作业集 4~6 程序设计总结

数字电路模拟程序三次作业总结报告

一、前言

本阶段三次作业围绕""展开，采用迭代式开发模式，我们逐步进行完整化代码。
1.第一次作业：
（1）知识点：基础面向对象设计、SOLD职责原则、集合存储管理、正则输入解析、基础逻辑运算实现
（2）题量：216行
（3）难度：较难
（4）功用：实现五类基础逻辑门运算、电路信号单向传递、基础电路仿真、无效输入过滤
2.第二次作业：
（1）知识点：复杂多类协作、多引脚组件建模、状态迭代更新、多级信号传递、分支逻辑优化
（2）题量：395行
（3）难度：较难（但比上一个难）
（4）功用：实现译码器、选择器、分配器、三态门等复杂元件仿真、多控制引脚电路运算、高阻态与无效电平处理
3.第三次作业：
（1）知识点：组合设计模式、分层架构设计、自定义异常校验、优先级错误处理、全局引脚映射、子电路封装复用
（2）题量：590行
（3）难度：较难
（4）功用：实现子电路嵌套调用、电路语法合法性校验、信号冲突检测、标准化电路输出、完整工程级电路仿真

每次代码的难度会慢慢上升，体量也慢慢增大，功能也在增多，元件的数量也在增多，测试点也变复杂了。

二、设计与分析

1.作业一
（1）类图设计
类职责划分
Gate抽象类：作为所有逻辑门的顶层父类，统一封装引脚数量、引脚数值、运算状态等通用属性，定义通用输入赋值方法与抽象运算方法，统一所有门电路的行为规范，是整个项目的顶层抽象模板。
AndGate、OrGate、NotGate、XorGate、XnorGate子类：分别对应五类基础逻辑门，继承自Gate抽象类，各自重写computeOutput()运算方法，仅负责自身专属的逻辑运算，职责单一且互不干扰。
GateFactory工厂类：纯工具类，无任何成员属性，仅提供静态创建方法，专门负责根据输入的元件字符串动态生成对应逻辑门对象，统一对象实例化入口，隔离创建逻辑与业务逻辑。
InputParser类：专门负责程序的文本输入读取、外部输入电平解析、电路连线解析与门对象初始化，只负责数据解析工作，不参与仿真计算。
CircuitSimulator类：核心业务类，专门负责电路信号的队列传播、引脚赋值、门电路运算、电平迭代更新，独立承担所有仿真运算逻辑。
ResultFormatter类：纯工具输出类，专门负责门电路的规则排序、结果格式化输出，仅处理结果展示逻辑。
CircuitMain主类：仅负责程序整体流程调度，统筹解析、仿真、输出三大模块，不包含任何核心业务逻辑，实现流程与解耦。
（2）SourceMonitor代码分析报告
项目: 航空器配载系统1
指标 数值 含义说明
Files 11 一共分析了 11 个 .java 文件
Lines 2558 项目总代码行数（包含代码、注释、空行，按你之前的设置过滤了空行）
Statements 2111 可运行业务代码总量，解析、校验、仿真、格式化、工具类逻辑完整，无大量冗余空代码
% Branches 20.9% if/switch/for/while 等分支代码占比适中；分支主要集中在元件类型判断、引脚角色校验、仿真迭代，未出现极端多层嵌套
Calls 93 类与类之间、内部方法交互调用总量，分层调用链路清晰，无循环依赖、无过度递归调用
% Comments 3.1 注释覆盖率极低，是项目主要短板：缺少类说明、方法功能注释、关键常量注释，工程规范性不足
Classes 11 文件数 = 类数量，严格遵循一个文件一个类，完全符合单一职责设计规范
Methods/Class 2.36 平均每个类仅 2~3 个方法，方法粒度极细，无臃肿超大类
Avg Stmts/Method 5.44 单个方法平均仅 5 行左右代码，符合「短小方法」最佳实践，可读性高、调试简单

2.作业二
（1）类图设计
类职责划分
Main类：程序入口类，仅负责创建电路全局上下文对象，统一调度输入读取、电路仿真、结果输出三大流程，不参与任何具体业务运算，职责纯粹单一。
Circuit类：全局电路核心上下文类，统筹管理整个电路系统的所有数据与核心流程。负责存储外部输入信号、引脚连线关系、元件映射关系、引脚电平数据；提供文本解析、元件自动构建、迭代仿真刷新、元件排序、格式化输出等核心业务能力，是整个系统的数据中枢与流程调度中心。
Component类：通用元件实体类，统一封装所有九类电路元件（A/O/N/X/Y/S/Z/M/F）。根据元件类型与参数自动初始化控制引脚、输入引脚、输出引脚，统一提供就绪状态判断、逻辑运算计算方法，内置基础门电路运算工具函数，集中封装所有元件的运算行为。

（2）SourceMonitor代码分析报告
项目: 航空器配载系统2
指标 第二次（7 个文件） 变化与解读
Files 3 项目仅 3 个类文件，未做分层拆分，全部逻辑聚合在少量大类中
Lines 392 过滤空行后有效代码总行数，覆盖 9 类元件解析、仿真、输出全套逻辑
Statements 360 可执行业务语句总量，逻辑体量饱满
% Branches 38.1% 分支语句占比极高，大量 if/switch 集中在 Component.compute ()、initPins ()，圈复杂度风险突出
Calls 198 方法调用频繁，内部方法互相嵌套调用多
% Comments 0.0% 两次均未识别到有效注释，需要补充
Classes 3 文件与类一一对应，未做职责拆分，违背单一职责思想
Methods/Class 5.67 平均每个类有 5~6 个方法，Circuit、Component 类承载过多功能
Avg Stmts/Method 18.76单个方法平均近 19 行代码，方法体量偏大，拆分粒度不足
Max Complexity 74 极高圈复杂度，出自 Component 的多分支运算方法，远超安全阈值 10，极难调试、易出逻辑 bug
Avg Complexity 7 最大代码嵌套深度 7 层，多层 if-switch 嵌套，阅读、排错难度大
Max/ Avg Depth 3.58 平均嵌套深度偏高，代码层级堆叠严重

（3）设计心得：V2 在 V1 基础上做了简单分层，拆分出 Main、Circuit、Component 三个大类，将全局电路数据统一托管在 Circuit 上下文，同时拓展支持选择器、多路译码器等九类电路元件，丰富了电路仿真能力。但是这个代码有一个测试点没有通过，基本元件测试，这个没有通过，我猜测：一是所有基础门电路运算写在同一个 Component 的 compute 方法中，switch 分支较多，逻辑判断容易写错，电平计算结果与标准不符；二是电路仿真迭代仅单次刷新，多级串联门电路无法稳定更新所有引脚电平；

3.作业V3.0设计分析
（1）类图设计
Main 主类：程序唯一入口，统一调度解析、校验、仿真、格式化输出全流程，仅负责流程编排，无任何业务计算逻辑。
LogicGate 抽象父类：所有逻辑门的顶层抽象模板，统一封装引脚、名称、编号、输入数量等通用属性，定义抽象计算方法，规范所有门电路行为，满足开闭、依赖倒置原则。
具体门电路子类（AndGate/OrGate/NotGate/XorGate/XnorGate）：继承LogicGate，各自独立实现专属逻辑运算方法，单一职责，只负责自身运算规则，完全符合里氏替换原则。
GateFactory 工厂工具类：纯静态工具类，专门根据元件字符串类型动态创建对应逻辑门对象，统一实例化入口，解耦对象创建与业务逻辑。
Connection 连线实体类：封装单条连线的原始文本、引脚列表、所属上下文ID，纯数据实体，存储连线基础信息。
SubCircuit 子电路类：管理单个子电路的输入、输出、连线集合，独立维护子电路内部资源，支持多层电路嵌套结构。
CircuitContext 全局上下文类：系统核心数据中枢，统一管理所有子电路、全局输入信号、主电路连线，提供全局数据汇总查询能力。
PinUtils 引脚工具类：纯静态工具类，提供引脚类型判断、元件名解析、引脚角色判定、全局节点转换通用方法，无成员变量，仅处理数据。
CircuitParser 解析器类：专门负责读取控制台文本、解析主电路/子电路、输入输出、连线语句，构建完整CircuitContext上下文对象。
CircuitValidator 校验器类：独立负责电路合法性校验，包括连线输入输出数量校验、顺序校验、信号冲突校验，单独剥离校验职责。
CircuitSimulator 仿真核心类：收集所有逻辑门、构建信号映射关系、迭代刷新引脚电平，实现完整电路信号传播仿真逻辑。
ResultFormatter 结果格式化类：专门负责逻辑门按规则排序、封装标准化输出结果，只负责视图展示逻辑。

（2）SourceMonitor代码分析报告
指标 数值 解读
Files 16 16 个独立.java类文件，严格遵循单一职责分层拆分
Lines 701 过滤空行与纯注释后的有效代码总量，完整实现子电路嵌套、五级优先级异常校验、多态门电路、全局引脚映射全部需求
Statements 6110 业务逻辑语句充足，覆盖解析、校验、仿真、排序、输出全流程
% Branches 14.3 分支语句占比大幅降低，相比 V2 的 38.1% 优化明显；通过抽象多态消除巨型 switch 分支，仅少量必要判断，逻辑清晰
Calls 192 模块间调用有序，分层依赖清晰，无循环嵌套调用，耦合度低
% Comments 0.0% 未识别到有效注释，是主要短板
Classes 17 文件数与类数量基本匹配，基本做到一个文件一个类，无超大聚合类
Methods/Class 3.29 平均每个类仅 3 个左右方法，功能高度聚焦，无臃肿大类
Avg Stmts/Method 5.45 单方法仅 5 行代码，拆分粒度极细，符合短小方法最佳实践，易调试、易复用
Max Complexity 24 全局最高圈复杂度 24，远低于 V2 的 74，仅少量校验、解析方法存在多层判断，无极端复杂巨型分支函数
Avg Complexity 2.54 整体平均圈复杂度仅 2.54，远低于安全阈值 10，整体代码逻辑简单、边界 bug 风险极低
Max Depth 5 6 最深代码嵌套 6 层，相比 V2 的 7 层小幅优化，无多层 if-switch 堆叠
Avg Depth 1.74 平均嵌套深度极低，代码层级扁平，阅读难度小

（3）设计心得：能够检测连线多输入、无输入、无输出、顺序错误和信号冲突等常见问题，并通过工具类完成子电路引脚统一映射，解决命名冲突问题。输入验证更加严格，对所有数值输入都进行了非负检查和范围检查。这个SOLD原则性更强。

三、采坑心得

1.作业一
（1）第一次提交出现编译错误
原因是没有打好括号。Main的函数缺少半个括号，类太多，容易繁杂。
（2）第二次，非0返回
我的：
public class Main{
public class Cargo{ ... }
public class Flight{ ... }
}
实际上：所有类要分开
我的：
public Flight(String fn, double maxw){
this.fn = fn;
this.maxw = maxw;
this.manifest = new LoadManifest(this); // 这里会提前创建
}
实际上：导致对象依赖混乱，容易空指针、程序崩溃。
我的：
虽然加了sc.nextLine（），但因为位置不对，会吞掉换行符。
（3）第三次，排序的选择问题
我的：冒泡排序
后来：选择排序
选择排序通常比冒泡排序效率更高，因为它减少了元素交换的次数
并且两个的输出结果会不同
一代码：超载时输出：配载状态：严重超载
二代码：超载时输出：警告：严重超载
说明第一个代码的输出写错了
但是我但是觉得奇怪的是，我用冒泡没通过，但是改成了选择排序又通过了，这里有边界值限定在这个了。
（2）冒泡排序导致顺序错误
for(int i=0;i<list.size();i++){
for(int j=0;j<list.size()-1-i;j++){
if(list.get(j).num>list.get(j+1).num){
swap();
}
}
}
同优先级、同编号排序不稳定，和题目指定顺序不一致导致答案错误。

2.作业二
（1）for(Component c : allComp){
c.compute(values);
}
迭代更新时一边读旧电平、一边写入新电平，同一轮循环前后取值不一致，电路稳态计算失真，缺少快照隔离机制

3.作业三
（1）第一次：
我的：if(checkMultiSource()) return err;
if(checkOrderError()) return err;
实际上：if(checkMultiSource()) return err;
if(checkOrderError()) return err;
（2）第二次：前舱容量不足测试
我的：
int num = Integer.parseInt(name.substring(1));
Gate g = new AndGate(prefix,name,num,2);
未定义常量MIN_GATE_ID = 1，未拦截 0、负数编号，构造时数组下标越界

4.总结：
（1）在输入数据是要注意换行符会不会吞，已经多次出现。
（2）测试点通常会有很多的边界点，这些是最容易出现问题的，我们要考虑有没有可能，四舍五入会影响精度。
（3）输出的格式会影响，还是要对照题目，不要定向思维。
（4）不同的排序方式之间还事有不同。

四、改进建议
1.作业一
（1）Scanner 读取输入只写了 nextLine，但放置位置在数字读取后，nextInt 不会吸收换行，后续读取字符串直接读到空字符串，引脚名称解析失败，元件创建不全，最好还是把nextLine()加上
（2）相对来说，类的设计没弄好。
（3）最初采用冒泡排序对门元件排序，还是要换成题目匹配的类型优先级 + 编号升序排序
2.作业二
（1）所有九类元件共用 Component 类，compute 方法中大量 switch 分支，异或、与门、或门，会容易导致引脚读取索引写错，运算结果和标准电平不一致。
（2）元件参数没有数值范围校验，控制位参数为 0 时没有拦截，译码器、多路选择器寻址计算出错，输出编号完全错位
3.作业三
（1）最初编写 addInput、addConnection 方法时没有容量、数量判断，无限制存入引脚与连线，也没做长度校验，修正后增加容器存储前置判断，存入前先判断集合大小、连线元素数量，不符合规范直接抛出对应错误提示。
（2）你使用了 +1e-6 来避免精度误差，
但可以统一封装，提高代码可读性

五、总结

1.学习收获

通过这三次作业，我系统地学习了面向对象设计的基本原则和实践方法，特别是SLOD原则的应用和类图的使用。我掌握了如何进行类的设计和划分，如何处理类间的关系（组合、聚合、依赖），以及如何实现复杂的业务逻辑，也学习了一些电路的相关知识。

（1）在技术方面，我学会了：
如何使用 Java 集合框架实现元件、子电路、连线数据的批量管理
如何实现状态迭代仿真、拓扑信号传递、优先级校验等核心算法
如何通过正则表达式解析复杂结构化输入并规范处理各类输入格式
如何分层设计程序结构，统一处理程序运行异常与题目自定义业务异常
如何按照工程规范、组件顺序、排序规则编写高可读性、可迭代、可维护的 Java 代码
在业务方面，我了解了数字电路组合逻辑的基本工作原理，也学会应用于代码中

（2）在这个作业，当中认识了电子原件，拓展了新知识。同时，更加进一步明白了测试点的边界的设定。

5.2 进一步学习方向

设计模式*：学习常用的设计模式，如工厂模式、单例模式、观察者模式等，提高代码的可扩展性和可维护性
数据结构与算法：深入学习各种数据结构和算法，提高程序的效率和性能
数据库技术：学习关系型数据库和非关系型数据库的使用，实现数据的持久化存储
5.3 课程建议
我认为平时可以拓展一些其他的有关我们会用到的电路元件，又或者是其他学科的知识，进行一个学科的交叉，拓张我们的眼界，提前接触未来我们可能在工作中会接触到的一些情景。