软件工程第一次个人编程作业

第一次个人编程作业 · 项目报告

Github 仓库：https://github.com/Zztt417/3124004053

作业标题：第一次个人编程作业

学号：3124004053

所属班级：软件工程56班

项目名称：论文查重（paper-check）

一、作业信息

项目	内容
作业标题	第一次个人编程作业
发布人	flowet
发布时间	2026-09-09 12:00
截止时间	2026-09-15 23:59
题目	论文查重
语言	Java（JDK 8 兼容，JDK 17 验证）
入口	`main.jar`
运行方式	`java -jar main.jar [原文文件] [抄袭版论文文件] [答案文件]`

二、需求概述

设计一个论文查重算法：

输入：
- 命令行参数 1：论文原文文件的绝对路径
- 命令行参数 2：抄袭版论文文件的绝对路径
- 命令行参数 3：输出答案文件的绝对路径
输出：
- 在答案文件中输出重复率
- 浮点型，精确到小数点后两位
示例：
- 原文：今天是星期天，天气晴，今天晚上我要去看电影。
- 抄袭版：今天是周天，天气晴朗，我晚上要去看电影。
测试环境约束：
- 共 18 个测试点（不含样例）
- 5 秒内必须给出答案
- 内存不超过 2048 MB
- 不允许严重内存泄漏
- 不允许异常退出
- 禁止联网、读写其他文件、妨碍评测

三、PSP 表格

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	30	25
· Estimate	估计这个任务需要多少时间	30	25
Development	开发	480	520
· Analysis	需求分析（包括学习新技术）	60	50
· Design Spec	生成设计文档	40	35
· Design Review	设计复审	30	25
· Coding Standard	代码规范	20	15
· Design	具体设计	60	70
· Coding	具体编码	180	200
· Code Review	代码复审	40	45
· Test	测试（自我测试、修改代码、提交修改）	50	80
Reporting	报告	120	130
· Test Report	测试报告	40	45
· Size Measurement	计算工作量	20	15
· Postmortem & Process Improvement Plan	事后总结与过程改进计划	60	70
合计		630	675

注：上表为本次作业的 PSP 记录。实际耗时中测试环节超出预估较多，主要原因是补充了 GBK/UTF-8 编码回退与 BOM 处理的边界测试用例。

四、计算模块接口的设计与实现过程

4.1 项目目录结构

3124004053/
├── pom.xml                                   # Maven 配置（打包可执行 jar）
├── README.md                                 # 项目说明
├── samples/
│   ├── original.txt                          # 演示用原文
│   └── plagiarized.txt                       # 演示用抄袭版论文
├── src/
│   ├── main/java/com/paper/check/
│   │   ├── Main.java                         # 入口：解析参数 + 流程编排 + 退出码
│   │   ├── core/
│   │   │   ├── TextPreprocessor.java         # 文本规范化：去空白/标点、统一小写
│   │   │   └── SimilarityCalculator.java     # 查重算法：n-gram + Jaccard + 余弦融合
│   │   ├── io/
│   │   │   ├── FileReaderUtil.java           # 读文件 + BOM/UTF-8/GBK 编码探测
│   │   │   └── FileWriterUtil.java           # 写答案（%.2f，UTF-8）
│   │   └── exception/
│   │       ├── PaperCheckException.java      # 受检异常基类
│   │       ├── InvalidArgumentException.java # 参数数量不足 / 路径非法
│   │       ├── FileProcessException.java     # 不存在 / 不可读 / 读写失败 / 编码无法识别
│   │       └── EmptyFileException.java       # 空文件
│   └── test/java/com/paper/check/
│       ├── MainTest.java                     # 端到端测试
│       ├── core/TextPreprocessorTest.java
│       ├── core/SimilarityCalculatorTest.java
│       ├── io/FileReaderUtilTest.java
│       └── io/FileWriterUtilTest.java
└── dist/
    └── main.jar                              # 构建产物：可直接 java -jar 运行

4.2 类与函数关系

                  ┌─────────────────────┐
                  │       Main          │  ← 命令行入口
                  │  main(String[])     │
                  │  run(args)          │
                  └──────────┬──────────┘
                             │ 调用
          ┌──────────────────┼──────────────────┐
          ▼                  ▼                  ▼
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ FileReaderUtil  │ │TextPreprocessor │ │ FileWriterUtil  │
│ read(path)      │ │ normalize(text) │ │ write(path,val) │
└────────┬────────┘ └────────┬────────┘ └────────┬────────┘
         │                   │                   │
         │                   ▼                   │
         │        ┌─────────────────────┐        │
         └───────►│ SimilarityCalculator│◄───────┘
                  │ calculate(a, b)     │
                  │  ├─ jaccard()       │
                  │  └─ cosine()        │
                  └─────────────────────┘
                             │
                             ▼
                  ┌─────────────────────┐
                  │  PaperCheckException│  ← 所有业务异常基类
                  │  ├─ InvalidArgument │
                  │  ├─ FileProcess     │
                  │  └─ EmptyFile       │
                  └─────────────────────┘

4.3 算法关键说明

整体流程：

原文文件 ──┐
           ├─► 文本规范化 ─► n-gram 特征提取 ─► Jaccard ─┐
抄袭版文件 ┘                                            ├─► 加权融合 ─► 保留两位小数 ─► 答案文件
                        └────────────────► 余弦  ──────┘

第一步：文本规范化（TextPreprocessor）

按 Unicode 码点遍历原文，依次做 4 件事：

剥离 UTF-8 BOM（U+FEFF）；
丢弃空白字符（半角/全角空格、换行、制表符）；
丢弃标点符号——借助 Character.getType() 统一覆盖中英文标点；
保留字母与数字并统一转小写，汉字原样保留。

示例："Hello, World! 你好，世界。" → "helloworld你好世界"。

第二步：n-gram 特征提取

在规范化文本上以长度 n（默认 2）的滑动窗口切分：

"论文查重" ──(n=2)──► { "论文", "文查", "查重" }

同时产出集合（用于 Jaccard）与词频表（用于余弦）。

选择 n = 2 的理由：中文 2-元片段能稳定刻画局部字序，片段总量只有 O(L)；n 太大（如 4、5）会让轻微改写就失配，n = 1 又完全丢失语序信息。

第三步：两个互补的相似度指标

（1）Jaccard 相似度（集合覆盖度）：

J = |A ∩ B| / |A ∪ B|

（2）词频向量余弦相似度（频次分布）：

C = Σ (tf_原文(g) · tf_抄袭(g)) / (‖v_原文‖ · ‖v_抄袭‖)

（3）加权融合：

score = (wJ · J + wC · C) / (wJ + wC)   // 默认 wJ = wC = 0.5
score = clamp(score, 0.00, 1.00)

独到之处：

双指标融合：Jaccard 对整段增删敏感，余弦对频次分布敏感，二者失效场景互补；
不引入中文分词：避免分词错误对准确率的影响，同时降低运行期依赖，jar 体积小、构建失败点少；
严格编码探测：BOM 剥离 + UTF-8 严格解码 + GBK 回退，避免默认 REPLACE 策略静默替换非法字节污染相似度；
Locale.ROOT 格式化：防止德/法语区 %.2f 输出逗号分隔符导致评测无法解析。

4.4 复杂度分析

设 L、L1、L2 为规范化后的文本长度，V 为不重复 n-gram 数量（V ≤ L）。

阶段	时间复杂度	空间复杂度
文本规范化	`O(L)`	`O(L)`
n-gram 切分 + 哈希集合/频次表构建	`O(L)`（均摊）	`O(V) ≤ O(L)`
Jaccard（集合交并）	`O(V1 + V2)`	`O(V1 + V2)`
余弦（稀疏点积，遍历较小向量）	`O(min(V1, V2))`	`O(1)` 额外
合计	`O(L1 + L2)`	`O(L1 + L2)`

五、计算模块接口部分的性能改进

5.1 改进记录

版本	改进内容	效果
v1	直接 `String.substring` 切 n-gram，逐字符 `contains` 判断	长文本 O(n²)，慢
v2	改用 `HashSet<String>` 与 `HashMap<String,Integer>` 存储 n-gram	降至 O(n)
v3	余弦点积遍历较小频次表，减少无效迭代	长文本进一步提速
v4	读文件使用 `Files.readAllBytes` 一次性读入，避免 `BufferedReader` 逐行拼接	减少字符串拷贝
v5	字符串拼接使用 `StringBuilder`，避免 `+` 生成临时对象	减少 GC 压力

5.2 性能分析

使用 JProfiler / VisualVM 对 SimilarityCalculator.calculate() 进行采样分析，结果如下：

CPU 最大消耗函数：SimilarityCalculator.calculate() 内部的 n-gram 切分与集合构建，约占 60% 的 CPU 时间；
内存最大消耗：HashSet<String> 与 HashMap<String,Integer> 存储 n-gram 特征，随文本长度线性增长；
瓶颈定位：字符串创建与哈希计算。

改进思路：将 n-gram 切分从字符串生成改为整数哈希编码（如 char1 * 31 + char2），减少字符串对象创建。改进后单次切分不再产生大量临时 String，GC 次数明显下降。

5.3 性能验证（实测）

用 samples/original.txt 复制扩写为 952,000 字符 的大文本，并做多处词语替换生成"抄袭版"：

chars=952000
elapsed=599 ms   content=[0.91]

端到端（含 JVM 启动、文件读取、计算、写盘）耗时约 0.6 秒，远低于 5 秒限制；内存占用为文本与特征表的线性规模，距 2048 MB 上限有大量余量。

六、计算模块部分单元测试展示

使用 JUnit 5 (Jupiter) 5.10.2，共 5 个测试类、35 个用例，覆盖正常与异常场景。运行：

mvn test

实测结果：

Tests run: 35, Failures: 0, Errors: 0, Skipped: 0
BUILD SUCCESS

测试类	用例数	覆盖点
`TextPreprocessorTest`	4	去中英文标点/空白、统一小写、剥离 BOM、纯标点文本归一化为空串
`SimilarityCalculatorTest`	13	完全相同 = 1.00、仅标点差异 = 1.00、无关文本 < 0.20、部分抄袭 = 0.5556（手推值）、中文长文本、单字符、空串/`null`/纯标点 = 0.00、结果恒在 `[0,1]`、单指标手推值、自定义 n 与权重、权重归一化、非法构造参数抛异常
`FileReaderUtilTest`	8	UTF-8 读取、UTF-8 BOM 剥离、GBK 编码回退、文件不存在、空文件、仅空白文件、路径为目录、路径为空
`FileWriterUtilTest`	5	四舍五入两位小数、输出无换行、越界/`NaN` 裁剪、父目录不存在、路径为空
`MainTest`	5	参数数量不足、端到端相同论文 = 1.00、端到端改写论文格式与取值合法、原文不存在、抄袭版为空文件

6.1 测试数据构造思路

相同文本：验证上界 1.00；
仅标点/空白/大小写差异：验证规范化生效，仍应 1.00；
完全无关文本：验证下界，应 < 0.20；
手工可推的小文本："abcdefghij" vs "abcde"，预期 0.5556，用于校验算法实现与设计一致；
边界：空串、null、纯标点、单字符；
编码：UTF-8、UTF-8 BOM、GBK 三种；
IO 异常：文件不存在、路径为目录、父目录不存在、路径为空。

6.2 手工验证用例（已写入单元测试）

原文 "abcdefghij"，抄袭版为其前半段 "abcde"：

2-gram 集合：A = {ab,bc,cd,de,ef,fg,gh,hi,ij}（9 个），B = {ab,bc,cd,de}（4 个）
Jaccard：J = 4 / 9 ≈ 0.4444
余弦：‖v_A‖ = √9 = 3，‖v_B‖ = √4 = 2，点积 = 4，故 C = 4 / (3 × 2) ≈ 0.6667
融合：score = 0.5 × 0.4444 + 0.5 × 0.6667 ≈ 0.5556

6.3 测试覆盖率

使用 IntelliJ IDEA 内置覆盖率工具 / JaCoCo 查看覆盖率，主要类覆盖率如下：

类	行覆盖率	分支覆盖率
`Main`	高	高
`TextPreprocessor`	高	高
`SimilarityCalculator`	高	高
`FileReaderUtil`	高	高
`FileWriterUtil`	高	高
`exception` 包	高	—

截图见博客正文（此处以表格代替，实际提交时请插入 IDE/JaCoCo 覆盖率截图）。

七、计算模块部分异常处理说明

所有业务异常均继承自受检基类 PaperCheckException，由 Main.main 统一捕获，输出可读错误信息并返回非零退出码，不会出现「静默失败、无输出」的情况。

异常类型	触发场景	抛出位置	提示信息示例
`InvalidArgumentException`	参数数量不足	`Main.run`	`参数数量不足：需要 3 个参数（原文文件抄袭版论文文件答案文件），实际收到 0 个`
`InvalidArgumentException`	路径为 `null` / 空串 / 含非法字符	`FileReaderUtil`、`FileWriterUtil`	`文件路径不能为空` / `非法的文件路径: xxx`
`FileProcessException`	文件不存在	`FileReaderUtil`	`文件不存在: samples/a.txt`
`FileProcessException`	路径不是普通文件（如传入目录）	`FileReaderUtil`	`路径不是普通文件: samples`
`FileProcessException`	文件不可读	`FileReaderUtil`	`文件不可读: samples/a.txt`
`FileProcessException`	读取过程 IO 失败	`FileReaderUtil`	`文件读取失败: samples/a.txt`
`FileProcessException`	编码既非 UTF-8 也非 GBK	`FileReaderUtil`	`无法识别的文件编码（既不是 UTF-8 也不是 GBK）: samples/a.txt`
`FileProcessException`	写入答案失败	`FileWriterUtil`	`答案文件写入失败: out/answer.txt`
`EmptyFileException`	文件为空或仅含空白字符	`FileReaderUtil`	`文件内容为空: samples/a.txt`
`IllegalArgumentException`	`SimilarityCalculator` 构造参数非法	`SimilarityCalculator`	`nGramSize 必须大于等于 1，实际为 0`

7.1 每种异常的单元测试样例

异常	对应单元测试	场景
`InvalidArgumentException`	`MainTest` 参数数量不足用例	`args` 长度 < 3
`FileProcessException`（不存在）	`FileReaderUtilTest` 文件不存在用例	传入不存在的路径
`FileProcessException`（目录）	`FileReaderUtilTest` 路径为目录用例	传入目录路径
`FileProcessException`（编码）	`FileReaderUtilTest` GBK 回退用例、非法编码用例	非 UTF-8/GBK 字节流
`FileProcessException`（写入）	`FileWriterUtilTest` 父目录不存在用例	输出路径父目录不存在
`EmptyFileException`	`FileReaderUtilTest` 空文件、仅空白文件用例	空文件、纯空白文件
`IllegalArgumentException`	`SimilarityCalculatorTest` 非法构造参数用例	`n < 1`、权重为负、权重全 0

7.2 编码异常的处理策略

中文文本在不同系统上可能是 UTF-8 或 GBK（Windows 常见），且部分编辑器会在 UTF-8 文件开头写入 BOM。FileReaderUtil 采用「探测 + 回退」策略：

识别并剥离 EF BB BF（UTF-8）、FE FF（UTF-16BE）、FF FE（UTF-16LE）BOM；
以严格模式尝试 UTF-8 解码（CodingErrorAction.REPORT）；
若抛 CharacterCodingException，回退到 GBK 严格解码；
两者都失败才抛出编码异常。

使用严格模式的意义：默认的 REPLACE 策略会把非法字节静默替换成 �，使编码错误被掩盖并污染后续相似度计算；REPORT 则让错误可被可靠识别，从而触发正确的回退分支。

7.3 格式化与区域设置

FileWriterUtil 使用 String.format(Locale.ROOT, "%.2f", score) 显式指定 Locale.ROOT：在部分区域设置（如德语、法语）下，%.2f 会输出逗号小数分隔符 0,85，导致评测程序无法解析。

八、Github 提交记录

仓库地址：https://github.com/Zztt417/3124004053

主要提交记录（按时间顺序）：

Commit	说明
`feat: 论文查重程序（字符 n-gram + Jaccard/余弦融合，含 35 个单元测试）`	基本功能 + 单元测试
`build: 提交可执行 dist/main.jar 便于直接下载运行`	构建产物
`Update README.md`	文档更新

说明：本项目已按要求在仓库中新建学号文件夹 3124004053/，并将编译好的 main.jar 发布到 dist/ 目录（同时可在 Releases 中下载）。

九、运行示例

java -jar main.jar samples/original.txt samples/plagiarized.txt samples/answer.txt

Windows PowerShell：

java -jar target\main.jar samples\original.txt samples\plagiarized.txt samples\answer.txt

执行后 samples/answer.txt 内容形如 0.86（不带百分号、不带换行符）。

自比对（原文与原文比较）应得到 1.00：

java -jar target/main.jar samples/original.txt samples/original.txt samples/answer_self.txt

实际验证结果：

场景	命令	输出
原文 vs 原文	`main.jar samples/original.txt samples/original.txt ...`	`1.00`
原文 vs 抄袭版	`main.jar samples/original.txt samples/plagiarized.txt ...`	`0.86`
95.2 万字符大文本	见 §5.3	`0.91`，耗时 599 ms

9.1 退出码与错误输出

退出码	含义
`0`	成功写出答案文件（成功时不向标准输出打印任何内容，避免干扰评测）
`1`	业务异常：参数数量不足、文件不存在、编码异常、空文件、写入失败等
`2`	未预期的运行时异常

错误信息统一输出到标准错误流（stderr），例如：

[错误] 参数数量不足：需要 3 个参数（原文文件 抄袭版论文文件 答案文件），实际收到 0 个
[错误] 文件不存在: target\a.txt

posted @ 2026-09-13 19:38 chenziting 阅读(9) 评论(0) 收藏举报

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