，输出时跳过就完事了。
• 译码器：这个花了我最多时间。它有3个控制脚和n个输入脚，要满足S1=1且S2=0且S3=0才工作。工作的时候根据输入脚组成的二进制码，决定哪个输出脚置0，其余置1。我用了一个布尔变量en来标记是否使能，使能的时候才记录输出，输出格式也跟别的门不一样，要单独处理。
• 数据选择器：根据控制脚选一路输入送到输出，逻辑跟译码器有点像，但简单很多。
• 数据分配器：反过来，一路输入根据控制脚送到某一路输出，其他输出都是无效状态，显示成“-”。
  （三）作业6：时序电路，最头疼的反馈
  作业要求
  作业6又加上了D触发器和JK触发器，这跟之前的门最大的不同在于：它们能存状态，而且电路里可以出现反馈——输出信号能绕回来当输入。这样我原来那个“一遍遍扫直到稳定”的简单算法就不灵了，因为一旦有反馈，信号可能会无限更新，程序直接死循环。
  为了解决死循环，我分了两步：先把所有不带状态的组合逻辑门（也就是前两次那些门）全都算到稳定，这一步还跟之前一样循环扫描；然后一次性更新所有触发器的状态，用上一轮的状态来计算这一轮的输出。这样每个循环算一个“周期”，模拟了时钟信号来一下的感觉。虽然跟真正的硬件仿真比差远了，但至少程序不会死循环了，也能通过PTA的测试样例。
  触发器怎么实现的
  D触发器就是存住输入的值，在“时钟沿”的时候更新；JK触发器复杂一点，J和K不同组合会决定是翻转、置0、置1还是保持不变。我给触发器类加了一个state变量来记当前状态，计算的时候根据输入和当前状态一起决定新状态。说实话，这部分我写得不怎么好，只是在样例上能跑通，离真正的边沿触发模拟还差挺远。但通过这次作业，我起码对时序电路有了个感性的认识，知道状态机大概是怎么回事了。
  三、踩坑心得
  这三次作业写下来，碰到的坑多得数不清，挑几个印象最深的记下来。
  坑1：或门输出没赋值，样例通不过
  前面已经提过，作业4里或门的输出我算出来了，但是忘了把结果存进成员变量。结果输出永远都是0，样例3死活不对。这个小错误浪费了我快一个小时。从那以后，我给所有计算结果赋值的时候都会特别留意，是给局部变量还是给成员变量，心里先默念一遍。
  坑2：空指针异常，程序直接崩
  题目说输入引脚不全的元件要忽略输出，我一开始没处理这种情况，直接去信号表里取值，取不到就抛出空指针异常，程序崩了。后来在计算之前加了一层检查，把需要的引脚全部遍历一遍，缺任何一个就直接返回false
  坑3：三态门的高阻态输出格式不对
  三态门控制端为0的时候是高阻态，题目要求“忽略该元件”。我一开始偷懒，把高阻态的输出值设成-1，结果打印出来是S1-2:-1，格式根本不对。后来改成检查输出map里有没有这个引脚，没有就直接返回null，上层碰到null就不打印，这才真正做到了“忽略”。
  坑4：译码器控制条件理解有偏差*
  题目写的是“S1=1，S2+S3=0时正常工作”，我一开始图省事用了(s2 + s3) == 0来判断。虽然因为S2和S3只能取0或1，结果碰巧是对的，但这种写法不严谨。如果以后条件变了，这种“取巧”的写法就可能出错。后来我改成了s2==0 && s3==0，虽然代码长了一点，但意思明明白白。
  四、改进建议

1. 用拓扑排序优化模拟速度
   我现在模拟电路是用最笨的循环扫描法，门多的时候要扫很多轮，虽然PTA的测试数据量不大，但总觉得不够优雅。如果能根据连线关系把门排个序，没有反馈的部分一次就能算完，不用一遍遍循环。这个优化在作业6之前其实就能做，而且能顺带检测出不合法的环路。
2. 用工厂模式管理元件创建
   我在Circuit类里用了一长串if-else来判断元件名字然后new对应的类。以后如果再加新元件，这个方法会越来越长。如果用工厂模式，把每种元件的创建逻辑分散到各自的工厂类里，新增元件的时候就不需要改原来的代码，维护起来更方便。但对我现在来说，工厂模式还有点难，等以后学深了再回头改。
3. 输入校验要加上
   我现在的程序假设输入格式一定正确，多一个空格或者拼错一个字母就可能崩。虽然PTA环境里输入都是标准格式，但真正用的话肯定不行。后续应该学一下正则表达式或者简单的字符串处理，对输入做一下容错，给用户明确的错误提示，而不是直接崩溃。4. 用单元测试代替肉眼对比
   这三次作业我测试全靠手输样例然后看输出，效率很低，而且容易漏掉边界情况。后来听同学说JUnit可以做单元测试，单独测每一个门的逻辑，自动判断对错，听起来就比我自己肉眼对比靠谱多了。这个技能我接下来一定要学。
4. 进一步拆分类的职责
   虽然我已经把Parser和Circuit拆出来了，但Circuit里面还是管得有点多（管元件、管信号、跑模拟、打印输出全在一起）。如果以后写更大的项目，可以把信号管理单独抽成一个SignalBus类，输出打印单独做成Reporter类，每个类就干一件事。这样改需求的时候心里更有底，不会牵一发动全身。
5. 命名要规范，不给自己找麻烦
   这次作业里，类多起来之后，名字如果不规范真的很容易搞混。我现在给类取名会尽量见文知意，比如ADoor就是与门，ODoor就是或门，而且严格区分大小写。养成这个习惯之后，就算隔一段时间回来看代码，也能很快想起来每个类是干嘛的。
   五、总结
   这段时间学到了什么
   这三次作业做下来，我从一个连抽象类都写不利索的新手，变成了能独立写出几百行面向对象程序的人。具体来说：第一，继承和多态不再只是课本上的概念，我真真切切用它们解决了一个实际问题，父类写共同逻辑，子类写特殊逻辑，清楚又省事；第二，养成了把代码拆成多个类的习惯，从作业4把东西全塞Main类，到作业5抽出Circuit和Parser，真正体会到了单一职责的好处——修改一个地方不用提心吊胆怕影响别的；第三，排错能力涨了不少，从一看到报错就懵，到能顺着报错信息一步步定位问题，这个进步对我来说特别重要；第四，理解了什么叫做“迭代开发”，好的程序不是一口气写完美的，而是一版一版改出来的，每一版解决一部分问题，慢慢变好；第五，磨练了耐心，编程真的容不得半点马虎，一个字母、一个符号、一个关键字的疏忽，都可能导致程序跑不起来，长时间写代码也让我比以前细心了很多。
   自身不足的地方
   虽然作业都交上去了，但我很清楚自己还有不少薄弱的地方：面向对象更深层的东西比如接口、抽象类的设计技巧我还掌握得不好，现在只会照着需求写类，自己独立设计的话没什么头绪；代码优化能力也差，只知道怎么让程序跑通，不知道怎么让代码更简洁、效率更高；对于时序逻辑的理解也很浅，作业6的触发器模拟只能算勉强能用，离真正的硬件仿真差太远；还有各种辅助工具比如SourceMonitor、JUnit这些，只会最基础的操作，还没能真正用它们来改善自己的代码。
   老师这种用同一个项目迭代好几次的作业方式，我觉得特别适合我这种初学者。不是一上来就给一个大而全的需求，而是一次加一点东西，让我们自己体会到代码是怎么在需求的推动下慢慢演变的。相比每次做一个完全不相关的小题，这种连贯的作业让我更能建立起“项目”的感觉，学得也更扎实。如果后面能再增加一些同学之间互相看代码、互相挑毛病的环节就更好了，自己代码里的问题自己往往看不出来，别人一眼就能发现。
   这三次数字电路模拟作业，是我学Java以来写得最累、但也最有成就感的一段经历。从最开始连与或非都算不利索，到后来能处理带控制引脚的译码器，再到硬啃带反馈的触发器，每一步都走得磕磕绊绊，但每一步也都在往前走。以后的路还很长，我要学的东西还很多，但至少现在我有了一点底气，知道自己能从零开始把一个东西慢慢写出来，这种感觉还是挺不错的。