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数学考试系统 - 项目说明文档

项目概述

这是一个基于C++实现的智能数学题目生成系统，支持小学、初中、高中三个不同难度级别的题目自动生成。系统具有用户管理、题目查重、文件保存和日志记录等完整功能。

项目结构

核心模块

模块	文件	功能描述
主程序	main.cc	程序入口，系统配置和启动
系统核心	exam_system.h/.cc	系统主流程控制，用户会话管理
题目生成	problem_generator.h/.cc	不同难度题目生成器实现
文件管理	file_manager.h/.cc	用户目录和题目文件管理
查重服务	duplicate_checker.h	题目重复性检查
输入验证	input_validator.h/.cc	各类输入数据验证
日志系统	logger.h/.cc	分级日志记录

详细设计说明

1. 系统架构

graph TD
    A[ExamSystem<br/>系统控制中心] --> B[ProblemGenerator<br/>题目生成器]
    A --> C[FileManager<br/>文件管理器]
    A --> D[DuplicateChecker<br/>查重服务]
    
    B --> B1[小学生成器]
    B --> B2[初中生成器] 
    B --> B3[高中生成器]
    
    C --> C1[目录操作]
    C --> C2[文件操作]
    
    D --> D1[历史题目管理]
    D --> D2[重复检查]

架构分层说明

层次	组件	职责	设计模式
用户交互层	用户界面	控制台I/O处理	-
核心控制层	ExamSystem	系统流程控制	状态模式
业务逻辑层	ProblemGenerator等	核心业务处理	工厂模式、策略模式
数据访问层	FileManager	数据持久化	-
基础设施层	Logger等	支撑服务	单例模式
数据存储层	文件系统	数据存储	-

2. 用户管理

预置用户账户：

• 小学组：张三1、张三2、张三3
• 初中组：李四1、李四2、李四3
• 高中组：王五1、王五2、王五3
• 密码：均为"123"

3. 题目生成器设计

3.1 小学题目生成器 (PrimarySchoolGenerator)

• 运算符：+、-、×、÷
• 特点：确保计算结果不为负数
• 操作数：2-5个
• 数值范围：1-100

示例题目：15 + 23 - 7 × 3

3.2 初中题目生成器 (MiddleSchoolGenerator)

• 新增运算符：平方(²)、开根号(√)
• 特点：至少包含一个特殊运算符
• 操作数：1-5个

示例题目：(5)² + √16 × 3

3.3 高中题目生成器 (HighSchoolGenerator)

• 新增运算符：sin、cos、tan
• 特点：包含三角函数计算
• 角度范围：0-360度

示例题目：sin(45°) + cos(90°) × 2

4. 核心算法实现

4.1 表达式求值算法

// 处理运算符优先级：先乘除，后加减
int EvaluateExpression(const std::string& expression) {
    // 1. 分词处理
    // 2. 第一遍：处理乘除法
    // 3. 第二遍：处理加减法
    // 4. 返回最终结果
}

4.2 题目查重机制

• 基于用户名的题目历史记录
• 实时检查新生成题目是否重复
• 支持历史题目加载

4.3 文件命名策略

// 格式：YYYY-MM-DD-HH-MM-SS.txt
std::string GenerateFilename() {
    //1.获取当前时间
    //2.生成格式字符串
    //3.返回文件名
}

5. 系统配置参数

参数	值	说明
最小题目数量	10	单次生成最少题目数
最大题目数量	30	单次生成最多题目数
操作数最小值	1	题目中数字的最小值
操作数最大值	100	题目中数字的最大值
最大操作数个数	5	单个题目最多包含的数字个数

6. 使用流程

1. 启动系统

   ./exam_system
   

2. 用户登录

   请输入用户名和密码（用空格隔开）: 张三1 123
   

3. 题目生成

   当前选择为小学出题
   准备生成小学数学题目，请输入生成题目数量（输入-1将退出当前用户，重新登录）: 15
   

4. 类型切换

   切换为初中
   准备生成初中数学题目，请输入生成题目数量...
   

5. 退出登录

   准备生成小学数学题目，请输入生成题目数量（输入-1将退出当前用户，重新登录）: -1
   

7. 文件存储结构

项目根目录/
├── 张三1/
│   ├── 2025-01-15-10-30-45.txt
│   └── 2025-01-15-11-15-20.txt
├── 李四1/
│   └── 2025-01-15-09-45-10.txt
└── 王五1/
    └── 2025-01-15-14-20-35.txt

8. 设计模式应用

8.1 工厂模式

std::unique_ptr<ProblemGenerator> factory = 
    ProblemGeneratorFactory::CreateGenerator("小学");

8.2 策略模式

不同难度的题目生成器实现统一的ProblemGenerator接口

8.3 单例模式

日志系统和文件管理器使用静态方法提供全局访问

9.系统要求

操作系统

• 仅支持 Windows 系统
• 不支持 Linux、macOS 等其他操作系统

编译器要求

• 支持 C++17 标准的编译器
• 推荐使用：
  • Microsoft Visual Studio 2017 或更高版本
  • MinGW-w64 (GCC 8.0 或更高版本)
  • Clang with MSVC backend

10.编译和运行

先到src目录下

cd src

编译命令：

g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -I. -Iexam_system -Ifile_manager -Ilogger -o exam_system main/main.cc exam_system/exam_system.cc exam_system/problem_generator.cc exam_system/duplicate_checker.cc exam_system/input_validator.cc file_manager/file_manager.cc logger/logger.cc

或者

cd ../build
--config Debug --target all -j 12 --

运行:

.\exam_system.exe

核心类介绍请看doc\ExamSystem.md