面向对象程序设计———数字电路模拟程序1、2与第一次课堂测验总结

一、前言
数字电路作为处理离散信号的电子电路，以高、低电平对应二进制“1”和“0”，是计算机与各类数字系统的物理实现基础。本次数字电路模拟程序设计通过迭代进阶的方式，逐步引导我们深化对数字电路元件特性、电路连接逻辑、信号传递规则及程序实现逻辑的理解与掌握。以下是各阶段作业的简单总结：

1、数字电路第一次作业
知识点：核心围绕与门、或门、非门、异或门、同或门五种基础逻辑门元件，掌握其输入输出特性；学习元件名与引脚信息的规范表示，理解电路输入、连接信息的解析规则，实现基础逻辑门构成电路的信号计算与输出
题量：属于单核心场景编程题，核心代码集中在元件特性封装、输入信息解析及信号传递与计算模块
难度：难度中等，需准确理解五种基础元件的逻辑规则，清晰梳理输入信息到输出结果的转化流程

2、数字电路第二次作业
知识点：在基础逻辑门基础上，新增三态门、译码器、数据选择器、数据分配器四种元件，需掌握含控制引脚元件的工作机制；完善元件名命名规则，明确含控制引脚元件的引脚排序逻辑；优化程序输出规则，针对不同元件类型制定差异化输出标准，进一步提升程序对复杂电路场景的适配性
题量：属于多元件、多规则协作编程题，需设计多个核心模块封装不同元件特性、解析各类输入信息、处理信号传递逻辑及执行差异化输出，需重点关注各模块间的协调与规则统一
难度：难度较第一次显著增加，若第一次作业代码架构未预留扩展空间，需重构设计以适配新增元件特性与复杂规则，对电路逻辑理解和程序架构设计能力要求更高

二、设计与分析

数字电路第一次作业

• 1. 题目要求
     设计数字电路模拟程序，支持与门、或门、非门、异或门、同或门五种基础逻辑门元件的模拟：
     需按照规范解析元件信息，如A(8)1表示 8 输入与门、引脚信息，如A(8)1-2表示对应元件的 2 号引脚；
     处理电路输入信息，如INPUT: A-0 B-1和连接信息，如[A A(8)1-1]表示信号传递；
     遵循元件逻辑规则计算输出：与门全 1 出 1、或门全 0 出 0、非门取反、异或门异出 1、同或门同出 1；
     输出规则：按与 / 或 / 非 / 异或 / 同或的顺序，同类元件按编号排序输出，忽略无有效输入的元件
• 2. 类图设计
     
     Signal 类：封装信号标识与电平数值，是电路中引脚信号传递的基础数据载体
     Gate 类：整合五种基础逻辑门的属性与计算逻辑，是核心业务封装类
• 3. 复杂度分析
     
     
     每类方法数：3.8
     每方法平均语句数：7.5
     平均复杂度：3.57
     平均块深度：3.15
     最大方法复杂度：44，出现在main()方法中，该方法需同时处理输入解析、元件初始化、信号传递计算、输出格式化等多流程，逻辑分支与嵌套较多，是复杂度核心点；
     最大块深度：9+，因输入解析和信号传递需多层循环，如遍历连接信息、遍历元件引脚，嵌套层级较深
• 4. 题目分析
     本次作业核心是封装基础逻辑门的特性与实现电路信息的解析 - 计算 - 输出流程：
     需将每种逻辑门的输入输出规则抽象为元件类的核心方法，确保不同元件的计算逻辑独立；
     要按规范解析输入的元件、引脚、连接信息，构建元件与引脚的关联关系；
     信号传递需遵循输出引脚可连多输入、输入引脚仅连一个输出的约束，逐引脚传递信号后触发元件计算；
     最终按指定顺序输出元件结果，需对元件进行分类、排序，同时过滤无有效输入的元件

数字电路第二次作业

• 1. 题目要求
     在基础逻辑门的基础上，新增三态门、译码器、数据选择器、数据分配器四种元件，同时调整规则：
     元件信息扩展：新增元件的命名规则，如Z(2)2表示 2 控制引脚的数据选择器、引脚排序规则，含控制引脚的元件按 “控制 - 输入 - 输出” 排序；
     异常处理：忽略无有效输入、输入输出断开，如三态门控制端低电平、控制引脚无效的元件输出；
     输出规则差异化：译码器输出输出 0 的引脚编号，数据分配器按引脚顺序输出信号，无效状态用 “-” 表示；
     保留基础逻辑门的逻辑规则与输入连接约束
• 2. 类图设计
     
     Gate 抽象类：作为所有门电路父类，统一抽象通用属性与方法，拆分出基础逻辑门、新增扩展元件子类；

点击查看Gate类设计

abstract class Gate {
    protected int number;
    protected int[] pins;
    protected boolean outputCalculated = false;

    public Gate(int number, int pinCount) {
        this.number = number;
        this.pins = new int[pinCount];
        Arrays.fill(pins, -1);
    }

    public abstract void calculateOutput();

    protected abstract boolean isInputValid();

    public abstract String getBaseName();

    public abstract String getOutputName();

    public abstract String getOutputResult();

    public int getNumber() { return number; }

    public void setPin(int pinNum, int value) {
        if (pinNum >= 0 && pinNum < pins.length) {
            pins[pinNum] = value;
        }
    }

    public int getPin(int pinNum) {
        return (pinNum >= 0 && pinNum < pins.length) ? pins[pinNum] : -1;
    }

    public boolean isOutputCalculated() { return outputCalculated; }
    public void resetCalculated() { outputCalculated = false; }
}

• 3. 复杂度分析
     
     
     每类方法数：4.0
     每方法平均语句数：5.2
     平均复杂度：2.62
     平均块深度：2.27
     最大方法复杂度：23，出现在findSignalValue()方法中，该方法需适配新增元件的信号计算规则，但整体平均复杂度（2.62）较第一次显著降低；
     最大块深度：6，虽仍有嵌套，但平均块深度（2.27）降低，代码层级更简洁，新增元件的逻辑被拆分到独立方法中，可读性提升
• 4. 题目分析
     本次作业核心是类职责拆分与新增元件的逻辑适配：
     设计上，将原单一元件类拆分为基础逻辑门类、三态门类、译码器类等，每个类仅封装对应元件的特性；新增引脚管理类负责引脚的排序、关联，输出格式化类负责不同元件的差异化输出，符合单一职责原则；
     逻辑上，需实现新增元件的规则：三态门的控制端控制通断、译码器的控制条件 + 编码对应输出、数据选择器的控制端选输入、数据分配器的控制端选输出；
     异常处理需覆盖无效输入、控制无效、连接断开等场景，同时优化输入解析逻辑以适配新增元件的命名与引脚规则；
     对比第一次，代码的模块化程度更高，新增功能的扩展成本降低，整体维护性提升

第一次课堂测验分析
这些题的核心是考查Java基础概念的精准区分，这里我按考点分类梳理：
（1）访问修饰符类
这类题的关键是精准记权限范围+修饰符适用场景，易错点是混淆不同修饰符的边界/适用对象：
protected（2-12、3-3）：
正确判断逻辑是protected允许3类访问：同类、同包任意类、不同包子类
权限排序题（2-26）：
正确的是public > protected > default > private
顶层类修饰符（3-28）：
顶层类仅支持public/默认修饰符，private仅用于内部类
构造方法修饰符（3-38）：
仅支持public/protected/private/默认访问修饰符
成员变量修饰符（3-37）：
成员变量支持public/private/protected/default/static/final
普通方法修饰符（3-39）：
易错点是遗漏abstract/static/final可修饰普通方法，普通方法支持所有访问修饰符+static/final/abstract
封装修饰符（填空）：
对属性封装时使用private关键字修饰

（2）构造方法类
核心是构造方法的特殊规则，易错点是把构造方法和普通方法混淆：
2-18、2-28、2-25：
易错点是误选带void的方法，方法名和类名不一致，比如大小写不同的选项，或误以为构造方法可有可无然而类没有显式构造时，系统会默认生成无参构造
3-29：
易错点是误以为构造方法可写void、必须是public，实际构造方法无返回值（不能写void）、修饰符可private/protected等
构造方法调用（填空）：
构造方法内通过this(参数)调用本类其他构造方法，子类构造可通过super(参数)调用父类构造

（3）static/this/super类
这类题的关键是区分属于类还是属于对象：
static（2-20、填空）：
易错点是把static当成访问修饰符，它是类成员的关键字，不是访问权限修饰符；static修饰成员变量为静态变量（类变量），静态方法不能直接访问实例变量
this/super（2-16、2-17、3-4、填空）：
易错点是误以为this/super能在main中用、super能访问父类private成员（private成员super也访问不到）；this解决成员变量与局部变量名称冲突，super引用父类成员，二者可在同一构造方法不同行出现
实例变量/类变量（3-32、3-33）：
易错点是混淆实例变量（无static、属于对象）和类变量（有static、属于类）的访问规则，比如误以为静态方法能访问实例变量

（4）接口/抽象类类
核心是区分接口和抽象类的本质差异，易错点是概念混淆：
接口相关（2-11、3-1、填空）：
易错点是误以为接口所有方法都是抽象方法、接口是类的一种，或认为接口的子类必须重写所有方法（子类为抽象类时可不用）；用interface定义接口，implements关键字实现接口
抽象类相关（2-22、3-1）：
易错点是误以为抽象类没有构造方法、抽象方法可以写方法体，或在抽象类的类体中直接写执行语句
3-31：
抽象类不能实例化，abstract与final语义冲突
3-23：
实际接口无构造方法，抽象类作为类仅支持单继承

（5）多态类
核心是多态的前提+特性，易错点是遗漏前提条件、混淆多态的优缺点：
3-34：
易错点是误以为向下转型是多态前提，实际多态前提仅需继承、方法重写、父类引用指向子类对象
3-35：
易错点是把父类引用无法访问子类特有成员当成多态好处，实际这是局限性，多态核心好处是可维护性、通用性、扩展性
继承关键字（填空）：
extends关键字实现子类继承父类，面向对象三大特性包含多态性

（6）循环/语法规则类
核心是精准记忆Java语法关键字/格式规则，易错点是混淆关键字功能、语法格式错误：
3-30：
循环定义关键字仅for/while，do是while循环的辅助关键字
注释格式（3-17）：
仅//、/* /、/* */合法
编译运行命令（填空）：
易错点是编译命令书写错误，编译.java文件用javac 文件名.java，运行类用java 类名
标识符/变量定义（3-26、3-25、填空）：
易错点是误以为数字开头、含#等特殊字符的标识符合法，或byte可存储超出-128~127范围的数值；int类型占4个字节，布尔常量为true和false
数组定义（3-24、3-27）：
二维数组不能仅指定二维长度，数组创建需用[]而非()
循环执行（填空）：
需精准分析循环条件、break/continue对循环次数的影响

（7）位运算/字符串类
核心是记忆位运算规则、字符串操作语法，易错点是混淆位运算补位规则、字符串运算符：
3-22：
左移始终补0，右移补符号位，正数补0、负数补1
3-23：
字符串仅支持+拼接，访问字符需用charAt()
字符串类型（填空）：
String类型表示不可变字符串

（8）封装类
核心是封装的实现方式+规则，易错点是误以为封装是语法强制要求：
3-21：
封装是规范（private属性+public get/set），不封装也可编译

（9）final/abstract关键字类
核心是记忆关键字语义冲突、适用场景，易错点是混淆关键字组合规则：
3-18：
final可修饰类/方法/属性，二者语义冲突无法共存
final特性（填空）：
final修饰变量为常量（仅赋值一次），修饰方法不可被子类重写

（10）异常处理类
核心是异常的抛出与捕获规则，易错点是概念术语混淆：
异常捕获（填空）：
异常处理通过捕获特定异常并处理
异常抛出（填空）：
易错点是术语错误，程序出错时生成异常类对象的过程称为抛出异常，非抛出错误

（11）包相关类
核心是包的创建与引用规则，易错点是语法格式错误：
包创建（填空）：
易错点是语句格式错误，创建包的语句为package 包名;需注意分号、包名小写
包引用（填空）：
import关键字引用其他包的类和接口

（12）随机数/顶级父类类
随机数（填空）：
通过java.lang.Math类或java.util.Random类获取随机数
顶级父类（填空）：
Java所有类的顶级父类是Object

（13）代码执行结果分析类
核心是逐行分析代码逻辑、运算符优先级、变量作用域：
数组遍历计算（填空）：
需精准判断条件（如取模、累加规则），计算最终变量值
子类变量覆盖（填空）：
子类重名变量不影响父类变量访问，需区分实例变量作用域

三、踩坑心得
两次数字电路模拟程序设计中，最核心的问题是对元件规则、输入输出约束的理解不透彻，以及代码架构未预留扩展空间，导致迭代时大量返工，核心踩坑点如下：

1. 对题目规则的理解偏差：第一次作业初期未注意输入引脚不能连接多个输出引脚、输出引脚不能短接的约束，仅实现了基础信号计算，调试时发现部分元件信号传递异常，回头重新梳理规则才修正；第二次作业忽略了译码器控制引脚不满足条件时输出全无效的细节，初期按基础门电路逻辑处理，导致输出结果完全不符合要求，反复核对题目后才补全规则判断。由此可见，写代码前需逐字拆解业务规则，明确每个元件的输入、计算、输出约束，避免凭经验臆断规则
2. 代码架构设计缺陷：第一次作业为快速完成需求，将元件计算、引脚管理、输入解析、输出格式化全部杂糅在 Main 类中，仅用少量方法实现所有逻辑；第二次作业新增三态门、译码器等元件时，原代码无任何拆分和抽象，无法直接扩展，只能推翻重构，浪费大量时间。反思后意识到，迭代开发场景下，前期需先设计类结构，明确各模块职责，而非仅追求功能实现
   类内职责耦合过紧：第一次作业将所有门电路的计算逻辑都写在同一个方法中，通过大量 if-else 区分元件类型；第二次作业初期仍沿用该方式，新增元件后方法逻辑分支暴增，调试时定位问题困难，且修改某类元件的计算规则会影响其他元件，体现出未遵循单一职责原则的弊端
   
3. 信号有效性处理遗漏：第二次作业初期未考虑 “三态门高阻态”“译码器控制无效” 等场景下的信号无效状态，按普通 0/1 信号处理，导致输出时未过滤无效元件，与题目要求不符；且代码无注释说明各元件的计算逻辑，迭代时需重新梳理每个分支的含义，调试效率极低

四、改进建议

• 1.规则拆解与注释规范：
  改进：写代码前先将题目规则拆解为输入解析规则→元件计算规则→输出格式化规则三类，逐条梳理成文档；强制为核心方法添加 Javadoc 注释，明确规则约束和逻辑意图，示例如下：

点击查看代码

/**
 * 计算译码器输出结果
 * @param controlPins 控制引脚电平列表
 * @param inputPins 输入引脚编码列表
 * @return 有效时返回输出0的引脚编号，无效时返回-1
 * @note 仅当S1=1且S2+S3=0时译码器有效，否则输出无效
 */
private int calculateDecoderOutput(List<Integer> controlPins, List<Integer> inputPins) {}

• 2.架构抽象与接口化设计：
  改进：针对易扩展的核心逻辑抽象接口，拆分不同元件的实现类，避免耦合，示例如下：

点击查看代码

// 抽象门电路接口，定义通用行为
public interface Gate {
    // 校验输入是否有效（含控制引脚、连接完整性）
    boolean isInputValid();
    // 计算输出结果（返回电平/无效标识）
    Object calculateOutput();
}
// 基础逻辑门实现类
public class AndGate implements Gate {}
public class OrGate implements Gate {}
// 新增扩展元件实现类
public class TriStateGate implements Gate {}
public class Decoder implements Gate {}

• 3.模块拆分与职责单一：
  改进：将代码拆分为输入解析模块InputParser、元件管理模块GateManager、信号计算模块SignalCalculator、输出格式化模块OutputFormatter，每个模块仅负责一类功能；例如 InputParser 专门处理元件、引脚、连接信息的解析，GateManager 专门管理所有元件的初始化和状态维护，降低模块间耦合，便于迭代扩展
• 4.无效状态统一管理：
  改进：新增 Signal 类的 “有效性标识” 属性valid: boolean，在所有元件计算方法中先校验输入 / 控制有效性，再赋值该标识；输出时统一根据标识过滤无效元件，避免每个输出分支单独判断，简化逻辑

五、总结
1.本阶段核心收获
（1）数字电路编程：掌握 5 种基础逻辑门、4 种扩展元件（三态门 / 译码器等）的工作机制与程序实现，理解电路信息解析 - 计算 - 输出全流程，学会从单一核心场景编程过渡到多元件协作编程，明确模块化、单一职责原则在迭代开发中的重要性
（2）面向对象设计：深化类抽象与继承应用，如 Gate 抽象类拆分子类，理解接口 / 抽象类差异，掌握类职责拆分、模块解耦技巧，降低代码扩展成本
（3）Java 基础巩固：课堂测验的知识点测试让我更加清晰地学习到更多知识。后续复盘中使我对以下知识点掌握更加牢固：精准区分访问修饰符权限、构造方法规则、static/this/super 用法，理清接口与抽象类特性、多态实现前提，熟练掌握异常处理、位运算、数组等基础语法细节
2.需进一步学习及研究的方向
（1）架构设计能力：加强接口化、抽象化设计实践，深入学习设计模式（如工厂模式）在元件创建、管理中的应用，提升代码可扩展性与维护性
（2）规则解析与异常处理：优化复杂输入规则的解析逻辑，研究统一的无效状态处理方案，减少因规则遗漏导致的调试问题
（3）Java 进阶知识：深化多态、继承的实战应用，重点突破抽象类 / 接口的灵活使用场景，加强代码注释规范与文档化编写能力
（4）复杂电路场景适配：探索更复杂数字电路（如组合逻辑电路、时序逻辑电路）的模拟实现，提升程序对多规则、多约束场景的适配能力
3.一些改进建议
提供轻量化类结构示例，引导学生搭建基础架构
发布典型踩坑代码对比，展示错误写法，分析耦合危害与解耦思路
作业前置规则拆解指南，按输入解析 - 信号计算 - 输出过滤拆分任务，标注每步的关键约束，如输入引脚唯一性校验
课上开展作业场景化教学，结合作业中的元件扩展需求，讲解抽象类设计、方法重写等知识点的实际应用
作业周期内设置分阶段答疑，初期答疑聚焦规则理解，中期聚焦架构调试，后期聚焦输出优化