现代软件工程讲义 个人项目和结对项目练习 四则运算

很多老师反映教软件工程和程序设计的时候没有合适的题目，下面一些题目，都是从简单的解题思路入手，逐步增量改进。学生们可以复习基本的编程技能，然后逐步加入模块化，文件处理，单元测试，信息隐藏，面向对象的分析，MVC 等概念和实践。  大家可以选用：

    - 黄金点游戏和单词频率问题

    - 四则运算练习

    - 计算程序文件的行数 （《构建之法》第二章）

    - 电梯调度

    - 网页前端技术的练习题

下面的题目， 从简单的数据结构开始，让同学们逐步练习。

第一步： 像《构建之法》的人物阿超那样，花二十分钟写一个能自动生成小学四则运算题目的命令行 “软件”， 分别满足下面的各种需求。

下面这些需求都可以用命令行参数的形式来指定：

a) 一次可以出一千道道题目，并且没有重复的，把题目写入一个文件中。我们大家都知道，（1+2） 和 （2+1） 是重复的题目。 高级要求: 怎么严格定义题目重复呢，请看详细题目要求

和同学们比较一下各自程序的功能、性能、实现方法的异同等等。

b) 当你有多于一个运算符的时候，如何对一个表达式求值？逐步扩展功能和可以支持的表达式类型，最后希望能支持下面类型的题目 （最多 10 个运算符，括号的数量不限制）：

         25 - 3 * 4 - 2 / 2 + 89 = ？
     1/2 + 1/3 - 1/4 = ？ 
    （5 - 4 ） * （3 +28） =？

提示：很多学生在开始的时候用简单的条件判断来处理运算，如果只有一个运算符，那还是比较简明的，运算符多了之后，怎么办呢?  一些学生就用很多条件判断来处理运算的优先级，这是某学生代码片段：

        public void jisuan(double a, string operation1,double b, string operation2,double c, string rightanswer)
        {
            bool aa = false;
            if (operation1 == "+" || operation1 == "-")
            {
                if (operation2 == "*" || operation2 == "/")
                {
                    aa = true;
                }
                else
                {
                    aa = false;
                }

            }
            else
            {
                aa = false;
            }
            if (aa == true)
...

那如果有 3 个运算符呢？怎么办，继续增加不同的 if/else 来解决？4个运算符呢？... 显然这不是一个好的算法， 一个好的算法，即使问题变得更复杂，算法本身应该依然是简明的, 并且程序本身的代码量并不会变得异常复杂。 我们看看有什么好的数据结构能高效地表示四则运算。

请参考调度场算法： 

　　        http://hczhcz.github.io/2014/02/27/shunting-yard-algorithm.html  

　　        https://en.wikipedia.org/wiki/Shunting-yard_algorithm  

c) 除了整数以外，还要支持真分数的四则运算。 （例如：  1/6 + 1/8 = 7/24  )

d) 让程序能接受用户输入答案，并判定对错。 最后给出总共 对/错 的数量。

e) 到目前为止，这个程序的界面都是中文的， 随着这个应用大受欢迎，别的国家的用户也要用，那么怎么能高效地让这个 App 支持不同文字界面互换呢？你是在程序里面不断插入 if ... else ... 来处理中英文，还是有高效率，可以扩展的办法？这个程序最终会扩展为支持10种语言，而且每个语言的用户需要符合他们文化的图标。请问你还是用 if/else 来解决么？

例如：你的程序已经支持了两种语言，并且中文界面有一个符合中国用户期望的图标，英文界面有一个符合美国用户期望的图标，  现在你要支持第三个语言 - 日文，并且需要一个符合日本用户的图标（假设是富士山的图像）。 然后还有另外 7 个语言 （德国、法国、意大利、...）和不同的图像要支持。那么，这可以用if/else 来解决， 还是有更高效的办法？

当显示文字直接放在代码中，例如像下面这样：

if (isEnglish)

    UIControl.setText("Welcome to my calculator app");

else if (isChinese)

    UIControl.setText("欢迎使用我的四则运算程序");

else if ...

这种用户显示的文字和代码逻辑放在一起的设计，我们称之为紧耦合。 程序员精通代码逻辑，但未必精通各国语言，也不太会设计各种图标，那我们会让懂法语和德语的团队成员（或者临时请来的专家）直接在代码上面改么？似乎他们会觉得代码编辑器的界面好难掌握哦... 改错了，程序编译不过去怎么办？我们可以想象，如果这些和逻辑无关的资源能够放在一个单独的地方， 这样负责文字和图像的人员（他们可能不太懂编程）能去修改，然后在主程序里，我们把各种语言的处理抽象为下面的操作：

    UIControl.setText(GetStringByLanguage(language_Id, string_id);   //根据当前显示的语言，拿到适当的文字，然后显示。 

这样会不会更好？逻辑代码和现实的资源各自分开, 通过良好定义的渠道（language_id, string_id) 结合起来了， 这是一种松耦合。 

程序可以用很多办法来提高效率保持简明：抽象 （把复杂的操作抽象为一个名字/类/函数，把复杂的处理隐藏在内），循环（高效地把类似的事情做 N 遍），递归（在处理问题的时候，发现这个子问题也是类似的，那我就调用自己来处理），组合（把各个操作组合起来完成复杂任务）... 等

第二步，增加一个运算符，程序应该有怎样的改变？不得不扔掉全部重写么，还是可以只改部分模块？

一些高年级的老师看到这个程序，希望让他们的同学也来用，但是有一个新需求， 要支持乘方 (power) 运算，我们都知道，乘方运算的优先级高于乘除法。如何表示乘方， 有两种表示方法：

1. 4 ^ 2 = 16,   4 的二次方等于 16。  这里， ^ 表示乘方

2. 4 ** 2 = 16,   4 的二次方等于16。这里， **  表示乘方 （** 之间不能有空格，否则是错误的算式）

由于历史的原因， 不同的学校用了不同的表示方法， 老师希望这两种表示方法都要支持，可以通过设置来选择。 

第三步，每个同学选一个方向，把程序扩展一下：

a) 把程序变成一个 Windows/Mac/Linux 电脑图形界面的程序 (取决于你目前使用的电脑)，同时增加 “倒计时” 功能， 每个题目必须在 20 秒钟完成，如果完不成，则得0 分并进入下一题。增加“历史纪录” 功能， 把用户做题的成绩记录下来并可以展现历史记录。 

b) 把程序变成一个智能手机程序 （你正在用什么手机， 就写那个手机的程序）， 增加倒计时，和历史纪录功能（见上）。

c) 把程序变成一个网页程序， 用户通过设定参数，就可以得到各种题目。

d) 选一个你从来没有学过的编程语言，试一试实现基本功能。

     估计做好这个软件需要的时间，并且写出大概的设计步骤和实现算法。

e）把这个程序的思路变成一个可以一步一步演示的动画。写一个带有图形界面的程序：

  输入：一个正常的四则运算句子

  输出：程序用动画表示分词的过程，后序转换的过程，处理不同运算符优先级的过程， 根据调度场工作的原理，逐步算出得出结果的过程。

         如果能做到这一步， 这个程序所牵涉到的 “知识点” 就能说 “精通” 了。

可以开始做相关的第二个作业。

第三步，程序理解和扩展

我们说了程序要能输出不重复的题目，大家有不同的实现方法，那么能否比较一下各自的异同？ 例如这个实现方法：

https://gist.github.com/vczh/2c058aed996effc0a519ed3d265a3eb5  

1) 能否读一下这个程序，注释一下它的核心设计是什么，写一篇博客分析一下？

2) 如果我们要让这个程序增加一个运算 -- 乘方运算。  你要在现有程序中做什么样的修改，才能让这个程序比较优雅地实现这个新的需求。 

本文转自SoftwareTeacher博客园博客，原文链接：http://www.cnblogs.com/xinz/p/7417960.html，如需转载请自行联系原作者