作业集4~6总结Blog

一、前言

这次习题集我围绕数字电路模拟程序做了三次一步步升级的作业，分别是：作业4先做最基础的逻辑门仿真、作业5加了更多复杂的组合电路元件、作业6加上了子电路复用和错误检测功能。三次作业一次比一次难，要求也越来越高，难度呈阶梯式上升，层层递进、环环相扣。本文将结合三次作业的设计思路、实现过程、遇到的问题及改进方向进行全面总结，梳理收获与不足，为后续编程学习积累经验。

下面我会从作业整体情况、每一次作业的设计思路、写代码时踩过的坑、后续怎么改进、以及这次学习的收获这几个方面，完整总结一下三次作业的过程，说说自己遇到的问题和学到的东西。

1.1 三次作业整体概况

三次作业的升级逻辑特别清晰：先做单个功能 → 用继承多态加新功能 → 用组合模式做大架构+加错误处理，每一次都要在之前的代码上改，不能全部推倒重来

• 作业4（基础版）：主要写五种最基础的逻辑门，考察怎么把东西封装成类、怎么用队列传递信号、怎么解析题目给的文本格式。难度中等偏上，最头疼的是怎么让信号在电路里自动传下去，一开始经常卡住或者重复计算。

• 作业5（扩展版）：在基础门电路上加了四种带控制引脚的复杂元件，考察继承和多态怎么用、不同元件的引脚怎么对应、多输出的结果怎么格式化。难度偏高，最坑的是每个元件的引脚编号规则都不一样，很容易搞混，一错结果就全不对。

• 作业6（完整版）：是最后一个版本，加了两个核心功能：可以把常用电路做成子电路重复用、能自动检测五种常见错误，而且必须用题目要求的组合模式来重构整个代码。考察递归怎么写、错误优先级怎么判断。难度特别高，最费劲的是子电路嵌套的时候信号怎么传，还有错误检测的顺序不能乱。

  总的来说，这三次作业对我这个小菜鸡来说难度堪比国足出战世界杯，但同时也是对自己学到的知识的检验，经过这三次作业我收获还是蛮大的

---

二、分阶段作业设计与详细分析

2.1 作业4：基础逻辑门模拟

2.1.1 核心要做的事

这次作业是整个程序的底子，目标是不用专业的电路软件，用代码自己模拟数字电路的运行。主要实现四个功能：

1. 能读懂题目给的输入格式：包括最开始的输入信号、方括号里的引脚连接关系；
2. 程序自己能认出电路里有哪些元件，根据引脚的连接关系，自动把信号从上游传到下游；
3. 按照每种门电路的规则，算出每个元件最终输出的是0还是1；
4. 按固定顺序输出结果：先输出与门、再或门、再非门、再异或门、最后同或门，同一种元件按编号从小到大排。

2.1.2 代码的类结构设计

这次我严格按照老师说的“一个类只干一件事”的原则，把代码拆成了七个类，每个类管自己的事，不互相干扰：

类名	主要干什么
Gate抽象父类	把所有门电路共有的属性和方法抽出来，规定好接收信号、判断输入是否全了、计算输出这三个方法的格式，后面加新门电路直接继承就行
五大门电路子类	就是AndGate、OrGate这些，分别写自己的计算逻辑，比如与门就是全1才出1
Circuit类	管整个电路里所有的元件和连线，提供加元件、找元件、加连线这些功能
CircuitParser类	读题目给的输入文本，一行行解析成信号、连线、元件，自动创建对应的对象，拼成一个完整的电路
Simulator类	用队列来传递信号，自动驱动信号一步步往下传，不用我们手动排电路的先后顺序
ResultFormatter类	按题目要求的顺序排好元件，把结果整理成规定的格式输出
Main主类	程序入口，把上面所有类串起来，从读输入到输出结果走一遍流程

PowerDesigner类图：

2.1.3 代码质量检测

我用SourceMonitor工具测了一下代码质量，结果如下：

2.1.4 写完后的反思

这次作业让我第一次体会到面向接口编程的好处，因为有了统一的Gate父类，后面加新元件的时候，仿真器的代码一点都不用改，省了好多事。还有用队列传信号的方法特别聪明，不管电路是什么结构，信号都能自动传下去。但也有很多问题：

• 解析文本的时候用的是最笨的字符串切割方法，只能解析简单的格式，稍微有点不一样就崩了；
• 完全没做错误检查，只要输入格式不对，程序直接就退出了；

---

2.2 作业5：多类型组合元件扩展

2.2.1 这次加了什么新需求

在作业4的基础上，这次加了四种更复杂的电路元件，不再是只有一个输入一个输出的简单门了：

1. 新增元件：三态门、译码器、数据选择器、数据分配器，都是上课学过的组合电路；
2. 引脚分成了三种：控制引脚、输入引脚、输出引脚，每个元件的引脚编号都有固定的顺序，不能乱；
3. 有些元件有多个输出，输出格式也不一样：译码器只输出哪个引脚是0，数据分配器没用的引脚要输出“-”；
4. 更新了输出顺序，把新增的四种元件也加进去了。

2.2.2 代码的类结构设计

原来的Gate父类已经不适合新元件了，所以我把它升级成了Component顶层抽象类，所有元件不管是简单的还是复杂的，都继承这个类，最大化利用继承和多态的好处，加新功能不用改旧代码：

• 顶层Component类：不管是单输出还是多输出、有没有控制引脚的元件都能用，统一管理所有引脚；
• 原来的五种基础门电路直接继承这个新的父类，原来的计算逻辑一点都不用动；
• 四种新元件各自写一个子类，分别实现自己的判断输入是否全了、计算输出、格式化结果的方法。
  PowerDesigner类图：
  
  
  

2.2.3 代码质量检测

我用SourceMonitor工具测了一下代码质量，结果如下：

2.2.4 作业 5 总结
这次作业让我真正感受到了继承和多态的威力，因为有了统一的 Component 父类，加四种新元件的时候，仿真器和电路管理类的代码几乎没改，只需要加四个新的子类就行，比重新写一遍省事太多了。但也踩了超级大的坑：每个元件的引脚编号规则都不一样，引脚顺序是 “控制→输入→输出”，我一开始搞反了，结果译码器的结果完全不对，调了整整一下午才发现是引脚对应错了。还有多输出元件的信号分发很容易漏，一开始只传了第一个输出引脚的信号，后面的都没传，导致很多测试用例过不了。

---

2.3 作业6：子电路+全局异常检测

2.3.1 最终版的核心需求

这次是最后一个版本，主要加了两个特别实用的功能：子电路复用和自动错误检测，而且必须用组合模式来重构整个代码：

1. 可以自己定义子电路，把常用的电路组合存起来，后面像用普通门电路一样直接用，不用每次都重新写；
2. 子电路里的元件输出结果前面要加上子电路的编号，跟主电路的元件区分开；
3. 能自动检测五种常见的电路连接错误，而且错误有严格的优先级，同时有多个错误的时候，只输出最前面的那一个。

2.3.2 代码的类结构设计

这次严格按照组合模式来设计，把普通元件和子电路统一起来，不用分开写两套逻辑：

• 叶子节点：就是基础门电路和各种组合元件，是最小的单元，不能再拆了；
• 容器节点：就是子电路，里面可以放普通元件，也可以再放别的子电路，支持多层嵌套。

所有节点都继承Component顶层抽象类，所以运行的时候，根本不用管当前是普通元件还是子电路，直接调用计算方法就行，子电路会自己递归计算里面的所有元件，代码复用性特别高。

PowerDesigner类图：

2.3.3 代码质量情况

我用SourceMonitor工具测了一下代码质量，结果如下：

2.3.4 作业六总结
作业 6 作为整套迭代作业最难的最终版本，做完之后我也发现了自身很多问题，也是三次作业里踩坑最多、调试最久的一次。首先我一开始对组合设计模式理解很浅，前期没有理清普通元件和子电路的从属关系，分开写了两套仿真代码，不仅代码冗余杂乱，还出现了主电路和子电路信号不通的问题，后期只能大范围重构代码，浪费了大量时间。其次递归仿真逻辑很难把控，多层子电路嵌套的时候，经常出现信号重复计算、输出结果重复叠加的 bug。另外异常优先级判断很容易粗心写错顺序，我一开始把引脚冲突放在了靠前位置，不符合题目要求的报错顺序，导致测试一直不通过。同时我忽略了子电路输出编号前缀的细节，一开始没有给子电路元件加上专属编号标记，结果主电路和子电路输出内容混淆。

---

三、三次作业踩过的共同的坑和解决办法

三次作业写下来，我发现有几个问题是从头到尾都在犯的，整理出来避免以后再踩：

3.1 坑1：解析文本的方法太笨，经常出错

问题：作业4一开始用substring和indexOf来切割元件名称，只能解析像“X1”这种简单的名字，遇到带括号的“A(2)1”就完全解析不了，导致元件创建失败。
解决办法：改用正则表达式来匹配所有格式的元件名，一次性就能提取出元件类型、参数和编号，不管是什么格式都能解析对。

3.2 坑2：引脚顺序搞混，结果全错

问题：作业5加了控制引脚之后，经常把控制、输入、输出引脚的顺序搞混，导致三态门、译码器这些元件完全不能用。
解决办法：给每个元件都写死一个引脚对应表，用代码固定哪个编号对应哪个功能，不用自己人工判断，从根源上避免出错。

3.3 坑3：子电路信号传不进去也传不出来

问题：作业6一开始没用到组合模式，主电路和子电路各写了一套仿真逻辑，代码又多又乱，而且子电路嵌套的时候信号根本传不进去。
解决办法：让子电路也实现Component接口，跟普通元件用一样的调用方式，仿真器递归调用计算方法，自动就能把信号传到子电路里面。

3.4 坑4：输入引脚没接全也会计算输出

问题：题目要求如果一个元件的输入引脚没全部接信号，就不输出它的结果。但我一开始没加这个判断，没接的引脚程序会默认当成0，结果算出来的都是错的。
解决办法：在判断元件是否可以计算的方法里，强制检查所有必填的输入引脚是不是都收到了信号，只要有一个没收到，就不计算也不输出。

---

四、后续代码怎么改进

结合三次作业遇到的问题，我觉得代码还有这几个地方可以优化：

1. 把通用代码抽成工具类：把解析文本、检测错误、检查引脚这些常用的代码，单独放到几个工具类里，不要都堆在仿真器和解析器里，让核心代码更干净；
2. 补上各种边界情况的处理：比如输入是空的、没有任何连线、子电路嵌套太多层、引脚编号超出范围这些极端情况，现在都没处理，很容易出问题；
3. 一定要加注释：把整个代码的架构、核心的算法、每个元件的引脚规则、错误的优先级这些地方都加上注释，不然过段时间自己都看不懂；
4. 加更多的错误检测：现在只检测了五种连接错误，还可以加比如元件编号重复、子电路没定义就用了这些错误，让程序更健壮。

---

五、学习总结和课程建议

5.1 这次学到了什么

• 熟练掌握了封装、继承、多态这三个最核心的面向对象特性，知道什么时候该用它们；
• 明白了“一个类只干一件事”、“加新功能不改旧代码”这些设计原则的重要性，能让代码越写越好维护；
• 学会了用组合模式来处理嵌套的结构，也会写简单的递归代码了；

5.2 自己的不足

• 边界意识太差，写代码的时候只想着正常情况怎么跑，根本想不到各种奇怪的极端情况，导致很多测试用例过不了；

5.3 对课程作业的建议

实验，pta习题集，实验报告多者同步，时间重叠