结对项目（潘健龙、沈彦丞）

姓名1：潘健龙	学号：3124004221
姓名1：沈彦丞	学号：3124004223
GitHub地址：https://github.com/PJL421/arithmetic-generator.git

一、项目概述

• 本程序基于 Java 语言实现，能够自动生成指定数量、指定数值范围的整数四则运算题目，支持加减乘运算，自动计算并保存标准答案；同时提供判题功能，读取题目文件与答案文件，生成判卷结果文件。
  程序通过命令行参数区分两种工作模式：
  1.生成题目模式：-n 题目数量 -r 数值上限
  2.判题模式：-e 题目文件 -a 答案文件
• 程序一共分为 5 个类：
  1.Main：程序入口，解析命令行参数，调度生成 / 判题功能
  2.ProblemGenerator：题目生成器，批量生成四则运算表达式
  3.Expression：表达式类，生成随机运算式，计算表达式结果
  4.Fraction：分数类（预留，支持后续扩展真分数四则运算）
  5.Judge：判题类，读取题目、答案文件，输出判分结果到 Grade.txt

二、PSP2.1

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	30	28
· Estimate	· 估计任务需要的时间	30	28
Development	开发	420	440
· Analysis	· 需求分析（包括学习新技术）	60	65
· Design Spec	· 生成设计文档	30	32
· Design Review	· 设计复审	20	18
· Coding Standard	· 制定代码规范	10	12
· Design	· 具体设计	50	48
· Coding	· 具体编码	160	170
· Code Review	· 代码复审	35	38
· Test	· 测试、修改和提交	55	57
Reporting	报告	80	85
· Test Report	· 测试报告	30	33
· Size Measurement	· 计算工作量	10	9
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结与过程改进计划	40	43
合计		530	553

三、设计过程

4.1总体设计

• 程序分为两大模块：表达式生成模块与文件写入模块。
  表达式生成模块：使用随机数生成运算数字与运算符，拼接成四则运算式子；
  文件写入模块：将生成的题目持续写入外部 txt 文件。
  原始版本采用FileWriter直接写入文件；优化版本替换为BufferedWriter缓冲流写入，降低磁盘 IO 开销。
  程序整体流程：接收题目数量参数 → 开启计时 → 循环生成每一道四则运算表达式 → 将表达式写入文件 → 循环结束，关闭流，停止计时，输出总耗时。
  

4.2 详细设计

• 随机表达式生成：通过 Random 类随机选取操作数和+、-、*、/运算符，拼接为字符串形式的算术题目。
  文件写入：原始方案使用FileWriter，每生成一道题目就调用一次 write 写入磁盘；优化方案改用BufferedWriter，利用内存缓冲区缓存文本，批量写入磁盘。
  计时功能：使用系统时间戳，记录程序开始和结束时刻，计算程序运行的毫秒数，用于性能实验。
  异常处理：增加 IO 异常捕获，保证文件读写出现异常时可以正常关闭流资源。
  4.3 测试方案设计
• 为分析程序性能，设计多组性能测试：分别生成 1000、10000、50000 道题目，每组重复运行 3 次，记录每次耗时并求取平均值。
  对比原始FileWriter版本与BufferedWriter优化版本的运行耗时，绘制双折线图，分析性能瓶颈以及优化效果。
  4.4流程图分析

flowchart TD A[开始] --> B[输入需要生成的题目数量] B --> C[记录程序开始时间] C --> D[循环：生成一道四则运算题目] D --> E[将题目写入文件] E --> F{是否达到指定题目数量?} F --否--> D F --是--> G[关闭文件流] G --> H[记录程序结束时间，计算耗时] H --> I[输出运行总耗时] I --> J[结束]

四、优化分析

此处给出部分运行截图

题目数量 N	第 1 次耗时 (ms)	第 2 次耗时 (ms)	第 3 次耗时 (ms)	平均耗时 (ms)
1000	20	21	20	20.33
10000	36	34	35	35
50000	66	68	67	67

本次对算术表达式生成程序进行多组性能测试，分别选取 1000、10000、50000 三组不同题量进行测试，每组测试重复运行 3 次，记录每次运行耗时并计算平均值，以此评估程序的运行效率。
从测试结果可以看到：生成 1000 道算术题目平均耗时 20.33ms；生成 10000 道算术题目平均耗时 35ms；生成 50000 道算术题目平均耗时 66ms。随着题目数量增加，程序耗时呈平缓增长趋势，没有出现耗时暴涨的情况，说明程序整体性能良好。

优化方案

性能测试发现，程序瓶颈是频繁的磁盘 IO。原始FileWriter每次写入都直接操作磁盘，开销较大。
优化方案：改用BufferedWriter缓冲流，数据先写入内存缓冲区，攒够数据后一次性写入磁盘，减少磁盘调用次数。
辅助优化：复用 Random 对象、使用StringBuilder拼接字符串，减少对象创建开销。
优化不会改变算法 O (N) 的时间复杂度，但能降低常数开销，同等题目数量下运行耗时明显减少；题目量越大，优化效果越明显。

优化代码

此处给出部分截图

优化结果

题目数量 N	原始版本平均耗时 (ms)	BufferedWriter 优化后平均耗时 (ms)
1000	20.33	19.66
10000	35.00	31.66
50000	67.00	56.33

图：优化前后程序性能对比折线图。两条折线均随题目数量增加近似线性增长，算法时间复杂度为 O (N)；缓冲优化版曲线整体低于原始版本，说明 BufferedWriter 通过减少磁盘 IO 调用次数，有效降低程序运行耗时。

从折线图可见，程序运行耗时随题目数量增加近似线性上升，算法时间复杂度为O(N)。
原始代码性能瓶颈集中在磁盘 IO 操作：FileWriter每次调用write()都会直接向磁盘发起写入请求。磁盘读写速度远低于内存运算，当题目量大时，频繁 IO 调用带来较大开销。

五、项目小结

本次项目顺利完成预期功能，实现了四则运算题目批量生成与文件保存。通过对照实验验证了BufferedWriter缓冲流可有效减少磁盘IO开销，大幅提升程序运行效率。结对编程的双人互查模式，有效减少代码漏洞，提升了代码规范性与项目稳定性。

存在问题与经验教训

开发初期我们分工衔接不够顺畅，调试中出现过小IO资源处理、代码冗余等细节问题。通过本次实践总结出，开发前需统一思路、明确分工，开发中双人交叉核查，能够有效规避多数代码问题，提升开发效率。

结对感受与组员互评

结对过程相比单人开发容错率更高、效率更快，双人实时沟通纠错，有效避免了单人开发的思维局限，协作体验良好。

• 潘健龙：组员闪光点：沈彦丞同学在本次项目中表现十分优秀，闪光点突出。他代码基础扎实，逻辑思维清晰，在四则运算逻辑编写、IO流优化调试阶段反应迅速，能够快速定位程序异常问题，主动承担核心开发任务，对待项目认真负责、执行力强。遇到性能优化难点时，他主动查阅资料、对比两种IO流的差异，推动了本次BufferedWriter性能优化实验顺利完成，为项目整体完成质量提供了极大保障。
  改进建议：他在文档整理和细节总结上稍有欠缺，后续可注重文档规范化，提前梳理开发思路，进一步提升协作完整性。
• 沈彦丞：组员闪光点：本次与潘健龙同学结对编程，让我深刻体会到团队协作在程序开发中的重要价值，也切实感受到结对开发相较于单人开发的巨大优势。独立开发时很容易陷入固定思维，对细节问题视而不见，而双人结对模式可以实现分工互补、双向纠错。在本次合作过程中，每当代码出现异常、逻辑出现漏洞或优化思路不清晰时，他都会及时沟通交流，互相提出改进意见，多角度分析问题、梳理解决方案，有效突破单人开发的思维局限，让项目整体推进更加高效有序。
  改进建议：在团队沟通细节上，遇到技术难题时偏向独立钻研，偶尔会忽略及时同步进度与思路，导致搭档无法第一时间跟进项目状态。

总结

本次结对项目让我们巩固了IO流与性能优化知识，深刻体会了团队协作的意义。我们互相取长补短、共同进步，提升了编码与协作能力。后续我们将规避细节问题，规范代码与文档，提升团队开发综合能力。