面向对象程序设计——数字电路模拟程序
前言
两次题目集围绕“数字电路模拟”主题逐步深化，从基础逻辑门扩展到常用组合逻辑器件。
| 题目集 | 元件 | 核心知识点 |
| 数字电路模拟程序-1 | 与门(A)、或门(O)、非门(N)、异或门(X)、同或门(Y) | 1. 基本逻辑门功能与真值表 2. 多输入引脚处理（与门、或门） 3. 电路连接关系解析 4. 信号传播与电平计算 5. 无效输入处理（引脚未连接） |
| 数字电路模拟程序-2 | 新增：三态门(S)、译码器(M)、数据选择器(Z)、数据分配器(F) | 1. 控制引脚概念（三态门、译码器等） 2. 多输出元件（译码器、数据分配器） 3. 编码/解码逻辑（译码器、数据选择器） 4. 高阻态与无效状态处理 5. 复杂引脚编号规则（控制-输入-输出顺序） |
两个题目均为综合编程题，程序-1：中等偏上，适合考察基本电路模拟和字符串解析能力；程序-2：困难，在程序-1基础上大幅增加元件类型和输出逻辑，对细节处理要求更高。
设计与分析
程序一
题目：
数字电路是一种处理离散信号的电子电路。与处理连续变化信号（如声音、温度）的模拟电路不同，数字电路只识别和运算两种基本状态：高电平（通常表示为“1”） 和 低电平（通常表示为“0”）。这正好与二进制数制系统相对应，使得数字电路成为所有计算机和数字系统的物理实现基础。
请编程实现数字电路模拟程序，
1、电路元件
电路中包含与门、或门、非门、异或门、同或门五种元件。元件特征如下：
与门：
包含两个或多个输入引脚和一个输出引脚。所有输入引脚必须都是高电平，输出引脚才是高电平，只要有一个输入引脚为低电平，输出引脚输出低电平。
或门：
包含两个或多个输入引脚和一个输出引脚。所有输入引脚必须都是低电平，输出引脚才是低电平，只要有一个输入引脚为高电平，输出引脚输出高电平。
非门：
包含一个输入引脚和一个输出引脚。输出引脚的电平与输入引脚的电平相反，如输入为低电平，输出则为高电平。
异或门：
包含两个输入引脚和一个输出引脚。当两个输入引脚电平不一致时输出引脚输出高电平，否则输出低电平。
同或门：
包含两个输入引脚和一个输出引脚。当两个输入引脚电平一致时输出引脚输出高电平，否则输出低电平。
2、程序输入
1）元件信息：
用A、O、N、X、Y 分别用作与门、或门、非门、异或门、同或门五种元件的元件标识符。
电路中的每个与门、或门用“标识符(输入引脚数)+编号”作为其元件名。
例如：A(8)1表示一个8输入引脚的与门，O(4)2代表一个4输入引脚的或门。
电路中的每个非门、异或门、同或门用“标识符+编号”作为其元件名。
例如：X8表示一个异或门，Y4代表一个同或门，N1代表一个非门。
约束条件：
不同元件的编号可以相同，如X4、Y4。
同一电路中同种元件的编号不可重复，可以不连续
2）引脚信息：
引脚信息由“元件名-引脚号”构成，。
例如：A(8)1-2代表与门A(8)1的2号引脚。
3）电路的输入信息：
电路的输入格式：
INPUT:英文空格+输入1+”-”+输入信号1+英文空格+输入2+....+输入n+”-”+输入信号n
例如：
“INPUT: A-0 B-1 C-0”代表整个电路包括3个输入：A、B、C 分别输入0,1,0信号。
4）连接信息
引脚的连接信息格式：
[+输出引脚+英文空格+输入引脚1+。。。。+英文空格+输入引脚+]
例如：
[A A(8)1-1 A(8)1-3 X5-2]
代表信号从引脚A发送给与门A(8)1的1、3两个引脚，以及异或门X5的2号引脚。
[Y8-0 N1-1 O(4)2-3 Y2-1]
代表信号从引脚Y8-0发送给非门N1的1号引脚、或门O(4)2的3号引脚、同或门Y2的1号引脚。
约束条件：
一个输出引脚可以连接多个输入引脚，即将输出引脚的信号传给每一个输入引脚。但一个输入引脚不能连接多个输出引脚。
输出引脚不能短接在一起。
5）输入结束信息
所有输入以end为结束标志，end之后出现的内容忽略不计
3、程序输出
按照与门、或门、非门、异或门、同或门的顺序依次输出所有元件的输出引脚电平。同类元件按编号从小到大的顺序排序。
如果某个元件的引脚没有接有效输入，元件输出无法计算，程序输出结果忽略该元件
4、测试输入默认满足以下条件：
1）每个元件的输入引脚连续编号。假设元件有n个输入引脚，则其编号取值范围为[1,n],且引脚号不重复。
2）本题涉及的五种元件都只有一个输出引脚，输出引脚号默认为0。
5、后续迭代设计
数字电路模拟程序1：
基础逻辑门元件构成电路
数字电路模拟程序2（本次作业）：
1、包含多输入输出的组合电路元件如数据选择器；
2、元件引脚类型除输入、输出之外，增加控制引脚，如三态门。
数字电路模拟程序3：
增加带反馈的电路、时序电路元件，如D触发器、JK触发器。
数字电路模拟程序4：
1、增加子电路;
2、增加程序异常输入的检测。
解题思路：
1：输入解析
-
读取输入：逐行读取直到"end" -
解析INPUT行： -
格式： INPUT: 输入名-信号值 ... -
解析后存入 Map<String, Integer> inputSignals
-
-
解析连接信息： -
格式： [源引脚 目标引脚1 ... 目标引脚n] -
每个连接创建 Connection对象 -
从引脚名中提取元件信息
-
2：建立电路模型
-
提取所有元件： -
从所有连接的目标引脚中解析元件名 -
通过元件名解析类型、引脚数、编号 -
创建 Component对象，存入Map<String, Component>
-
-
建立连接关系： -
对每个连接，建立 源→[目标列表]的映射 -
同时建立 目标引脚→源引脚的反向映射（用于检查冲突）
-
3：信号传播模拟
Queue<String> signalQueue = new LinkedList<>();
// 1. 初始化队列：将所有输入信号加入队列
for (每个输入信号) {
计算该信号影响的所有元件引脚
如果元件的某个引脚得到信号：
更新元件inputs
如果元件所有输入都有信号了：
将元件加入计算队列
}
// 2. BFS传播
while (!计算队列为空) {
取出一个元件
根据类型计算输出：
AND: 所有输入为1 → 1，否则0
OR: 任意输入为1 → 1，否则0
NOT: 输入取反
XOR: 输入不同 → 1，否则0
XNOR: 输入相同 → 1，否则0
输出结果记录到output字段
将输出引脚加入signalQueue
while (!signalQueue为空) {
取出一个信号引脚
找到该信号连接的所有目标引脚
更新目标元件的对应输入
如果目标元件所有输入就绪：
将目标元件加入计算队列
}
}
4：结果收集与输出
-
筛选有效元件：输出 output不为null的元件 -
排序规则： -
按类型顺序：AND → OR → NOT → XOR → XNOR -
同类按编号升序
-
-
格式化输出： 元件名-0:信号值
代码质量评估
1. 复杂度问题突出
-
最大复杂度26： Main.main()方法的复杂度高达26，远超正常范围（通常建议<10） -
平均复杂度11.8：整体复杂度偏高，表明代码逻辑嵌套过深 -
最复杂方法： Main.calculate()复杂度25，Main.main()复杂度26，这两个方法是重构的重点
2. 方法设计问题
-
方法过大：平均每个方法30.2条语句，远超过通常的推荐值（建议10-20条） -
方法数量不足：只有2个类，平均每个类2.5个方法，表明功能没有合理封装 -
方法职责不单一： Main.calculate()有69条语句，显然承担了过多职责
3. 代码结构问题
-
嵌套过深：最大块深度达到7层，平均块深度3.18 -
从块深度直方图看： -
深度4-5的块占比较大（共67条语句） -
这通常意味着过多的if-else嵌套或循环嵌套
-
4. 可维护性指标
-
注释率低：仅5.4%的行有注释，对于复杂逻辑的代码来说偏少 -
分支语句多：31.4%的语句是分支语句，增加了测试复杂度
具体问题分析
1. Main.main()方法（复杂度26）
-
作为入口方法如此复杂，说明： -
过多的业务逻辑放在main方法中 -
没有合理拆分初始化、解析、计算、输出等职责
-
2. Main.calculate()方法（复杂度25）
-
69条语句，显然是核心算法逻辑 -
高复杂度和深度表明： -
包含大量条件判断 -
可能需要拆分为多个子方法 -
可能存在重复逻辑
-
3. 整体架构问题
-
仅2个类，说明整个程序几乎都在Main类中 -
违反了单一职责原则 -
难以进行单元测试
程序二
题目：
数字电路是一种处理离散信号的电子电路。与处理连续变化信号（如声音、温度）的模拟电路不同，
数字电路只识别和运算两种基本状态：高电平（通常表示为“1”） 和 低电平（通常表示为“0”）。
这正好与二进制数制系统相对应，使得数字电路成为所有计算机和数字系统的物理实现基础。
请编程实现数字电路模拟程序。
以下内容中，首行用#号标注的为本次新增的题目要求，其余内容与“数字电路模拟程序-1”相同。
1、电路元件
电路中包含与门、或门、非门、异或门、同或门、三态门、译码器、数据选择器、数据分配器九种元件。元件特征如下：
与门：
包含两个或多个输入引脚和一个输出引脚。所有输入引脚必须都是高电平，输出引脚才是高电平，只要有一个输入引脚为低电平，输出引脚输出低电平。
或门：
包含两个或多个输入引脚和一个输出引脚。所有输入引脚必须都是低电平，输出引脚才是低电平，只要有一个输入引脚为高电平，输出引脚输出高电平。
非门：
包含一个输入引脚和一个输出引脚。输出引脚的电平与输入引脚的电平相反，如输入为低电平，输出则为高电平。
异或门：
包含两个输入引脚和一个输出引脚。当两个输入引脚电平不一致时输出引脚输出高电平，否则输出低电平。
同或门：
包含两个输入引脚和一个输出引脚。当两个输入引脚电平一致时输出引脚输出高电平，否则输出低电平。
#三态门：
三态门的作用类似于电路中的开关。包含一个输入引脚、一个输入控制引脚、一个输出引脚。当控制引脚为高电平时，三态门输入输出之间导通，输出电平等于输入电平；当控制引脚为低电平时，三态门输入输出之间呈现高阻态（类似开关断开），输出为无效状态。
#译码器：
译码器的作用是讲输入的编码转换为一路有效信号。一个译码器包含两个或多个输入引脚(如图中的A2\A1\A0)、三个控制引脚(如图中的S3\S2\S1)、4个或多个输出引脚(如图中的Y7~Y0)。根据输入输出的数量有2-4线译码器、3-8线译码器等。
当控制引脚当S1 =1，S2 +S3 =0时，译码器正常工作，输出引脚只有一个输出信号0，其余输出为1；哪个引脚输出0由输入引脚的编码决定，例如：图中的3-8线译码器三个输入引脚信号的编码与输出引脚的编码对应，A2\A1\A0输入000时，Y0输出0，其余输出1；A2\A1\A0输入001时，Y1输出0，其余输出1；依次类推。
控制引脚不满足S1 =1，S2 +S3 =0时，译码器处于无效状态，所有输出为无效值。
#数据选择器：
数据选择器的作用是从多路输入信号中选择一个，并将其信号直接送往唯一的输出端，选择哪一路输入信号由控制端决定。如图所示控制端有两个则输入端有4个，S1\S0是两个控制端，D3~D0是输入端，S1\S0的4种信号组合00、01、10、11分别选择D3~D0其中一路输入。如S1S0=00，则Y=D0；S1S0=01，则Y=D1；S1S0=10，则Y=D2；S1S0=11，则Y=D3
根据输入引脚数量的不同有二选一数据选择器（1个控制端）、四选一数据选择器（2个控制端）、八选一数据选择器（3个控制端）等
#数据分配器：
数据分配器的作用与数据选择器正好相反，是将唯一的一路输入信号输出到多路输出引脚的其中之一，选择哪一路输出引脚输出由控制端决定。如图所示控制端有两个AB，输出端有4个W0\W1\W2\W3，D是输入端，AB的4种信号组合00、01、10、11分别选择W3~W0其中一路输出，其他三路输出为无效状态。如AB=00，则W0=D；AB=01，则W1=D；AB=10，则W2=D；AB=11，则W3=D。
根据输出引脚数量的不同有二路数据分配器（1个控制端）、四路数据分配器（2个控制端）、八路数据分配器（3个控制端）等
2、程序输入
1）#元件信息：
用A、O、N、X、Y、S 、M、Z、F分别用作
与门、或门、非门、异或门、同或门、
三态门、译码器、数据选择器、数据分配器九种元件的元件标识符。
电路中的每个与门、或门用“标识符(输入引脚数)+编号”作为其元件名。
例如：A(8)1表示一个8输入引脚的与门，O(4)2代表一个4输入引脚的或门。
电路中的每个非门、异或门、同或门用“标识符+编号”作为其元件名。
例如：X8表示一个异或门，Y4代表一个同或门，N1代表一个非门。
#电路中的数据选择器、数据分配器用“标识符(控制引脚数)+编号”作为其元件名。
例如：Z(2)2代表一个四选一数据选择器，F(3)2代表一个8路数据分配器。
译码器用“标识符(输入引脚数)+编号”作为其元件名。
例如：M(3)1表示一个3-8线译码器。
约束条件：
不同元件的编号可以相同，如X4、Y4。
同一电路中同种元件的编号不可重复，可以不连续引脚信息由“元件名-引脚号”构成。
例如：A(8)1-2代表与门A(8)1的2号引脚。
#含控制引脚的元件如本次添加的所有元件，按控制-输入-输出的顺序排序，
每种类型的引脚按编号从小到大的顺序排序，
例如3-8线译码器M(3)1包含3个输入引脚、3个控制引脚、8个输出引脚，
M(3)1-0/1/2对应控制引脚S1/S2/S3，
M(3)1-3/4/5对应输入引脚A0/A1/A2，
M(3)1-6/7/8/9/10/11/12/13对应输出引脚Y0\~Y7。
又如三态门的三个引脚，0号引脚为控制端、1号引脚为输入端、2号引脚为输出端。电路的输入格式：
INPUT:英文空格+输入1+”-”+输入信号1+英文空格+输入2+....+输入n+”-”+输入信号n
例如：
“INPUT: A-0 B-1 C-0”
代表整个电路包括3个输入：A、B、C 分别输入0,1,0信号。引脚的连接信息格式：
[输出引脚+英文空格+输入引脚1+。。。。+英文空格+输入引脚]
例如：
[A A(8)1-1 A(8)1-3 X5-2]
代表信号从引脚A发送给与门A(8)1的1、3两个引脚，以及异或门X5的2号引脚。
[Y8-0 N1-1 O(4)2-3 Y2-1]
代表信号从引脚Y8-0发送给非门N1的1号引脚、或门O(4)2的3号引脚、同或门Y2的1号引脚。 一个输出引脚可以连接多个输入引脚，即将输出引脚的信号传给每一个输入引脚。但一个输入引脚不能连接多个输出引脚。
输出引脚不能短接在一起。 所有输入以end为结束标志，end之后出现的内容忽略不计按照与门、或门、非门、异或门、同或门、三态门、译码器、数据选择器、数据分配器的顺序依次输出所有元件的输出引脚电平。
同类元件按编号从小到大的顺序排序。
#如果某个元件的引脚没有接有效输入、输入输出之间断开（如三态门）或控制引脚输入无效，元件输出无效，程序输出忽略该元件。
#译码器不输出引脚电平，输出其输出为0的引脚的编号。如“M(3)1:3”代表译码器M3的输出引脚Y3输出0，其他引脚输出1。
#数据分配器按引脚编号从小到大的顺序输出所有输出引脚的信号，无效状态引脚输出“-”。
如“F(2)1:--0-”代表分配器F1的输出引脚W2输出0信号，其他三个引脚为无效状态。 1）每个元件的输入引脚连续编号。假设元件有n个输入引脚，则其编号取值范围为\[1,n\],且引脚号不重复。
2）本题涉及的五种元件都只有一个输出引脚，输出引脚号默认为0。数字电路模拟程序1：
基础逻辑门元件构成电路
数字电路模拟程序2（本次作业）：
1、包含多输入输出的组合电路元件如数据选择器；
2、元件引脚类型除输入、输出之外，增加控制引脚，如三态门。
数字电路模拟程序3：
增加带反馈的电路、时序电路元件，如D触发器、JK触发器。
数字电路模拟程序4：
1、增加子电路;
2、增加程序异常输入的检测。
解题思路：
1：输入解析与电路构建
-
解析INPUT行：提取外部输入信号 -
解析连接信息：建立信号传播网络 -
元件自动创建：从引脚名中提取元件信息 -
引脚编号计算： -
基础门：输入引脚1~n，输出引脚0 -
三态门：0控制，1输入，2输出 -
译码器M(k)n：控制0~2，输入3~(2+k)，输出(3+k)~(3+k+2^k-1) -
数据选择器Z(k)n：控制0~(k-1)，输入k~(k+2^k-1)，输出k+2^k -
数据分配器F(k)n：控制0~(k-1)，输入k，输出(k+1)~(k+2^k)
-
2：信号传播算法
// 1. 初始化队列
Queue<SignalEvent> queue = new LinkedList<>();
for (每个输入信号) {
queue.add(新的SignalEvent(输入引脚, 信号值));
}
// 2. 传播信号
while (!queue.isEmpty()) {
SignalEvent event = queue.poll();
// 更新引脚值
引脚信号 = event.value;
// 检查关联元件是否可计算
Component comp = 引脚所属元件;
if (comp.isReadyToCalculate()) {
if (comp.calculate()) { // 计算成功
for (每个输出引脚) {
queue.add(新的SignalEvent(输出引脚, 输出值));
}
} else {
// 元件无效，不计算输出
}
}
}
3：元件计算规则
-
与门/或门：同程序-1 -
三态门(S)： -
控制引脚=1：输出=输入 -
控制引脚=0：输出无效
-
-
译码器(M(k))： -
控制：S1=1, S2+S3=0 -
输入二进制值 → 十进制i -
Yi=0，其他输出=1
-
-
数据选择器(Z(k))： -
控制二进制值 → 十进制i -
输出 = 第i个输入
-
-
数据分配器(F(k))： -
控制二进制值 → 十进制i -
第i个输出 = 输入 -
其他输出 = 无效
-
4：结果收集与格式化
// 按类型和编号排序
List<Component> sortedComponents = components.stream()
.filter(c -> c.hasValidOutput()) // 过滤有效输出
.sorted(Comparator
.comparing((Component c) -> c.type.ordinal()) // 按类型顺序
.thenComparing(c -> c.number)) // 同类型按编号
.collect(Collectors.toList());
// 格式化输出
for (Component comp : sortedComponents) {
switch (comp.type) {
case DECODER:
// 格式：M(3)1:2 （输出为0的引脚编号）
int zeroPin = comp.getZeroOutputPin();
System.out.println(comp.name + ":" + zeroPin);
break;
case DEMUX:
// 格式：F(2)1:--0- （-表示无效）
String outputStr = comp.getOutputString();
System.out.println(comp.name + ":" + outputStr);
break;
default:
// 格式：A(2)1-0:1
int outputValue = comp.getOutputValue();
System.out.println(comp.name + "-0:" + outputValue);
}
}
类图如下：
使用SouceMonitor对代码进行静态分析：
设计模式应用
-
各种门电路都有对应的类： AndGate,OrGate,NotGate,XorGate,XnorGate -
新增元件类： TriStateGate,Decoder,Multiplexer,Demultiplexer -
工厂类： ComponentFactory -
基类/接口： Component,InputComponent
复杂度问题集中
-
最大复杂度15：集中在 ComponentFactory.createComponent()方法 -
这个方法有39条语句，调用34个其他方法，块深度5 -
这表明工厂类的创建逻辑过于复杂
注释严重不足
-
注释行比例仅1.5%：远低于推荐的20-30% -
对于复杂系统，缺乏注释会严重影响可维护性
部分方法复杂度偏高
-
Decoder.compute()：复杂度11，语句20 -
Decoder.hasAllInputs()：复杂度6 -
Demultiplexer.compute()：复杂度6，语句19
踩坑心得
1. 从程序一到程序二的设计演进
-
职责分离：程序二将不同元件封装为独立类，遵循了单一职责原则 -
多态应用：通过抽象基类和具体子类，实现了元件行为的统一接口 -
工厂模式： ComponentFactory解耦了对象创建与使用
-
程序二注释率更低（1.5%），影响可读性 -
工厂类 createComponent()复杂度仍达15，可进一步优化
2. 复杂度控制的实践心得
3. 代码注释的重要性
-
复杂逻辑（如译码器的引脚计算、数据分配器的输出生成）缺乏注释 -
方法职责、参数含义、返回值说明都需要注释 -
特别是控制引脚逻辑、编码解码算法需要详细注释
4. 测试与调试的难点
-
信号传播依赖递归计算，错误难以定位 -
没有清晰的元件状态追踪
-
每个元件独立，便于单元测试 -
但增加了集成测试的复杂度
改进建议
1. 重构工厂类
// 当前问题：一个方法处理9种元件的创建
// 改进方案：使用注册表模式
interface ComponentCreator {
Component create(String name, Matcher matcher);
}
class ComponentFactory {
private static final Map<String, ComponentCreator> creators = new HashMap<>();
static {
register("A\\((\\d+)\\)(\\d+)", (name, matcher) ->
new AndGate(name, Integer.parseInt(matcher.group(1))));
// 注册其他创建器...
}
public static Component createComponent(String name) {
for (Map.Entry<String, ComponentCreator> entry : creators.entrySet()) {
Matcher matcher = Pattern.compile(entry.getKey()).matcher(name);
if (matcher.matches()) {
return entry.getValue().create(name, matcher);
}
}
return null;
}
}
2. 优化高复杂度方法
Decoder.compute()拆分方案：private boolean checkControlPins() {
// 提取控制引脚检查逻辑
}
private int calculateInputCode() {
// 提取输入编码计算逻辑
}
private void setOutputPins(int code) {
// 提取输出引脚设置逻辑
}
void compute() {
if (!checkControlPins()) {
valid = false;
return;
}
int code = calculateInputCode();
setOutputPins(code);
valid = true;
}
}
// 使用卫语句减少嵌套
// 重构前：
void someMethod() {
if (condition1) {
if (condition2) {
if (condition3) {
// 业务逻辑
}
}
}
}
// 重构后：
void someMethod() {
if (!condition1) return;
if (!condition2) return;
if (!condition3) return;
// 业务逻辑
}
浙公网安备 33010602011771号