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Raw Permalink Blame History Unescape Escape

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

启动系统
```
./exam_system
```

用户登录

请输入用户名和密码（用空格隔开）: 张三1 123

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

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...

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

核心类详细说明

1 ExamSystem 类 - 系统主控制器

类定义位置

头文件：exam_system.h
实现文件：exam_system.cc

职责说明

作为系统的核心控制器，负责协调所有模块的工作，管理用户会话状态，处理用户交互流程。

核心成员变量

private:
  SystemConfig config_;                          // 系统配置信息
  std::unique_ptr<ProblemGenerator> generator_;  // 题目生成器实例
  const UserInfo* current_user_;                 // 当前登录用户指针
  DuplicateChecker duplicate_checker_;           // 查重服务实例

主要方法详解

构造函数

ExamSystem(const SystemConfig& config);

功能：初始化系统配置，设置初始状态

参数：

config：包含用户列表等系统配置信息

调用时机：系统启动时

Run() 方法

void Run();

功能：系统主循环，处理用户交互流程

流程：

显示登录提示
处理用户登录
进入命令循环等待用户输入
处理题目生成、类型切换、退出等命令

bool Login(const std::string& username, const std::string& password);

功能：用户身份验证

参数：

username：用户名
password：密码

返回值：登录成功返回true，失败返回false

处理逻辑：

验证用户名密码格式
在配置的用户列表中查找匹配用户
设置当前用户和对应的题目生成器
加载用户历史题目

GenerateExam() 方法

std::vector<std::string> GenerateExam(int count);

功能：生成指定数量的题目

参数：

count：需要生成的题目数量

返回值：生成的题目列表

关键逻辑：

使用当前题目生成器生成题目
验证题目有效性
检查题目重复性
格式化题目（添加题号）

SwitchType() 方法

void SwitchType(const std::string& type);

功能：切换题目生成类型

参数：

type：目标类型（"小学"/"初中"/"高中"）

处理逻辑：

验证类型有效性
创建新的题目生成器
更新用户界面提示

2 ProblemGenerator 类体系 - 题目生成器

类层次结构

ProblemGenerator (抽象基类)
├── BaseProblemGenerator (基础实现)
    ├── PrimarySchoolGenerator (小学题目生成器)
    ├── MiddleSchoolGenerator (初中题目生成器)
    └── HighSchoolGenerator (高中题目生成器)

ProblemGenerator 抽象基类

核心接口

virtual std::string GenerateProblem() = 0;
virtual std::string GetCurrentType() const = 0;
virtual void SetCurrentType(const std::string& type) = 0;
virtual bool ValidateProblem(const std::string& problem) const = 0;
virtual int GetMinOperandCount() const = 0;

PrimarySchoolGenerator 类

特点

生成小学难度数学题目
确保计算结果不为负数
支持加减乘除四则运算

核心方法

std::string GenerateProblem() override;

生成逻辑：

随机确定操作数数量（2-5个）
生成确保非负的表达式
验证表达式有效性
返回格式化后的题目

关键算法

std::string GenerateNonNegativeExpression(int operand_count);

特殊处理：

对减法运算进行特殊处理，确保被减数大于减数
多次尝试生成有效表达式

MiddleSchoolGenerator 类

特点

生成初中难度数学题目
包含平方和开根号运算
确保至少包含一个特殊运算符

新增功能

std::string GenerateSquareOrRoot();

平方运算：生成 (数字)² 格式
开根号运算：生成 √完全平方数 格式

HighSchoolGenerator 类

特点

生成高中难度数学题目
包含三角函数运算
角度范围为0-360度

新增功能

std::string GenerateTrigonometricFunction();

支持的函数：sin、cos、tan
格式：函数名(角度°)

3 FileManager 类 - 文件管理器

类特性

全部方法为静态方法
提供跨平台文件操作支持

核心方法详解

CreateUserDirectory() 方法

static bool CreateUserDirectory(const std::string& username);

功能：创建用户专属目录

实现：

使用 _mkdir()（Windows）或 mkdir()（Linux）创建目录
检查目录是否已存在
记录创建结果日志

SaveProblemsToFile() 方法

static bool SaveProblemsToFile(const std::string& username, 
                              const std::vector<std::string>& problems);

功能：保存题目列表到文件

文件命名：使用时间戳格式 YYYY-MM-DD-HH-MM-SS.txt
文件格式：每道题目用空行分隔

LoadUserHistoryProblems() 方法

static std::vector<std::string> LoadUserHistoryProblems(const std::string& username);

功能：加载用户所有历史题目

流程：

检查用户目录是否存在
获取目录下所有txt文件
从每个文件中提取题目
返回合并的题目列表

ExtractProblemsFromFile() 方法

static std::vector<std::string> ExtractProblemsFromFile(const std::string& filepath);

功能：从单个文件解析题目

解析逻辑：

使用正则表达式识别题号行
按空行分割不同题目
提取题目内容（去除题号）

4 DuplicateChecker 类 - 查重服务

核心数据结构

private:
  std::map<std::string, std::vector<std::string>> user_problems_;
  std::set<std::string> loaded_users_;

主要方法详解

AddProblem() 方法

void AddProblem(const std::string& username, const std::string& problem);

功能：添加题目到用户题目记录
用途：记录新生成的题目，用于后续查重

CheckDuplicate() 方法

bool CheckDuplicate(const std::string& username, const std::string& problem) const;

功能：检查题目是否重复

检查范围：

当前会话生成的题目
已加载的历史题目

返回值：重复返回true，否则返回false

LoadUserHistory() 方法

void LoadUserHistory(const std::string& username);

功能：加载用户历史题目到查重系统
特性：每个用户只加载一次，避免重复加载

HasLoadedHistory() 方法

bool HasLoadedHistory(const std::string& username) const;

功能：检查用户历史题目是否已加载
用途：防止重复加载历史题目

5 InputValidator 类 - 输入验证器

验证功能列表

ValidateUsername()

static bool ValidateUsername(const std::string& username);

验证规则：

非空
长度不超过50字符

ValidatePassword()

static bool ValidatePassword(const std::string& password);

验证规则：

非空
长度不超过50字符

ValidateUserType()

static bool ValidateUserType(const std::string& user_type);

有效值："小学"、"初中"、"高中"

ValidateQuestionCount()

static bool ValidateQuestionCount(int count);

有效范围：10-30 或 -1（退出代码）

ValidateSwitchCommand()

static bool ValidateSwitchCommand(const std::string& command);

有效格式：以"切换为"开头的字符串

6 Logger 类 - 日志系统

日志级别

enum class Level { 
  INFO,    // 普通信息
  WARNING, // 警告信息  
  ERROR    // 错误信息
};

核心方法

Log() 方法

static void Log(Level level, const std::string& message);

输出格式：[时间戳] 级别: 消息内容
特性：根据设置的日志级别过滤输出

SetLogLevel() 方法

static void SetLogLevel(Level level);

功能：设置全局日志级别，低于该级别的日志不会输出

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数学考试系统 - 项目说明文档

项目概述

项目结构

核心模块

详细设计说明

1. 系统架构

架构分层说明

2. 用户管理

3. 题目生成器设计

3.1 小学题目生成器 (PrimarySchoolGenerator)

3.2 初中题目生成器 (MiddleSchoolGenerator)

3.3 高中题目生成器 (HighSchoolGenerator)

4. 核心算法实现

4.1 表达式求值算法

4.2 题目查重机制

4.3 文件命名策略

5. 系统配置参数

6. 使用流程

7. 文件存储结构

8. 设计模式应用

8.1 工厂模式

8.2 策略模式

8.3 单例模式

9.系统要求

10.编译和运行

核心类详细说明

1 ExamSystem 类 - 系统主控制器

类定义位置

职责说明

核心成员变量

主要方法详解

构造函数

Run() 方法

Login() 方法

GenerateExam() 方法

SwitchType() 方法

2 ProblemGenerator 类体系 - 题目生成器

类层次结构

ProblemGenerator 抽象基类

核心接口

PrimarySchoolGenerator 类

特点

核心方法

关键算法

MiddleSchoolGenerator 类

特点

新增功能

HighSchoolGenerator 类

特点

新增功能

3 FileManager 类 - 文件管理器

类特性

核心方法详解

CreateUserDirectory() 方法

SaveProblemsToFile() 方法

LoadUserHistoryProblems() 方法

ExtractProblemsFromFile() 方法

4 DuplicateChecker 类 - 查重服务

核心数据结构

主要方法详解

AddProblem() 方法

CheckDuplicate() 方法

LoadUserHistory() 方法

HasLoadedHistory() 方法

5 InputValidator 类 - 输入验证器

验证功能列表

ValidateUsername()

ValidatePassword()

ValidateUserType()

ValidateQuestionCount()

ValidateSwitchCommand()

6 Logger 类 - 日志系统

日志级别

核心方法

Log() 方法

SetLogLevel() 方法

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3.1 小学题目生成器 (`PrimarySchoolGenerator`)

3.2 初中题目生成器 (`MiddleSchoolGenerator`)

3.3 高中题目生成器 (`HighSchoolGenerator`)