第二周作业：个人项目

作业 GitHub 仓库：https://github.com/flanklinyang/flanklinyang（私有仓库，需要申请成为仓库成员才可以访问）

第一次个人编程作业：论文查重

学号：3124004072

一、作业任务

本次作业要求实现一个论文查重程序。程序接收三个命令行参数：

java -jar main.jar <原文文件> <抄袭版论文文件> <答案文件>

程序读取原文和抄袭版论文，计算两者的重复率，并把结果以保留两位小数的浮点数写入答案文件。

例如：

java -jar main.jar C:\tests\orig.txt C:\tests\orig_add.txt C:\tests\ans.txt

答案文件中的内容形如：

0.81

二、需求分析

程序需要满足以下功能和非功能要求：

使用 Java 实现，并提供可直接运行的 main.jar。
从命令行读取原文、抄袭版论文和答案文件三个绝对路径。
支持中文和英文文本，不依赖联网服务和外部分词程序。
能识别增、删、改等局部修改造成的相似内容。
能处理段落顺序发生变化的相似内容。
答案必须位于 0.00 到 1.00 之间，并保留两位小数。
对错误的参数数量、无效路径、输入文件不存在等情况进行异常处理。
不连接网络，不访问命令行参数之外的业务文件。
在评测限制下保持较低的内存占用和稳定的运行时间。

三、PSP 时间记录

PSP2.1	阶段	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	-	-
Estimate	估计任务所需时间	20	20
Development	开发	-	-
Analysis	需求分析，包括学习新技术	60	70
Design Spec	生成设计文档	60	75
Design Review	设计复审	30	25
Coding Standard	代码规范	20	20
Design	具体设计	60	60
Coding	具体编码	240	300
Code Review	代码复审	45	40
Test	测试，包括修改代码和提交	120	180
Reporting	报告	-	-
Test Report	测试报告	45	35
Size Measurement	计算工作量	15	15
Postmortem & Process Improvement Plan	事后总结和改进计划	30	25
合计		745	865

说明：实际耗时按项目设计、编码、测试、性能分析、代码检查和文档整理过程汇总。

四、开发环境与项目结构

开发环境：

编译目标：Java 8（Java 8 及以上运行）
构建工具：Maven
单元测试：JUnit 4.12
覆盖率：JaCoCo 0.8.11
代码质量：SpotBugs 4.10.4.1
运行方式：命令行
程序入口：papercheck.Main

项目结构：

3124004072/
├─ main.jar
├─ pom.xml
├─ README.md
├─ sample/
│  ├─ orig.txt
│  ├─ copied.txt
│  └─ ans.txt
└─ src/
   ├─ main/java/papercheck/
   │  ├─ Main.java
   │  ├─ PlagiarismCheckerApp.java
   │  ├─ PaperSimilarityScorer.java
   │  ├─ TextNormalizer.java
   │  ├─ TextFileReader.java
   │  └─ AnswerFileWriter.java
   └─ test/java/papercheck/
      ├─ PaperSimilarityScorerTest.java
      └─ CommandLineRunnerTest.java

五、模块接口设计

5.1 总体调用关系

程序按“入口、流程控制、文本读取、相似度计算、结果写出”拆分模块：

Main
  |
  v
PlagiarismCheckerApp
  |-- TextFileReader.read()
  |-- PaperSimilarityScorer.score()
  |     |-- TextNormalizer.normalize()
  |     |-- TextNormalizer.normalizeKeepingLayout()
  |     |-- orderedLcsScore()
  |     `-- unorderedShingleScore()
  `-- AnswerFileWriter.write()

各模块只承担单一职责：

类	主要职责
`Main`	命令行入口，调用应用层并获得退出码
`PlagiarismCheckerApp`	参数校验、文件读取、算法调用和异常转换
`TextFileReader`	只读取命令行指定的输入文件，统一换行和去除 BOM
`TextNormalizer`	对大小写、全角 ASCII、标点和空白进行规范化
`PaperSimilarityScorer`	计算最终相似度
`AnswerFileWriter`	将结果格式化为两位小数并写往指定路径

5.2 核心接口

public double score(CharSequence originalText, CharSequence copiedText);

该接口返回 [0.0, 1.0] 范围内的重复率。输入为空时返回 0.0，完全一致时返回 1.0。

六、算法设计

6.1 文本规范化

算法把文本转换为 Unicode 码点数组，避免直接按 Java char 处理时拆开代理对字符串。

程序使用两种规范化结果：

无序比较形式：只保留字母和数字，统一转为小写，并将全角 ASCII 转为半角 ASCII。
保序比较形式：保留下标、标点和空白，仅统一大小写和全角 ASCII。

第一种形式用于比较字符片段集合，第二种形式用于保留标点等顺序锚点。

6.2 基于 LCS 的有序相似度

最长公共子序列能够保留字符的先后顺序，对局部插入、删除和替换比较敏感。

设原文长度为 m，抄袭版长度为 n，最长公共子序列长度为 LCS(m,n)，有序相似度为：

orderedScore = 2 * LCS(m,n) / (m + n)

当两段文本完全一致时：

2 * m / (m + m) = 1

当两段文本完全不同时，LCS 为 0，结果为 0。

传统二维动态规划需要 O(m*n) 内存。本项目只保留当前行和上一行，因此时间复杂度仍为 O(m*n)，辅助空间降低为 O(min(m,n))。

动态规划核心状态为：

dp[i][j] = 原文前 i 个字符与抄袭版前 j 个字符的 LCS 长度

递推关系：

字符相同：dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1
字符不同：dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1])

为了规避极端输入导致计算时间过长，当 m*n 超过 2500 万时跳过 LCS 计算。程序仍会执行字符 n-gram 相似度计算，从而保证程序能够及时输出结果。

6.3 基于字符 n-gram 的无序相似度

为了处理段落重排，本项目提取长度为 3、4、5、6 的连续字符片段。每个长度对应的权重为：

n-gram 长度	权重
3	0.20
4	0.30
5	0.30
6	0.20

较短片段对局部改动更敏感，较长片段更能体现稳定内容，因此采用组合权重。

对每组 n-gram，使用 Dice 系数计算相似度：

dice = 2 * |A ∩ B| / (|A| + |B|)

其中 A 和 B 分别是原文与抄袭版的 n-gram 集合。

若直接截取每个子串，会产生大量临时字符串。本项目使用多项式滚动哈希，将每个 n-gram 映射为 long：

H = c0 * B^(n-1) + c1 * B^(n-2) + ... + c(n-1)

滑动到下一片段时，只需去掉最高位字符并加入新字符：

H(next) = H(current) * B + newCodePoint
          - B^n * removedCodePoint

这样无需为每个窗口创建字符串，降低了时间和内存开销。

6.4 最终相似度

有序相似度与无序相似度分别解决不同类型的问题，因此最终结果取二者较大值：

score = max(orderedScore, unorderedScore)

LCS 侧重同序内容，n-gram 侧重内容集合。取最大值可以减少段落顺序调整、少量增删改对最终结果造成的漏判。

6.5 算法复杂度

步骤	时间复杂度	辅助空间复杂度
文本规范化	`O(m+n)`	`O(m+n)`
LCS 滚动数组	`O(m*n)`，超限时跳过	`O(min(m,n))`
3 至 6 字符 n-gram	期望 `O(m+n)`	`O(m+n)`
集合求交	与较短集合大小相关	`O(1)` 额外空间

6.6 算法特点

不依赖中文分词库，可以直接处理中文、英文以及中英混合文本。
同时考虑字符顺序和字符片段集合，能覆盖局部修改与段落重排。
使用码点而不是 UTF-16 代码单元，避免非基本平面字符被错误拆分。
LCS 使用滚动数组，显著降低长文本的内存占用。
n-gram 使用滚动哈希，避免生成大量临时子串。
对超大 LCS 计算设置上限，优先保证程序在评测时间内返回结果。

七、程序流程

flowchart TD A[启动 main.jar] --> B{参数数量是否为 3} B -- 否 --> C[输出用法并返回退出码 2] B -- 是 --> D[解析三个路径] D --> E[读取原文与抄袭版文件] E --> F[规范化文本] F --> G[计算 LCS 有序相似度] F --> H[计算字符 n-gram 无序相似度] G --> I[取较大值] H --> I I --> J[格式化为两位小数] J --> K[写入答案文件并返回退出码 0]

八、性能分析与改进

8.1 第一版思路

第一版可采用完整二维 LCS 表，并通过对字符串调用 substring 生成所有 n-gram。这种方式容易理解，但在长文本下有两个问题：

二维 LCS 表需要 O(m*n) 内存，两个长文本同时出现时内存增长很快。
每个 n-gram 都创建字符串对象，会增加垃圾回收和数据复制开销。

8.2 改进措施

改进项	改进前	改进后	效果
LCS 存储	完整二维数组	两个一维数组滚动更新	内存从 `O(m*n)` 降到 `O(min(m,n))`
n-gram 生成	截取子串并保存字符串	多项式滚动哈希并保存 `long`	避免大量临时字符串
文本处理	按 UTF-16 字符处理	按 Unicode 码点处理	正确支持补充平面字符
极端长文本	始终执行完整 LCS	超过 2500 万计算单元时跳过 LCS	控制运行时间，降低超时风险
相似度判断	只使用一种指标	有序 LCS 与无序 n-gram 组合	同时覆盖局部修改和段落重排

8.3 性能分析结果

使用 JProfiler 16.2.1 对程序执行 CPU Sampling 分析，采样间隔为 5 ms。
分析入口重复调用相似度计算模块 30 次，输入为中规模样例。CPU Hot Spots
按 Self Time 排序的结果如下：

图 1：JProfiler CPU Hot Spots 分析结果。

从分析结果可以看到：

PaperSimilarityScorer.orderedLcsScore 自身时间约 592 ms，占 89%，是最大的 CPU 热点。
PaperSimilarityScorer.shingleSet 自身时间约 14.527 ms，占 2%。
TextNormalizer.transform 自身时间约 10.019 ms，占 1%。

需要重点观察以下方法：

PaperSimilarityScorer.orderedLcsScore
PaperSimilarityScorer.unorderedShingleScore
PaperSimilarityScorer.shingleSet

该结果与算法复杂度分析一致。LCS 在未达到计算量上限时执行
O(m*n) 的动态规划，是长文本下的主要热点；滚动数组降低了内存占用，
但不会降低该部分的时间复杂度。n-gram 使用滚动哈希和集合比较，
在本次输入中不是主要瓶颈。

8.4 性能测试结果

对每个场景运行 5 次，取中位数。运行时间包含 JVM 启动和文件读写时间，
峰值内存通过独立 Java 进程的 PeakWorkingSet64 记录：

场景	原文规模	抄袭版规模	修改类型	运行时间	峰值内存
小规模样例	22 字符	20 字符	局部替换	156.6 ms	37.4 MiB
中规模文本	3520 字符	3200 字符	局部增删改	204.4 ms	42.6 MiB
大规模文本	6600 字符	5880 字符	插入新段落	177.6 ms	43.4 MiB

三次测试均远低于 5 秒限制，峰值内存远低于 2048 MB。大规模文本超过
2500 万个 LCS 计算单元后自动跳过 LCS，因此耗时没有继续线性增长。

九、异常处理

程序使用返回码和标准错误输出报告异常，不把异常堆栈直接抛给评测程序。

异常场景	处理目标	当前处理方式	单元测试
参数数量不是三个	提示正确用法	输出 usage，返回 `2`	`tooFewArgumentsReturnUsageExitCode`、`tooManyArgumentsReturnUsageExitCode`
输入路径不存在	明确提示文件不存在	输出错误，返回 `1`	`missingInputFileReturnsNonZeroExitCode`
输入路径是目录	阻止把目录当作文件	输出错误，返回 `1`	`directoryAsInputReturnsNonZeroExitCode`
输出路径是目录	不覆盖目录	输出错误，返回 `1`	`outputPathAsDirectoryReturnsNonZeroExitCode`
路径格式非法	避免抛出未处理异常	捕获 `InvalidPathException`	`invalidPathReturnsNonZeroExitCode`
文件读取或写入失败	统一退出，避免异常退出	捕获 `IOException`	部分由目录和缺失文件用例覆盖
参数数组为空	防止空指针异常	`run` 方法中统一判断	`nullArgumentsReturnUsageExitCode`

说明：评测要求强调程序不能发生异常退出。当前程序对可预期的参数错误和文件错误进行了处理，并为所有异常场景补充了自动化测试。

十、单元测试

10.1 测试环境

mvn test

当前实际执行结果：

Tests run: 19, Failures: 0, Errors: 0, Skipped: 0
BUILD SUCCESS

测试分布在两个测试类中：

PaperSimilarityScorerTest：11 个核心算法测试。
CommandLineRunnerTest：8 个命令行、文件读写和异常路径测试。

10.2 核心算法测试

核心算法测试覆盖以下情况：

用例	构造数据思路	预期结果
完全相同的中文	使用同一篇文章	得分 `1.00`
英文大小写、标点和空格不同	保留相同单词，只修改格式	得分 `1.00`
完全无关的中文	使用不同主题句子	得分低于 `0.30`
同义改写	修改“星期天、晴朗”等表达	得分保持较高
删除部分段落	删除少量连续内容	得分保持较高
末尾增加内容	增加新段落	小于 `1.00`，且仍保留较高相似度
段落顺序变化	对同一段落重排	得分保持较高
原文为空	原文为空字符串	返回 `0.00`
抄袭版为空	抄袭版为空字符串	返回 `0.00`
边界范围	多组输入交叉组合	始终在 `[0,1]`
极短文本	相同单词和不同单词	分别返回 `1.00` 和 `0.00`

代表性测试代码：

@Test
public void identicalChineseDocumentHasFullScore() {
    String text = "今天是星期天，天气晴，今天晚上我要去看电影。";
    assertEquals(1.0, scorer.score(text, text), 1.0e-9);
}

@Test
public void synonymChangesStillKeepMostContent() {
    String original = "今天是星期天，天气晴，今天晚上我要去看电影。";
    String copied = "今天是周天，天气晴朗，我晚上要去看电影。";
    double score = scorer.score(original, copied);
    assertTrue("modified sample should keep a high score: " + score, score > 0.55);
    assertEquals(0.8095238095, score, 0.001);
}

@Test
public void paragraphReorderingRetainsMostShingles() {
    String original = "第一段详细描述论文背景和已有工作。第二段介绍核心算法与实现细节。"
            + "第三段展示实验结果并分析误差。第四段总结全文贡献和未来方向。";
    String copied = "第三段展示实验结果并分析误差。第一段详细描述论文背景和已有工作。"
            + "第四段总结全文贡献和未来方向。第二段介绍核心算法与实现细节。";
    double score = scorer.score(original, copied);
    assertTrue("paragraph reordering should keep high score: " + score, score > 0.65);
}

10.3 命令行与文件读写测试

这部分测试使用 JUnit TemporaryFolder 创建隔离的临时目录，验证：

答案文件写入后保留两位小数。
参数过少时返回用法退出码 2。
参数过多时返回用法退出码 2。
参数数组为 null 时返回用法退出码 2。
路径字符串非法时返回非零退出码。
输入文件不存在时返回非零退出码。
输入路径为目录时返回非零退出码。
输出路径为目录时返回非零退出码。

代表性测试代码：

@Test
public void writesAnswerWithTwoDecimalPlaces() throws IOException {
    Path original = temporaryFolder.newFile("original.txt").toPath();
    Path copied = temporaryFolder.newFile("copied.txt").toPath();
    Path answer = temporaryFolder.getRoot().toPath()
            .resolve("nested")
            .resolve("answer.txt");

    Files.writeString(original, "同一个原文文件", StandardCharsets.UTF_8);
    Files.writeString(copied, "同一个原文文件", StandardCharsets.UTF_8);

    int exitCode = app.run(new String[]{
            original.toString(),
            copied.toString(),
            answer.toString()
    });

    assertEquals(0, exitCode);
    assertEquals("1.00", Files.readString(answer, StandardCharsets.UTF_8));
}

@Test
public void nullArgumentsReturnUsageExitCode() {
    assertEquals(2, app.run(null));
}

@Test
public void invalidPathReturnsNonZeroExitCode() {
    int exitCode = app.run(new String[]{
            "bad\0path.txt",
            "copied.txt",
            "answer.txt"
    });

    assertEquals(1, exitCode);
}

10.4 测试覆盖率

项目已配置 JaCoCo，执行 mvn clean verify 后生成的覆盖率报告如下：

图 2：JaCoCo 单元测试覆盖率总览。当前指令覆盖率为 96%，分支覆盖率为
86%，行覆盖率为 95%，共运行 19 个测试用例。

截图应至少包含：

类覆盖率
方法覆盖率
行覆盖率
分支覆盖率

pom.xml 中已配置 JaCoCo，可执行：

mvn clean verify

报告默认生成在：

target/site/jacoco/index.html

10.5 测试评价

现有 19 个用例超过作业要求的 10 个，并覆盖了核心算法、正常输入、空输入、
格式差异、局部修改、段落重排、参数错误、非法路径、空参数和文件路径错误。
异常处理分支已经通过 PlagiarismCheckerApp 的返回码进行验证。

十一、代码质量分析

pom.xml 已启用 Java 编译告警检查：

<compilerArgs>
    <arg>-Xlint:all</arg>
    <arg>-Werror</arg>
</compilerArgs>

其中 -Xlint:all 打开常见编译告警，-Werror 把告警当作错误处理。因此，只要项目通过 Maven 编译，就说明当前编译器没有产生被检查到的告警。

代码质量分析工具结果：

项目使用 SpotBugs 4.10.4.1 在 Max effort、Low threshold 下执行静态分析：

图 3：SpotBugs 代码质量分析结果。

分析结果为 BugInstance size is 0、Error size is 0，即 6 个类中未发现
缺陷或分析错误。mvn clean verify 已绑定 SpotBugs 检查，发现问题时构建会失败。

同时使用 Maven Compiler Plugin 的 -Xlint:all 和 -Werror 检查编译告警，
构建成功即表示当前代码没有编译器警告。

十二、运行结果

使用样例执行：

java -jar main.jar sample\orig.txt sample\copied.txt sample\ans.txt

样例原文：

今天是星期天，天气晴，今天晚上我要去看电影。

样例抄袭版：

今天是周天，天气晴朗，我晚上要去看电影。

答案文件输出：

0.81

该结果与样例答案一致，且符合小数点后两位的要求。

十三、构建与发布

完整验证与构建命令：

mvn clean verify

构建产物：

target/main.jar

main.jar 使用 Java 8 字节码目标，已复制到项目根目录，并确保以下命令可直接运行：

java -jar main.jar [原文文件] [抄袭版论文文件] [答案文件]

GitHub Release 地址：

https://github.com/flanklinyang/flanklinyang/releases/download/v1.0.0/main.jar

十四、GitHub 提交记录

项目按功能阶段提交，确保每次提交时项目可以编译：

阶段	Commit 内容	Commit Hash
核心实现	命令行参数、文件读写、LCS 与字符 n-gram	`98e9cbc`
自动化测试	19 个核心算法、文件读写和异常测试	`df92d1a`
验证材料	JProfiler 快照、覆盖率截图、质量报告和性能输入	`b5c5ed9`
报告归档	完整、可复现的测试与性能分析说明	`1d7a80b`

完整提交记录可在 GitHub 仓库的 Commit History 中查看。

十五、总结与改进计划

本项目使用 Java 实现论文查重程序，核心算法由“LCS 有序相似度”和“字符 n-gram 无序相似度”组成，并使用滚动数组、滚动哈希和计算量上限控制内存与运行时间。程序能够通过命令行读取指定文件，并将保留两位小数的结果写入答案文件。

目前已完成的验证包括：

Java 代码可以编译并打包为 Java 8 兼容的 main.jar。
main.jar 可以运行。
样例输出为 0.81。
19 个 JUnit 测试全部通过。
JaCoCo 指令覆盖率为 96%，分支覆盖率为 86%，行覆盖率为 95%。
SpotBugs 检查 6 个类，发现 0 个缺陷和 0 个分析错误。
JProfiler CPU 热点分析确认 orderedLcsScore 占自身时间 89%。
未发现联网或外部进程调用。

正式提交前还需要完成：

初始化 Git 仓库并补至少三次有意义的提交。
发布 main.jar 到 GitHub Release。
将仓库地址和 Release 地址替换到本文开头和构建发布章节。

posted @ 2026-09-11 20:12 程序员147258369 阅读(8) 评论(0) 收藏举报

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