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作业目标	两人用python实现一个自动生成小学四则运算题目的命令行程序
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团队成员

姓名	学号
李金强	3121004868
赵继业	3121004890

1. PSP表格

PSP表格通常用于软件工程中，用于跟踪和记录开发者在项目中的时间估计和实际工作量。这有助于跟踪任务的时间管理和效率，并提供了有关项目进展的信息。

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	100	150
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	100	150
Development	开发	950	1060
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术）	120	200
· Design Spec	· 生成设计文档	100	120
· Design Review	· 设计复审	80	60
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	50	50
· Design	· 具体设计	120	180
· Coding	· 具体编码	200	240
· Code Review	· 代码复审	100	60
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	180	150
Reporting	报告	110	140
· Test Repor	· 计算工作量	30	40
· Size Measurement	· 事后总结, 并提出过程改进计划	80	100
	· 合计	1160	1350

2. 项目需求

使用 -n 参数控制生成题目的个数。
使用 -r 参数控制题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围。
生成的题目中计算过程不能产生负数。
生成的题目中如果存在形如e1÷e2的子表达式，那么其结果应是真分数。
每道题目中出现的运算符个数不超过3个。
程序一次运行生成的题目不能重复，即任何两道题目不能通过有限次交换+和×左右的算术表达式变换为同一道题目。
在生成题目的同时，计算出所有题目的答案，并存入执行程序的当前目录下的Answers.txt文件。
程序应能支持一万道题目的生成。
程序支持对给定的题目文件和答案文件，判定答案中的对错并进行数量统计。

3. 模块接口的设计与实现

这个应用程序包括三个主要模块：function、interface和main。这些模块共同实现了一个数学题目生成和答题检查的应用程序。

3.1 function模块

function模块包含了用于生成数学题目和进行相关计算的类和函数。

3.1.1 类Number数字

__init__(self,max:int=None,nums:tuple=None)：初始化Number类的实例。根据输入参数max和nums生成随机数或根据给定的数字创建实例。
reduce_fraction(self): 计算最大公约数并将分数简化为最简形式。
__str__(self): 将Number实例转化为字符串表示，包括整数部分和分数部分。
__float__(self): 将 Number 实例转化为浮点数。

3.1.2 类Fraction分数

__init__(self, f1: Number, f2: Number, op: str): 初始化 Fraction 类的实例，接受两个 Number 实例和一个操作符。
calculate_fractions(self): 对两个分数执行指定的二元运算，并返回简化的结果。

3.1.3 类Expression表达式

__init__(self, max, question_num): 初始化 Expression 类的实例，接受最大值和题目数量。
generate_subexpression(self, etype, op): 生成子表达式。
generate_expression_list(self): 生成表达式列表。
calculate_answer(self, expression_list): 计算表达式的答案。
generate_expressions(self): 生成表达式。
randomly_generate_questions(self): 随机生成题目。
run(self): 运行生成题目和表达式的流程。

3.2 interface模块

实现了用户界面，允许用户输入参数、生成题目、提交答案并查看结果。

3.2.1 类MathQuizApp数学题目生成应用程序

__init__(self, root): 初始化应用程序界面，创建各种GUI元素。
generate_questions(self): 获取用户输入的题目数量和最大值，调用 function.py 中的函数生成题目，然后在界面上显示题目。
check_answers(self): 获取用户输入的答案，比较用户答案和正确答案，然后在界面上显示答题结果。

3.3 main模块

该模块为应用程序的入口，启动GUI界面。
if __name__ == "__main__：在这个条件下创建了 tkinter 的主窗口 root，然后实例化了 MathQuizApp 类作为应用程序的主要部分。最后，通过 root.mainloop() 启动了 GUI 界面，进入应用程序的运行状态。

3.4 算法的关键

随机生成数学表达式：该程序的算法关键点之一是能够随机生成数学表达式。它使用随机数生成器来创建包含分数的算术表达式，包括不同的操作符（加法、减法、乘法、除法）和分数的分子和分母。
分数运算和简化：算法的另一个关键点是能够执行分数运算和简化。它使用自定义的Number、Fraction、Expression类来处理分数的加法、减法、乘法和除法运算，并确保答案以最简形式呈现。
错误处理和异常处理：算法包括错误处理机制，以处理可能出现的异常情况，例如除零错误或无效的表达式。程序会继续尝试生成有效的表达式，以确保用户可以获得可答题目。

3.5 独到之处

用户友好的图形界面：程序提供了一个直观的图形用户界面（GUI），用户可以轻松输入题目数量和最大值，然后生成题目并答题。这使得程序更易于使用，特别适合教育和娱乐。
答案检查和反馈：用户提交答案后，程序会自动检查答案的正确性，并提供明确的反馈，显示哪些题目回答正确，哪些回答错误。这种实时反馈有助于用户了解他们的表现。
结果保存和导出：该程序允许用户将生成的题目和正确答案保存到文件中，以供以后查看或导出。这对于教育或记录进度非常有用。
4.模块化设计：代码被模块化组织，使得每个功能块都可以独立工作。这使得程序更易于维护、扩展和重用。

3.6 流程图

该流程图介绍了各模块的运行机理及模块调用操作。

4. 性能分析

py-spy是一款出色的性能分析工具，旨在监测运行中的Python进程，为性能调优和故障排除提供强大支持。它主要提供两种关键视图，即Flamegraph（火焰图）和Top（顶部）视图，以便以图形方式呈现Python应用程序的性能数据。这两种视图具有重要功能，有助于深入了解应用程序中的性能瓶颈和函数调用情况。在终端中运行：
py-spy record -o profile.json -f speedscope -- python main.py
· 火焰图（Flamegraph）：火焰图是一种强大的可视化工具，用于展示函数调用层次关系。通常，它被用于分析性能数据，以便更好地理解哪些模块在应用程序中花费了大量时间。火焰图的横轴表示函数调用的层次结构，纵轴表示调用的深度。每个矩形块代表一个函数调用，块的宽度表示该函数占用的时间比例。通过火焰图，可以迅速识别哪些函数的执行时间较长，从而有针对性地进行性能优化。

· Top(顶部)视图：这个视图显示了正在运行的Python进程中占用CPU时间最多的函数，能展示程序中消耗最大的函数。

5. Code Quality Analysis

Code Quality Analysis是一种软件开发过程中的质量评估方法，用于评估和衡量编写的代码的质量。这个过程涉及审查、测试和评估代码，以确保其符合最佳实践、规范和标准，从而确保代码的可维护性、可读性、性能、安全性和可靠性。代码质量分析的目标是发现并纠正潜在的问题，以确保软件在生产环境中能够稳定、高效地运行。
本次代码质量分析考虑了以下内容：