数字电路模拟程序&课堂测验Blog

一、前言

这段时间先后完成了两次数字电路模拟程序题目集和课堂测验，从基础语法到复杂系统设计都有涉及，既有挑战，也有收获。
先说说两次数字电路模拟程序题目集。第一次题目集，核心是实现简单门电路与门、或门、非门等的模拟，以及基础组合逻辑电路的搭建，知识点集中在类的封装、对象创建、方法重载等基础面向对象特性，难度偏向入门级。当时主要是熟悉将电路器件抽象为对象的思维，比如每个门电路作为独立类，拥有输入端口、输出端口等属性，以及计算输出值的方法。
第二次题目集则明显提升了复杂度，不仅要求实现更复杂的复合门电路异或门、同或门，还引入了时序电路触发器和简单时序逻辑系统的模拟，知识点扩展到继承、多态、接口、异常处理等进阶内容。这次需要考虑的问题更多，比如不同门电路的复用、输入输出信号的时序同步、错误输入的处理等，代码量增加不少。
课堂测验题目覆盖了Java基础语法、面向对象核心特性（封装、继承、多态）、数组与集合、异常处理、接口与抽象类等核心知识点，侧重对概念的理解和细节的考察。测验题目不算难，但很多选项都很容易混淆的知识点（比如构造方法的修饰符、抽象类与接口的区别、多态的前提条件等），这也暴露了我在基础概念掌握上的薄弱环节。
整体难度上逐步提升，这种梯度设计让我在实践中不断突破，对编程能力的提升很有帮助。
二、设计与分析

课堂测验

1. 判断题
共56道，错5道，正确率约91%，错题主要集中在抽象类与接口，给出其中几道错题分析：
1-4 接口只包含常量和抽象方法，接口中定义的方法只能是抽象方法。
正确答案应为T，在传统 Java 语法中（JDK 8 之前），接口中只能包含公共的静态常量（默认被public static final修饰）或公共的抽象方法（默认被public abstract修饰），不能包含非抽象方法。
题目描述的是接口的基础定义规则，符合 JDK 8 之前接口的核心特性；即使 JDK 8 后接口支持默认方法、静态方法，但题目表述的 “只包含常量和抽象方法” 是接口的经典定义，因此该表述是正确的。
1-32 Java中，类与接口之间是继承关系，即类继承接口。
正确答案是F，跟上一题一样，基于 JDK 8 之前的语法体系，“接口中可以定义非抽象方法” 的表述确实错误，因此答案为F。
1-42 Java中，接口可以定义为抽象接口。例如：public abstract interface Inter{}
正确答案应为T，Java 中接口的默认修饰规则：接口的定义默认隐含abstract修饰符，即使不显式写abstract，接口也会被视为抽象的。
显式在接口定义前添加abstract关键字（如public abstract interface Inter{}）是语法允许的，编译器会正常识别，因此 “接口可以定义为抽象接口” 的表述是正确的。
1-50 Java中，以下代码会抛出异常。
package kaoshi;
public class Demo_Exception {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(1.0 / 0);
    }
}
正确答案F，浮点数除法的特性：在Java中，整数除以 0会抛出ArithmeticException（算术异常），但浮点数（如double类型的1.0）除以 0不会抛出异常，而是会得到一个特殊的浮点值Infinity（无穷大）。
该代码中1.0 / 0属于浮点数除法，运行后会输出Infinity，所以不会抛出异常。
2. 单选题
共29道，错5道，正确率约83%，错题主要集中在类方法静态调用、类编译运行文件、类修饰符，给出其中几道错题分析：
2-20 假设类A有如下定义，且a是A类的一个实例，则必定错误的选项是（ ）。
class  A {
      int  i;
      static  String  s;
       void  method1() {   }
       static  void  method2()  {   }
}
A. System.out.println(a.i);
B. a.method1();
C. A.method1();
D. A.method2();
答案是 C
首先分析类 A 的成员：
i：实例变量（非静态），需通过对象调用；
s：静态变量，可通过类或对象调用；
method1()：实例方法，需通过对象调用；
method2()：静态方法，可通过类或对象调用。
选项 A：a.i是通过对象调用实例变量，合法。
选项 B：a.method1()是通过对象调用实例方法，合法。
选项 C：A.method1()是通过类调用实例方法，错误（实例方法必须通过对象调用，不能直接通过类调用）。
选项 D：A.method2()是通过类调用静态方法，合法。
2-23 对于类与对象的关系，以下说法错误的是（ ）。
A.类是对象的类型
B.对象由类来创建
C.类是同类对象的抽象
D.对象是创建类的模板
答案：D
类是对象的 “模板”，对象是类的 “实例”；类是同类对象的抽象，对象由类创建，类是对象的类型。D 的描述颠倒了类与对象的关系，错误。
2-29 关于Java语言的描述，错误的是（）。
A.每一个.java文件编译后对应一个.class文件。
B..java文件编译后，每一个class对应一个.class文件
C.Java源代码编译后产生的.class是字节码文件
D..class文件在JVM上运行
答案：A
A 错误：一个.java文件中可以包含多个class（但只能有一个public class），编译后每个class对应一个.class文件，而非一个.java对应一个.class。
B 正确：每个class编译后生成独立的.class文件。
C 正确：.class是 Java 编译后的字节码文件。
D 正确：.class文件在 Java 虚拟机（JVM）中运行。
3. 多选题
共38道，错8道，正确率约79%，给出其中几道错题分析：
接口相关3-5
正确选项：ABC
A：接口的方法默认是public abstract（JDK8 前），描述正确。
B：接口的属性默认是public static final，描述正确。
C：接口引用指向实现类对象，调用方法时会执行实现类的重写方法（多态），描述正确。
D：接口是独立的类型（不是类类型），类需 “实现” 接口，描述错误。
字节数组与字符串转换3-6
正确选项：AB
A/B：new String(byte[])或new String(byte[], 起始索引, 长度)可将字节数组按默认编码转为字符串，符合需求。
C：bytes.toString()是调用数组的toString()（返回对象地址，不是字符），错误。
D：Arrays.toString(bytes)是将数组转为 “[元素 1, 元素 2...]” 格式的字符串，不是字符拼接，错误。
类型转换3-9
正确选项：AC
A：Integer.parseInt(str)是将字符串转为 int 的标准方法，正确。
B：new Integer(str)返回Integer对象，需自动拆箱为 int，但语法不规范（应写Integer i2 = new Integer(str);），错误。
C：Integer.parseInt(str, 10)指定进制为 10（十进制），正确。
D：String 类没有toInteger()方法，错误。
封装3-20
正确选项：ABC
A：封装的核心是 “属性私有，通过公共方法访问”，正确。
B/C：访问私有属性的方法通常是 setter（赋值）和 getter（取值），正确。
D：类的属性不强制封装，不封装也能编译，错误。
位运算3-22
正确选项：A
左移（）：按位右移，正数补 0、负数补 1。110000...是负数（最高位为 1），右移 5 位应补 1，结果是1111111000...，C/D 错误。
多态3-34
正确选项：ABC
多态的前提：① 存在继承关系；② 子类重写父类方法；③ 父类引用指向子类对象（向上转型）。
D：向下转型是多态的后续操作，不是前提，错误。
4. 填空题
共27道，错7道，正确率约74%，给出其中几道错题分析：
4-1 设计一个Flyable接口，一个实现Flyable接口的Duck类和Duck的子类RedheadDuck。
____ Flyable {
    void fly();
}
____ class Duck ____ Flyable {
    public ____ quack() {
        System.out.println("我会呱呱呱");
    }
    public void ____() {
        System.out.println("我会游泳");
    }
    public ____ void display() ____
 
    @Override
     ____ void fly() {
        System.out.println("我会飞");
    }
}
class RedheadDuck ____ Duck {
    public void ____ () {
        System.out.println("我是一只红头鸭");
    }
}
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Duck ____ = new ____ ();
        rduck.display();
        ____.quack();
        rduck.swim();
        rduck.fly();    
    }
}
运行以上程序，输出如下结果：
我是一只红头鸭
我会呱呱呱
我会游泳
我会飞

位置	答案	原因
____ Flyable	interface	定义接口必须用interface关键字
____ class Duck	public	Duck 类需被 Main 类访问，用 public 修饰（也可省略，默认包访问权限）
Duck ____ Flyable	implements	类实现接口用implements（继承用 extends，实现接口用 implements）
public ____ quack()	void	quack 方法无返回值，返回值类型为 void
public void ____()	swim	方法体输出 “我会游泳”，对应方法名 swim
public ____ void display()	abstract	display 是抽象方法（子类 RedheadDuck 重写），需 abstract 修饰
display() ____	;	抽象方法无方法体，以分号结尾
____ void fly()	public	接口方法默认 public，重写时访问权限不能降低（不能用 protected/private）
RedheadDuck ____ Duck	extends	子类继承父类用 extends 关键字
public void ____ ()	display	方法体输出 “我是一只红头鸭”，对应重写父类的 display 方法
Duck ____ = new ...	rduck	变量名需与后续调用的rduck一致
new ____ ()	RedheadDuck	多态：父类引用指向子类实例，调用 display 时执行子类重写逻辑
____.quack()	rduck	调用 quack 方法的变量名需与声明的rduck一致

4-3 设有以下Java程序段，请阅读程序并完成注释处的程序逻辑填空。
class Person {
    String name, department;
    int age;
    public Person(String n){ name = n; }
    public Person(String n, int a){ name = n; age = a; }
    public Person(String n, String d, int a) {
        // 完成Person(String n, int a)的逻辑
        ____
        department = d;
    }
}
答案：this(n, a); 注意这里不能写name = n; age = a;
Java 中构造方法可以通过this(参数列表)调用本类中其他重载的构造方法，实现代码复用，避免重复编写相同逻辑。
此处this(n, a)会调用public Person(String n, int a)这个构造方法，自动完成name = n; age = a;的赋值逻辑，再执行后续的department = d;，符合 “复用已有构造方法逻辑” 的需求。
this(...)必须是构造方法中的第一条语句，不能放在department = d;之后，否则编译报错。
不能直接写name = n; age = a;（虽然结果正确，但违背 “复用已有构造逻辑” 的设计意图，题目要求 “完成 Person (String n, int a) 的逻辑”，本质是要求调用该构造方法）。

4-9答案：extends
在 Java 中，定义子类继承父类的关键字是extends；而super是用于在子类中调用父类的构造方法、成员变量或方法的关键字，并非继承的关键字。
4-10答案：抛出对应的准确表述应为抛出（throw），但更贴合题干语境的答案是抛出的动作关键字表述 ——throw（或题干空处应填 “抛出” 对应的动作描述，但更准确的是 “抛出” 对应的关键字逻辑，实际 Java 异常机制中是 “以throw抛出特定异常”）。
数字电路模拟程序1

1. 架构
核心设计思路是“面向对象抽象”，将每个电路元件抽象为独立的类，通过统一的电路模拟类（CircuitSimulator）管理所有元件、输入信号和连接关系。整体分为四个核心模块：
输入解析模块：负责读取 INPUT 语句中的输入信号和方括号中的连接信息，通过正则表达式提取元件名、引脚号等关键数据。
元件管理模块：通过 HashMap 存储所有元件，支持根据元件名动态创建不同类型的门电路（与门、或门、非门等）。
电路构建模块：根据解析的连接信息，建立元件之间的输入输出连接，确保信号能正确传递。
结果输出模块：按照指定顺序（与门→或门→非门→异或门→同或门）计算并输出所有有效元件的输出电平。
2. 类设计
类的设计遵循了单一职责原则，每个类只负责自己的功能：
Gate 抽象类：所有门电路的父类，封装了通用属性（名称、编号、输入信号、输入连接）和通用方法（添加输入连接、更新输入信号、判断输入是否有效），定义了抽象方法 getOutput ()，要求子类实现自己的输出计算逻辑。
具体门电路类：AndGate、OrGate 继承自 MultiInputGate（多输入门基类），XorGate、XnorGate 继承自 DualInputGate（双输入门基类），NotGate 直接继承自 Gate。每个子类都实现了对应的逻辑计算，比如 AndGate 的 calculateOutput () 方法会判断所有输入是否为高电平，只要有一个低电平就返回 false。
InputGate 和 OutputGate：分别表示电路的原始输入和最终输出，InputGate 存储外部输入的信号，OutputGate 作为电路的输出终端。
Connection 类：记录输出引脚与输入引脚的连接关系，确保信号传递的正确性。
CircuitSimulator 类：作为程序的核心控制器，协调输入解析、电路构建、结果计算和输出的整个流程。

3. SourceMonitor 分析

代码总行数：440 行，语句数 260 行
类数量：9 个，平均每个类 6.22 个方法
平均每个方法 4.48 条语句，最大复杂度 3，平均深度 1.26
这些指标反映出程序 1 的设计相对简洁，类和方法的职责划分清晰，没有过度复杂的逻辑嵌套。平均方法语句数较少，说明代码的可读性和可维护性较好；最大复杂度较低，意味着程序的逻辑分支不复杂，不容易出现隐藏的逻辑错误。
4. 心得
程序 1 的设计核心在于 “抽象与复用”。通过创建 Gate 抽象类，将所有门电路的通用属性和方法封装起来，避免了代码重复；通过 MultiInputGate 和 DualInputGate 两个中间基类，进一步细化了不同输入类型门电路的共性，让子类的实现更简洁。比如 AndGate 和 OrGate 只需要实现自己的 calculateOutput () 方法，输入有效性判断、输入信号更新等通用逻辑都继承自 MultiInputGate，大大减少了重复代码。
另外，输入解析模块的正则表达式设计也很关键。通过正则表达式匹配不同类型的元件名，比如多输入门的 A (8) 1、双输入门X5，可以快速提取元件类型、输入引脚数和编号，确保输入解析的准确性和效率。
数字电路模拟程序2

1. 架构
程序 2 的整体架构在程序 1 的基础上进行了扩展和优化，核心模块保持不变（输入解析、元件管理、电路构建、结果输出），但每个模块都增加了对新元件的支持。
输入解析模块：新增了对三态门、译码器、数据选择器、数据分配器的元件名和引脚号解析，比如译码器的M (3) 1、数据选择器的Z (2) 2等。
元件管理模块：新增了 TriStateGate、DecoderGate、MultiplexerGate、DemultiplexerGate 四个类，并通过多态机制整合到现有架构中，Gate 抽象类新增了 isValid () 方法，用于判断元件输出是否有效。
电路构建模块：新增了对控制引脚的处理逻辑，确保控制引脚、输入引脚、输出引脚的正确连接和信号传递。
结果输出模块：按照新的元件顺序（与门→或门→非门→异或门→同或门→三态门→译码器→数据选择器→数据分配器）输出，并且针对不同元件设计了差异化的输出格式，比如译码器输出为 0 的引脚编号，数据分配器输出包含无效状态的字符串。
2. 类设计
程序 2 的类设计利用继承和多态，有一定扩展：
TriStateGate 类：继承自 Gate，封装了三态门的逻辑 —— 控制引脚为高电平时导通，输出等于输入；控制引脚为低电平时输出无效。通过重写 getOutput () 和 isValid () 方法，实现了三态门的特殊逻辑。
DecoderGate 类：继承自 Gate，包含输入引脚数、输出引脚数两个额外属性，重写了 getOutput () 方法（返回 null，因为译码器有多个输出），新增了 getDecoderOutput () 方法，专门处理译码器的输出逻辑 —— 先判断控制引脚是否满足工作条件（S1=1，S2+S3=0），再根据输入引脚编码确定输出为 0 的引脚编号。
MultiplexerGate 类：继承自 Gate，根据控制引脚数确定数据引脚数（2^ 控制引脚数），通过 getControlValue () 方法计算控制端的二进制值，进而选择对应的数据源，返回该数据源的信号。
DemultiplexerGate 类：与数据选择器逻辑相反，将一路输入信号分配到多路输出中的一路，通过控制端信号确定输出通道，其他通道输出无效状态（用“-”表示），新增了 getDemuxOutput () 方法处理这种特殊输出格式。
Gate 抽象类新增了 getControlValue () 辅助方法，用于计算控制引脚的二进制值，供数据选择器、分配器等元件复用，减少了代码重复。

3. SourceMonitor 分析

代码总行数：788 行，语句数 435 行
类数量：13 个，平均每个类 7.8 个方法
平均每个方法 5.46 条语句，最大复杂度 4，平均深度 1.30
与程序 1 相比，代码行数和类数量都有明显增加，但平均方法语句数和复杂度控制得较好，说明在扩展功能的同时，保持了代码的整洁性。最大复杂度仅增加到 4，主要是因为新元件的逻辑虽然复杂，但通过合理的方法拆分，避免了过度嵌套。比如 DecoderGate 的 getDecoderOutput () 方法，虽然逻辑步骤多，但每个步骤都清晰独立，没有复杂的嵌套分支。
4. 心得
程序 2 的设计难点在于处理新元件的复杂逻辑和差异化的输入输出格式，而多态和抽象类的灵活运用是解决这些问题的关键。通过让所有新元件都继承自 Gate 抽象类，并实现各自的输出逻辑，确保了现有架构不需要大的改动就能兼容新功能，体现了 “开闭原则”—— 对扩展开放，对修改关闭。
另外，针对不同元件的输出格式差异，在结果输出模块采用了 “分类处理” 的思路：普通门电路输出 “元件名 - 0: 信号”，译码器输出 “元件名：输出 0 的引脚号”，数据分配器输出 “元件名：包含无效状态的字符串”。这种设计既满足了题目要求，又保持了输出逻辑的清晰性。
还有一个重要的设计点是 “无效状态的处理”，题目要求输出时忽略输出无效的元件。通过在 Gate 抽象类中新增 isValid () 方法，让每个元件自行判断是否有效（比如三态门输出为 null 时无效，译码器控制条件不满足时无效），在输出时只需过滤掉 isValid () 返回 false 的元件即可，这种设计让无效状态的处理逻辑更加统一和高效。
三、采坑与改进

在两次数字电路模拟程序的编码和调试过程中，我踩了不少坑，这些坑有的是语法细节问题，有的是逻辑设计问题，还有的是边界情况考虑不周。每解决一个坑，都能让我对编程有更深的理解，下面就详细说说一些主要的踩坑。
程序1
1. 多输入引脚的信号获取问题
在实现 AndGate 类时，遍历所有输入引脚的信号，只要有一个为 false 就返回 false。但测试时发现，当多输入门的部分输入引脚没有连接时，程序会抛出空指针异常。当输入引脚没有连接时，对应的 inputSignals 中的值为 null，遍历的时候直接判断！getInputSignal (i)，会导致空指针异常。这是因为没有考虑到输入引脚未连接的情况，违背了题目中 “某个元件的引脚没有接有效输入，程序输出忽略该元件” 的要求。
解决方法：在 MultiInputGate 类的 isInputValid () 方法中，增加对所有输入引脚信号的非空判断，确保所有输入引脚都有有效信号后，才进行输出计算。如果有任何一个输入引脚信号为 null，isInputValid () 返回 false，getOutput () 返回 null，该元件会在输出时被忽略。
2. 元件输出顺序的排序问题
排序逻辑是先按元件类型排序，再按编号排序，但测试时发现，同或门的排序总是在异或门之前，不符合题目要求。检查 sortGates () 方法中的排序逻辑，发现 getTypeOrder () 方法中，XorGate 的顺序是 4，XnorGate 的顺序是 5，逻辑上是正确的。但在提取元件编号时，发现对于 XorGate 和 XnorGate，编号提取逻辑是正确的，但在排序时，编号是字符串类型，导致 “X10” 会排在 “X2” 前面（字典序排序）。
解决方法：修正编号提取后的排序逻辑，确保编号以整数形式进行排序。在 Gate 类中增加 getNumber () 方法，返回整数类型的编号，排序时直接使用该方法返回的整数进行比较，这样就能保证 “X2” 排在 “X10” 前面。
程序2
1. 三态门的输出无效处理问题
三态门的逻辑是 “控制引脚为低电平时，输出为高阻态（无效）”，一开始的实现是当控制引脚为低电平时，getOutput () 返回 false，但这样会导致程序误将无效输出当作低电平输出，不符合题目要求。题目要求 “如果某个元件的输入输出之间断开（如三态门），元件输出无效，程序输出忽略该元件”，发现问题出在 getOutput () 的返回值设计上。三态门导通时返回输入信号（true/false），断开时应该返回 null，表示输出无效，而不是返回 false。
解决方法：修正 TriStateGate 的 getOutput () 方法逻辑：当控制引脚为 false 时，返回 null；当控制引脚为 true 时，返回输入信号。同时，重写 isValid () 方法，判断 getOutput () 是否为 null，为 null 则返回 false，该元件会在输出时被忽略。
2. 优化元件创建逻辑
目前的 createGate () 方法通过很多 if-else 判断和正则表达式匹配创建不同类型的元件，代码冗长，不易维护。可以使用工厂模式优化元件创建逻辑：
创建 GateFactory 类，提供静态方法 createGate (String gateName)。
在 GateFactory 类中，为每种元件注册对应的创建器（Creator），创建器包含一个匹配元件名的正则表达式和一个创建元件的方法。
调用 createGate () 方法时，遍历所有创建器，找到匹配的创建器，调用其创建方法生成元件。
这种设计可以简化元件创建逻辑，后续新增元件时，只需新增一个创建器并注册到 GateFactory 中，无需修改现有代码，扩展性更好。
四、总结

通过这两次数字电路模拟程序和课堂测验，然后博客整理一遍，收获挺多的。
课堂测验考察了一些概念、Java语法、面向对象这些知识点，考的很全面，错题集中在接口、构造方法这些细节。比如混淆了extends和super的用法，把继承父类的关键字答成super，实际该用extends；还有构造方法复用，一开始直接写重复赋值代码，后来才懂要用this(n,a)调用重载构造，而且必须放在第一行。
第一次程序400多行代码，核心是把与门、或门等元件抽象成类。用Gate抽象类封装name、number等通用属性和getOutput()抽象方法，AndGate、OrGate继承MultiInputGate，重写calculateOutput()实现“全1出1”“有1出1”逻辑，体现了封装和继承思想。
第二次程序新增三态门、译码器等复杂元件，代码700多行。重点用了多态，所有新元件都继承Gate，重写isValid()判断输出是否有效，比如三态门控制引脚为低电平时返回null，输出时自动忽略。译码器要处理控制引脚（S1=1、S2+S3=0）和输入编码的逻辑，数据选择器靠getControlValue()计算控制端二进制值选择数据源，这些都让我体会了抽象类和多态具体是怎么使用的。
这段时间掌握了类的抽象设计、多态的复用等，后续希望多结合案例讲设计模式，作业中多些代码测试点，最大的感悟还是编程得多练才会进步。

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