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+# 中小学数学卷子自动生成程序
+
+一个基于 C++ 的命令行应用程序，为小学、初中和高中教师自动生成数学试卷，确保题目唯一性。
+
+## 一、项目概述
+
+本项目采用面向对象设计，通过多级难度题目生成器和智能查重机制，为不同学段的数学教师提供便捷的试卷生成工具。
+
+## 二、编译运行
+
+### 环境要求
+
+- C++17 或更高版本
+
+- 支持标准库的 C++ 编译器（g++、clang++、MSVC）
+
+### 运行
+
+- **Windows操作系统在PowerShell中执行：chcp 65001; .\main.exe**
+
+- **Windows操作系统在CMD中执行：chcp 65001 && main.exe**
+
+- Windows采用本地语言编码（GBK），而程序用UTF-8输出，从而导致中文乱码。chcp 65001将设置Windows当前终端会话用UTF-8编码来显示文字，以此来解决中文乱码问题。
+
+## 三、核心类设计
+
+### 类关系图
+Application
+├── User (用户信息)
+├── PaperManager (试卷管理)
+└── QuestionGenerator (题目生成器接口)
+    ├── PrimaryGenerator (小学)
+    ├── MiddleGenerator (初中)
+    └── HighGenerator (高中)
+
+### 类详细说明
+
+#### Application - 应用程序主控制器
+**职责**：程序入口，用户交互流程控制，协调各个模块协作
+
+**关键方法**：
+- `run()` - 程序主循环
+- `loginPhase()` - 处理用户登录
+- `mainOperationPhase()` - 主操作逻辑
+- `createGenerator(Grade)` - 工厂方法创建题目生成器
+- `switchGenerator(string)` - 动态切换生成器
+
+#### User - 用户信息管理
+**职责**：存储和管理用户身份信息及权限等级
+
+**属性**：
+- `username` - 用户名
+- `password` - 密码  
+- `grade` - 学段等级（Primary/Middle/High）
+
+**关键方法**：
+- `userInital()` - 用户信息初始化
+- `getGradString()` - 获取学段字符串表示
+
+#### QuestionGenerator - 题目生成器抽象基类
+**职责**：定义题目生成的统一接口，提供随机数工具
+
+**设计特点**：
+- 使用现代 C++ 随机数库 (`random_device`, `mt19937`)
+- 纯虚函数 `generateQuestion()` 强制子类实现
+- 模板方法模式提供 `getRand()` 工具函数
+
+#### 具体生成器类
+- **PrimaryGenerator** - 小学数学题目生成
+- **MiddleGenerator** - 初中数学题目生成  
+- **HighGenerator** - 高中数学题目生成
+
+#### PaperManager - 试卷管理器
+**职责**：试卷生成、查重、文件保存的全生命周期管理
+
+**属性**：
+- `questions` - 当前已生成试卷
+- `historys` - 历史试卷
+
+**关键方法**：
+- `void setGenerator(QuestionGenerator* newGenerator);` -生成题目
+- `bool generatePaper(int num);`  - 生成试卷
+- `int loadHistoryQuestions();` - 加载用户历史试卷
+- `bool isDulicate(const std::string& question);` - 查重逻辑
+- `int savePaperToFile();` - 保存试卷
+
+## 四、主要代码
+
+### 1、程序入口
+
+Application类负责调用其他类提供的对外接口，共有登陆和主要操作两个阶段
+
+```cpp
+void Application::run() {
+    std::cout << "=== 中小学数学试卷自动生成程序 ===" << std::endl;
+
+    while(true){
+        //登录界面
+        if(!loginPhase()){ 
+            break;  
+        }
+
+        //主要操作界面
+        mainOperationPhase();
+    
+    }
+}
+```
+
+### 2、用户登陆
+
+登陆阶段主要负责接收用户的登录请求，请求成功后初始化一系列必要的资源。
+
+```cpp
+bool Application::loginPhase(){
+    std::cout << "0. 退出系统" << std::endl;
+    std::cout << "1. 登录" << std::endl;
+    int logresult;
+    std::string choice;
+
+    while(true){
+        std::cout << "在此处输入您的选择：";
+        std::getline(std::cin, choice);
+        if(choice == "0"){
+            return false;
+        } else if(choice == "1"){
+            logresult = handlelogin();
+        } else{
+            std::cout << "请根据提示输入正确的选项！！！" << std::endl;
+            continue;
+        }
+        if(logresult == 0){
+            QuestionGenerator* questiongenerator = createGenerator(myUser.getGrad());
+            myPaperManager = std::make_unique<PaperManager>(myUser.getUsername(), questiongenerator);
+            myPaperManager->loadHistoryQuestions();
+            return true;
+        } else if(logresult == -1){
+            std::cout << "文件连接出错，请等待技术人员修复..." << std::endl;
+            system("pause");
+        }  else
+            std::cout << "账号或者密码错误！" << std::endl;
+    }
+}
+
+int Application::handlelogin() {
+    std::string str, username, password;
+    std::vector<std::string> tokens, account;
+    account = split(getLoginInput());
+    if(account.size() == 2){
+        username = account[0];
+        password = account[1];
+    } else{
+        return 1;
+    }
+    std::ifstream infile("users.txt");
+    if (!infile) {
+        std::cerr << "Unable to open file users.txt";
+        return -1;
+    }
+    while (getline(infile, str)) {
+        tokens = split(str, ' ');
+        if (tokens.size() == 3 && tokens[1] == username && tokens[2] == password) {
+            std::string level = tokens[0];
+            Grade grade;
+            if (level == "小学") {
+                grade = Primary;
+            } else if (level == "初中") {
+                grade = Middle;
+            } else if (level == "高中") {
+                grade = High;
+            } else {
+                grade = Unknown;  
+            }
+            myUser.userInital(username, password, grade);
+            return 0;
+        }
+    }
+    infile.close();
+    return 1;
+}
+```
+
+### 3、主要操作
+
+这一阶段是主要是通过调用Application类的私有成员myPaperManager和myUser来完成的
+
+myPaperManager会根据用户的年级以及需求调用对应的Generator来生成问题
+
+myUser提供当前登陆用户的姓名、密码以及年纪信息
+
+```cpp
+bool Application::mainOperationPhase(){
+    std::cout << "登录成功！当前选择为" << myUser.getGradString() << "出题" << std::endl;
+    std::cout << "选项：" << std::endl;
+    std::cout << "1. 输入10-30的数字：生成对应数量的题目" << std::endl;
+    std::cout << "2. 输入'切换为小学/初中/高中'：切换出题难度" << std::endl;
+    std::cout << "3. 输入-1：退出当前用户，重新登陆" << std::endl;
+    while (true) {
+
+        std::cout << "请输入指令: ";
+        std::string str ;
+        std::cin >> str;
+        std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
+        if(str.find("切换为") == 0){
+            switchGenerator(str.substr(9));
+        } else if(isInteger(str)) {
+            int num = std::stoi(str);
+            if(num >= 10 && num <= 30){
+                if(myPaperManager->generatePaper(num))
+                    std::cout << "试卷生成成功！" << std::endl;
+            } else if(num == -1){
+                myPaperManager.reset();  
+                return false;
+            } else {
+                std::cout << "请输入正确的数字！！！" << std::endl;
+            }
+        } else {
+            std::cout << "输入无效，请重新输入" << std::endl;
+        }
+    }  
+}
+```
+
+### 4、试卷生成逻辑
+
+myPaperManager的成员变量currentGenerator调用generateQuestion（）生成题目
+
+```cpp
+bool PaperManager::generatePaper(int num){
+    if(currentGenerator == nullptr)
+        return false;
+    
+    questions.clear();
+    std::string newQuestion;
+    for(int i=0 ; i<num ; i++){
+        const int max_Count = 1000;  
+        int current_Count = 0;
+
+        do {
+            current_Count++;
+            newQuestion = currentGenerator->generateQuestion();
+            if(current_Count >= max_Count)
+                break;
+        } while(isDulicate(newQuestion));
+        questions.push_back(newQuestion);
+    }
+
+    if((savePaperToFile() == 0)){
+        for(const auto& question : questions){
+            historys.insert(question);
+        }
+        return true;
+    }
+    return false;
+}
+```
+
+#### 小学题目生成
+
+```cpp
+std::string PrimaryGenerator::generateQuestion() {
+    std::stringstream ss;
+    const std::vector<std::string> operators = {"+", "-", "*", "/"};
+    
+    const int numCount = getRand(2, 5);
+    const bool useParentheses = (getRand(0, 1) == 1) && (numCount > 2);
+    
+    if (useParentheses) {
+        int leftPos = getRand(0, numCount - 2);  
+        int rightPos = getRand(leftPos + 1, numCount - 1); 
+        for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+            if (i == leftPos) {
+                ss << "(";
+            }
+            ss << getRand(1, 100);
+            if (i == rightPos) {
+                ss << ")";
+            }
+            if (i < numCount - 1) {
+                ss << " " << operators[getRand(0, 3)] << " ";
+            }
+        }
+    } else {
+        for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+            ss << getRand(1, 100);
+            if (i < numCount - 1) {
+                ss << " " << operators[getRand(0, 3)] << " ";
+            }
+        }
+    }
+    
+    return ss.str() + " = ?";
+}
+```
+
+#### 初中题目生成
+
+```cpp
+std::string MiddleGenerator::generateQuestion(){
+    const int numCount = getRand(1, 5);
+    std::stringstream ss;
+    std::vector<std::string> operators = {"+","-","*","/"};
+    std::vector<std::string> operands;
+    bool hasAdvanced = false;
+    for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+        int num = getRand(1, 100);
+        std::string operand = std::to_string(num);
+
+        if (numCount == 1 || getRand(0, 1) == 1) {
+            hasAdvanced = true;
+            if (getRand(0, 1) == 0) {
+                operand = operand + "²"; 
+            } else {
+                operand = "√" + operand; 
+            }
+        }
+        operands.push_back(operand);
+    }
+    if (!hasAdvanced) {
+        if (getRand(0, 1) == 0) {
+            operands[0] = operands[0] + "²";
+        } else {
+            operands[0] = "√" + operands[0];
+        }
+        hasAdvanced = true;
+    }
+    for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+        ss << operands[i];
+        if (i < numCount - 1) {
+            ss << " " << operators[getRand(0,3)] << " ";
+        }
+    }
+    return ss.str() + " = ?";
+}
+```
+
+#### 高中题目生成
+
+```cpp
+std::string HighGenerator::generateQuestion(){
+    const int numCount = getRand(1, 5);
+    std::stringstream ss;
+    std::vector<std::string> trigFunctions = {"sin", "cos", "tan"};
+    std::vector<std::string> operators = {"+","-","*","/"};
+
+    std::vector<std::string> operands;
+    bool hasTrig = false;
+    for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+        int num = getRand(1, 100);
+        std::string operand = std::to_string(num);
+        if (numCount == 1 || getRand(0, 1) == 1) {
+            hasTrig = true;
+            std::string trigFunc = trigFunctions[getRand(0,2)];
+            operand = trigFunc + operand + "°";
+        }
+        
+        operands.push_back(operand);
+    }
+    
+    if (!hasTrig) {
+        operands[0] = trigFunctions[getRand(0,2)] + operands[0] + "°";
+        hasTrig = true;
+    }
+    
+    for (int i = 0; i < numCount; i++) {
+        ss << operands[i];
+        if (i < numCount - 1) {
+            ss << " " << operators[getRand(0,3)] << " ";
+        }
+    }
+    
+    return ss.str() + " = ?";
+}
+```
+
+### 5、题目查重逻辑
+
+对当前生成的问题，isDulicate会遍历历史已经生成和当前正在生成的题目库，避免生成一样的题目
+
+```cpp
+bool PaperManager::isDulicate(const std::string& question){
+    if(historys.find(question) != historys.end())
+        return true;
+    if(std::find(questions.begin(), questions.end() ,question) != questions.end())
+        return true;
+    return false;
+}
+```
+
+### 6、题目保存逻辑
+
+```cpp
+int PaperManager::savePaperToFile(){
+    std::string str = simpleChineseToPinyin(username);
+    std::string floderPath = "../paper/" + str + "/";
+    std::filesystem::create_directories(floderPath) ;
+
+    std::string filename = floderPath + getCurrntTimeString() + ".txt";
+    std::ofstream outfile(filename);
+    if (!outfile) {
+        std::cerr << "Unable to open file " << filename << std::endl;
+         return -1;
+    }
+
+    for(size_t i = 0 ; i<questions.size() ; i++){
+        outfile << (i+1) << '.' << questions[i] << "\n\n";
+    }
+    return 0;
+}
+
+```
+
+## 五、核心特性
+
+### 1、多态题目生成
+
+- 使用抽象基类 QuestionGenerator 定义统一接口
+ 
+- 具体生成器继承并实现不同难度的题目生成逻辑
+
+- 支持运行时动态切换生成器
+
+### 2、内存安全
+
+std::unique_ptr 自动管理 PaperManager 生命周期，避免内存泄漏和悬空指针问题