结对项目：用C++实现四则运算

软工作业3：自动生成小学四则运算题目的命令行程序

这个作业属于哪个课程	计科21级1 2班
这个作业要求在哪里	结对项目
这个作业的目标	熟悉合作开发流程
项目Github	点击这里

团队成员
姓名	学号
石云欣	3221004809
沈纪康	3121004750

PSP表

PSP2.1	Personal Software Process	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	20	10
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	20	10
Development	开发	880	840
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	220	250
· Design Spec	· 生成设计文档	50	30
· Design Review	· 设计复审	30	20
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	30	25
· Design	· 具体设计	50	30
· Coding	· 具体编码	200	205
· Code Review	· 代码复审	80	40
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	100	150
Reporting	报告	90	90
· Test Report	· 测试报告	20	20
· Size Measurement	· 计算工作量	20	10
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结, 并提出过程改进计划	50	60
· 合计		990	940

运行环境

VisualStudio 2022

效能分析

程序中耗时最长的函数为 Generation:: IOsystem ，该函数集成了生成算式与存储至对应文件两个功能，主要性能瓶颈在于生成随机数与判断算式是否符合规范，即计算过程中不出现负数。

void Generation::IOsystem()
{
	Arithmetics A;
	std::ofstream outFile("exercisefile.txt");
	std::ofstream outFile_answer("Answer.txt");
	if (!outFile) {
		std::cerr << "无法打开输出文件." << std::endl;
		return;
	}
	if (!outFile_answer) {
		std::cerr << "无法打开输出文件." << std::endl;
		return;
	}
	for (int i = 0; i < request; i++){
		std::vector<int>numList = NumGeneration(numLimit);
		std::vector<char>operaList = OperatorGeneration();
		std::string expression = Combination(numList, operaList);
		if (expression.size()>3){
			std::random_device rd;
			std::mt19937 gen(rd());
			std::uniform_int_distribution<int> dist(0, 1);
			int isParentheses = dist(gen); // 随机生成 0 或 1
			if (isParentheses == 1){
				std::random_device rd;
				std::mt19937 gen(rd());
				std::uniform_int_distribution<int> dist(0, 3);
				int parenthesesPosition = dist(gen) * 2;
				while (parenthesesPosition > expression.size() - 2)
				{
					parenthesesPosition = parenthesesPosition - 2;
				}
				expression.insert(parenthesesPosition,1, '(');
				expression.insert(parenthesesPosition + 4, 1, ')');
			}
		}
		A.string_without_space_to_equation(expression);
		std::string res = A.get_result().to_string();
		if (A.get_result().numerator > 729||A.get_result().denominator>729) {
			i--;
			A.clear();
			continue;
		}
		outFile << i + 1 << ". " << expression << "\n";
		outFile_answer << i + 1 << ". " << res << "\n";
		A.clear();
	}
	outFile.close();
	outFile_answer.close();
}

改进方案：

批量生成随机数：批量生成一些随机数，然后在循环中使用这些随机数。这可以减少生成器调用的次数。
多线程生成：使用多线程来并行生成随机数以提高生成的效率。
硬件随机数生成器：计算机系统提供的硬件随机数生成器速度更快。

设计实现过程

在类Arithmetic中内置了三个函数

void string_to_equation(std::string str);
void string_with_space_to_equation(std::string str);
void string_without_space_to_equation(std::string str);

用来实现将字符串格式的算式直接转换为Arithmetic类型，即将数字与算术符分别存入成员 std::vector<Number> nums std::vector<Operator> operators以进行下一步操作。

主函数流程图如下：

代码说明

Arithmetics::calculate

Number Arithmetics::calculate()
{
	if (nums.empty()) return Number{ 0 };
	auto it_num = nums.begin();
	auto it_opr = operators.begin();
	std::stack<Number> num_stack;
	std::stack<Operator> opr_stack;

	while (it_num != nums.end())
	{
		if (it_opr != operators.end() && it_opr->get_type() == LeftBrace)
		{
			num_stack.push(calculate_in_brace(it_num, ++it_opr));
		}
		else
		{
			if (it_num == nums.end()) break;
			num_stack.push(*it_num);
			++it_num;
		}

		if (it_opr == operators.end()) break;

		// if the operator stack is not empty and next operator's priority is less equal than previous operator's
		while (!opr_stack.empty() && it_opr->get_priority() <= opr_stack.top().get_priority())
		{
			Number& b = num_stack.top();
			num_stack.pop();
			Number& a = num_stack.top();
			num_stack.pop();

			num_stack.push(opr_stack.top().func(a, b));
			opr_stack.pop();
		}

		opr_stack.push(*it_opr);
		++it_opr;
	}
	if (num_stack.empty())
	{
		std::cerr << "ERROR : Empty result";
		return Number{ 0, 0 };
	}
	while (!opr_stack.empty())
	{
		Number& b = num_stack.top();
		num_stack.pop();
		Number& a = num_stack.top();
		num_stack.pop();

		num_stack.push(opr_stack.top().func(a, b));
		opr_stack.pop();
	}
	return num_stack.top();
}

这段代码的目标是实现一个数学表达式的计算器，它通过遍历表达式中的数值和运算符，使用两个栈（num_stack 和 opr_stack）来帮助我们完成计算。

代码的工作原理如下：

我们将数值压入 num_stack，将运算符压入 opr_stack。
当遇到左括号时，我们会调用 calculate_in_brace 函数来计算括号内的表达式，并将结果压入 num_stack。
当遇到右括号或者运算符优先级低于 opr_stack 栈顶运算符的优先级时，我们会从 num_stack 弹出两个数值和 opr_stack 弹出一个运算符，然后进行相应的运算，并将结果压入 num_stack。我们会一直重复这个过程，直到 opr_stack 为空或者遇到左括号。
最后，如果我们已经遍历完了 nums 和 operators，但 opr_stack 仍然不为空，那么我们会继续弹出 num_stack 的两个数值和 opr_stack 的一个运算符，进行相应的运算，并将结果压入 num_stack。这个过程会一直重复，直到 opr_stack 为空。
最终，num_stack 的栈顶元素就是整个表达式的计算结果，将其返回。