题目集7~8总结
前言
最后两次的java开发是面向对象特性进行模块化和抽象设计，这不仅强化了我们对Java语言基础的理解，还深入实践了面向对象设计、异常处理、多线程和复杂数据结构、递归和算法能力等核心知识点。以下是对这最后两次作业的总结和反思。
第一次作业
这是智能家居的第三次迭代，相比上次的题目，新增了互斥开关，这种开关有三个引脚，两个分支引脚和一个汇总引脚，允许只接通一个分支引脚，并且引入了限流电阻，防止短路，并且新增了受控设备，受控窗帘，在线路方面引入了新的电路结构，支持多条串联电路与并联电路的组合，这使得模拟更加复杂和现实。
第二次作业
这是智能家居最后一次迭代，新增了二极管，需要检查电流方向，如果电流从正向流入，则电阻为0，否则电流为0，要考虑电流限制检测，判断是否超过设备的最大允许电流，而且还要判断是否短路，线路相比上次的，可以实现并联的嵌套，即并联中也可以继续并联。需要考虑的情况也更加复杂了。
设计与分析
题目集7设计了以下十二个类，包括基础设备类，引脚类，普通开关设备类，互斥开关设备类，分档调速器类，连续调速器类，白炽灯类，日光灯类，吊扇类，落地扇类，受控窗帘类和电路连接类
1. Device类
定义所有设备的共同特性：
type: 设备类型，例如开关、灯、风扇等。
id: 设备编号。
pins: 引脚，用于连接其他设备，存储为一个 Map<Integer, Pin>。
抽象方法：
computeVoltage(): 计算设备的电压行为。
getOutput(): 输出设备的状态。
2. Pin类
定义了设备引脚的基本属性：
deviceIdentifier: 引脚所属设备的标识符。
pinNumber: 引脚编号。
voltage: 当前电压。
提供了辅助方法 getFullIdentifier()，生成引脚的完整标识符（如 K1-1 表示开关1的第1个引脚）。
3.SwitchDevice类
属性：
isClosed: 表示开关状态，true 为闭合，false 为断开。
方法：
toggle(): 切换开关状态。
computeVoltage(): 根据 isClosed 状态决定输出引脚的电压。
闭合：输出端电压与输入端相同。
断开：输出端电压为 0。
getOutput(): 返回状态。
4. MutuallyExclusiveSwitch类
属性：
connectTo2: 表示是否连接到 2。
方法：
toggle(): 切换连接状态。
computeVoltage(): 根据连接状态决定输出端电压。
getOutput(): 返回状态。
5.DiscreteSpeedController类
属性：
gear: 档位（0-3）。
方法：
increaseGear() 和 decreaseGear(): 调整档位。
computeVoltage(): 根据档位调整输出电压比例（0.0, 0.3, 0.6, 0.9）。
getOutput(): 返回档位状态。
6.ContinuousSpeedController类
属性：
parameter: 调节参数（0.0-1.0）。
方法：
setParameter(double param): 设置调节参数。
computeVoltage(): 按参数计算输出电压。
getOutput(): 返回调节参数状态。
7.IncandescentLight类
属性：
brightness: 光亮度（0-200lux）。
方法：
computeVoltage(): 根据电压差计算亮度，最大亮度为 200lux。
getOutput(): 返回亮度状态。
8.Daylight类
属性：
brightness: 光亮度（0 或 180lux）。
方法：
computeVoltage(): 根据电压差设置亮度。
getOutput(): 返回亮度状态。
9.CeilingFan类
属性：
speed: 转速（0-360rpm）。
方法：
computeVoltage(): 根据电压差计算转速。
getOutput(): 返回转速状态。
10.FloorFan类
属性：
speed: 转速（0, 80, 160, 260, 360rpm）。
方法：
computeVoltage(): 根据电压差设置固定转速。
getOutput(): 返回转速状态。
11.Curtain类
属性：
openPercentage: 开合比例（0%-100%）。
方法：
computeVoltage(): 计算开合比例。
setOpenPercentage(int percentage): 手动设置开合比例。
getOutput(): 返回开合状态。
12.Connection类
属性：
pins: 表示连接的引脚列表。
类图如下：
SourceMonitor报表如下：
由图可知代码行数总计579行，实际语句数量为371，分支语句占比27.2%，方法调用数量为143，带有注释的代码行比例为15.2%，定义的类和接口数量为8，每个类平均包含的方法数量为5.25，每个方法平均语句数量8.50，最复杂方法开始的行号为380，最复杂方法为CurtainDevice.computeVoltage()，直方图展示语句数量与嵌套深度的关系，大部分语句深度较浅（0-3层嵌套占据主要部分）。少数语句嵌套深度超过6层甚至9层，说明有些代码块的复杂性可能需要优化。
题目集8相比上次主要新增了二极管类，并对一些电路逻辑上进行了修改。
1.Diode类
属性
diodeState (String): 状态，"conduction" 或 "cutoff"。
方法
applyControlCommand(String cmd): 无操作。
updateState(): 根据电压方向更新状态。
getOutputString(): 输出二极管状态和电压差。
2.Circuit接口
方法
getCircuitId(): 返回电路 ID。
getEquivalentResistance(Map<String, Device> deviceMap): 计算等效电阻。
assignVoltageCurrent(double vIn, double vOut, Map<String, Device> deviceMap): 分配电压和电流
3. SerialCircuit类
属性
circuitId (String): 电路 ID。
connectionPairs (List<String[]>): 存储连接对。
方法
addConnectionPair(String pair): 添加连接对。
getEquivalentResistance(Map<String, Device> deviceMap): 计算串联总电阻。
assignVoltageCurrent(double vIn, double vOut, Map<String, Device> deviceMap): 分配电压和电流。
4. ParallelCircuit类
属性
circuitId (String): 电路 ID。
subCircuitIds (List): 子电路 ID 列表。
方法
addSubCircuit(String sid): 添加子电路 ID。
getEquivalentResistance(Map<String, Device> deviceMap): 计算并联总电阻。
assignVoltageCurrent(double vIn, double vOut, Map<String, Device> deviceMap): 分配电压和电流。
类图如下：
SourceMonitor报表如下：
由图可知，代码行数为649，总共有502个语句，在所有语句中，约25.3%的语句为分支语句，有82个方法调用语句，约14.6%的代码行包含注释，代码中定义了14个类和接口，每个类平均包含9.21个方法，每个方法的平均语句数为3.29，最复杂的方法位于第320行，最复杂的方法是 Main.getOutputString，块直方图显示了语句的深度分布。大部分语句位于0-2层。这段代码的复杂度不算特别高，但方法和类的数量相对较多，注释的覆盖率较低。
踩坑心得
1.第三次作业在输出时，白炽灯和受控窗帘输出没有符合预期，如下图所示：
白炽灯代码如下：
点击查看代码
// 白炽灯
static class IncandescentLight extends Device {
double brightness; // 0 ~ 200lux
static final double MAX_VOLTAGE = 220.0;
static final double MAX_BRIGHTNESS = 200.0;
IncandescentLight(String type, int id) {
super(type, id);
// 两个引脚
pins.put(1, new Pin(getIdentifier(), 1));
pins.put(2, new Pin(getIdentifier(), 2));
brightness = 0.0;
}
@Override
void computeVoltage() {
Pin pin1 = pins.get(1);
Pin pin2 = pins.get(2);
double voltageDiff = Math.abs(pin1.voltage - pin2.voltage);
if (voltageDiff < 10.0) {
brightness = 0.0;
} else if (voltageDiff >= 10.0 && voltageDiff < MAX_VOLTAGE) {
// 10V对应50lux，220V对应200lux
brightness = ((voltageDiff - 10.0) / (MAX_VOLTAGE - 10.0)) * (MAX_BRIGHTNESS - 50.0) + 50.0;
if (brightness > MAX_BRIGHTNESS) brightness = MAX_BRIGHTNESS;
} else {
brightness = MAX_BRIGHTNESS;
}
}
@Override
String getOutput() {
return "@" + getIdentifier() + ":" + (int) brightness;
}
}
受控窗帘代码如下：
点击查看代码
double totalLight; // 总光照强度
CurtainDevice(String type, int id) {
super(type, id);
totalLight = 0.0;
}
@Override
void computeVoltage() {
Pin pin1 = pins.get(1);
Pin pin2 = pins.get(2);
double voltage = Math.abs(pin1.voltage - pin2.voltage);
if (voltage < 50.0) {
openPercentage = 100;
} else {
// 根据总光照强度设置开合比例
if (totalLight < 50.0) {
openPercentage = 100;
} else if (totalLight >= 50.0 && totalLight < 100.0) {
openPercentage = 80;
} else if (totalLight >= 100.0 && totalLight < 200.0) {
openPercentage = 60;
} else if (totalLight >= 200.0 && totalLight < 300.0) {
openPercentage = 40;
} else if (totalLight >= 300.0 && totalLight < 400.0) {
openPercentage = 20;
} else {
openPercentage = 0;
}
}
}
void setTotalLight(double light) {
totalLight = light;
}
}
以上是受控窗帘和白炽灯的相关代码，逻辑上没有什么太大问题，受控窗帘方面对不同光照进行分类，来判断窗帘打开比例也是符合题意的，但是却相当于没有输出，但是开关状态又是正确的，所以感觉还是分压方面出现了问题，需要进行改进。
2.最后一次大作业里面出现短路检测，输入样例1的时候，却还是判断成了短路
短路判断代码如下：
点击查看代码
double R_total = mainCkt.getEquivalentResistance(deviceMap);
if(R_total < 1e-9) {
// 短路
System.out.println("short circuit error");
return;
}
有关getEquivalentResistance代码如下：
点击查看代码
public double getEquivalentResistance(Map<String, Device> deviceMap) {
// 并联：1/R_eq = sum(1/R_i)
double invSum=0;
for(String cid: subCircuits) {
// 可能是串联也可能并联
if(Main.serialMap.containsKey(cid)) {
SerialCircuit sc = Main.serialMap.get(cid);
double r = sc.getEquivalentResistance(deviceMap);
if(r < 1e-9) {
// 短路分支 => 并联等效≈0
return 0;
}
invSum += 1.0/r;
} else if(Main.parallelMap.containsKey(cid)) {
ParallelCircuit pc = Main.parallelMap.get(cid);
double r = pc.getEquivalentResistance(deviceMap);
if(r < 1e-9) {
return 0;
}
invSum += 1.0/r;
}
}
if(invSum < 1e-9) {
// 无支路或全∞ => R_eq=∞
return 1e9;
}
return 1.0/invSum;
}
如上是有关检测短路的代码，逻辑上差不多这样，但是即使不是短路，也会输出短路的信息，感觉可能还是其他地方有点问题，导致全输出短路，目前没有找到问题所在，也是导致得分不高，还是需要不断改进。
改进建议
多使用接口和抽象类，将共同方法提取到接口或抽象类中，提高代码复用性，创建计算电压的工具方法，将电压计算逻辑封装为一个独立方法，避免重复代码，创建输出格式化方法，通过方法统一设备状态输出格式，提高一致性，最后几次的样例不算多，有一些特殊情况需要自己不断去想，只有这样才能不断进步而且在写代码的时候应该多写一些注释，提高可读性，也避免过一段时间后，自己也不太清楚当时的含义了。
总结
随着最后一次大作业完成，本学期java课程也暂时告一段落了，这两次大作业还是不断去迭代，新增一些设备，但是最基础的还是最开始的框架上面不断开发，在此有一些收获和感慨如下，学习 Java 是一段充满挑战与收益的旅程，相比c语言，java 是一门强类型的面向对象语言，我深入了解了类、对象、继承、多态和封装等概念。通过实际编程实践，我体会到如何通过合理的类与对象设计来构建高内聚低耦合的程序，这让我对 OOP 有了更深的理解，在学习过程中，我掌握了 Java 提供的丰富标准库，包括集合框架（如 ArrayList、HashMap 等）、输入输出（I/O）、异常处理等。学习 Java 不仅让我掌握了一项技术，更让我理解了编程思维和解决问题的方法，总结来说，学习 Java 的过程是一个不断探索和发现的旅程，同时也是一个锻炼逻辑思维与创造力的过程。我期待在不断学习的过程中，能够运用 Java 更好地满足实际需求，解决更多复杂的问题，同时为我未来的职业发展打下坚实的基础。可能一些当时比较令人痛苦的东西(大作业)，在未来回头看的时候，也许并没有那么痛苦了，也许当时的痛苦是为了更好的进步，对未来也会受益匪浅。Java课程可能结束了，但是学习是一个持久性工程，不会止步于此。
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