C++命令行计算器

掌握C++编程技能对于现代编程世界至关重要。本文通过构建一个简单的命令行计算器项目，旨在帮助初学者实践C++编程，全方位体验从概念理解到代码实现，再到测试和优化的项目开发流程。项目实现基础加、减、乘、除运算，并通过错误处理增强用户交互体验，旨在通过实践提升编程技能和理解软件开发最佳实践。

项目目标与描述

在现代编程世界中，掌握基础的编程技能对每个人来说都至关重要。本教程旨在通过构建一个简单的计算器项目，帮助初学者实践C++编程技能，同时了解软件开发的基本流程和最佳实践。通过这个实践项目，我们将从概念理解到代码实现，再到测试和优化，全方位体验一个小型项目从无到有的过程。

功能概述

本项目将实现一个基础的命令行计算器，支持加、减、乘、除四种基本运算。用户可以输入两个操作数和运算符来执行计算。为了增强用户的交互体验，我们将考虑错误处理，以应对输入非法字符或分隔符的情况。

预备知识与环境搭建

基础C++语法复习

在开始之前，确保你对C++的基本语法有了解，包括但不限于变量、数据类型、控制结构、函数、类和对象等。对于这方面的复习资源，推荐慕课网上的课程。

开发环境配置

为了进行C++编程，你需要安装一个现代的C++编译器，如GCC、Clang或MSVC。推荐使用Visual Studio Code作为代码编辑器，配合终端工具（如Git Bash或Windows Terminal）进行代码编写和编译。

示例代码片段（命令行版本）

示例代码片段演示了基本的命令行计算器功能：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a, b;
    char op;
    cout << "请输入两个整数和一个运算符(+, -, *, /): ";
    cin >> a >> op >> b;
    switch (op) {
        case '+':
            cout << "结果: " << a + b << endl;
            break;
        case '-':
            cout << "结果: " << a - b << endl;
            break;
        case '*':
            cout << "结果: " << a * b << endl;
            break;
        case '/':
            if (b != 0) {
                cout << "结果: " << a / b << endl;
            } else {
                cout << "错误: 除数不能为零。" << endl;
            }
            break;
        default:
            cout << "错误: 无效的运算符。" << endl;
    }
    return 0;
}

示例代码片段（GUI版本）

示例代码片段展示如何使用Qt构建一个简单的GUI计算器：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QPushButton>
#include <QLineEdit>
#include <QVBoxLayout>
#include <QLabel>

class SimpleCalculator : public QWidget {
    Q_OBJECT
public:
    SimpleCalculator(QWidget* parent = nullptr) : QWidget(parent) {
        QVBoxLayout* layout = new QVBoxLayout(this);
        
        input = new QLineEdit(this);
        layout->addWidget(input);
        
        calcButton = new QPushButton("计算", this);
        layout->addWidget(calcButton);
        connect(calcButton, &QPushButton::clicked, this, &SimpleCalculator::calculate);
        
        resultLabel = new QLabel(this);
        layout->addWidget(resultLabel);
    }
    
private:
    void calculate() {
        QString inputStr = input->text();
        
        if (inputStr.contains('+')) {
            int a, b;
            char op;
            
            int pos = inputStr.indexOf('+');
            a = inputStr.left(pos).toInt(&ok);
            op = '+';
            b = inputStr.right(inputStr.size() - pos - 1).toInt(&ok);
            
            if (ok) {
                int result = a + b;
                resultLabel->setText(QString::number(result));
            } else {
                resultLabel->setText("错误: 输入格式不正确。");
            }
        } else {
            resultLabel->setText("错误: 输入未包含运算符。");
        }
    }

    QLineEdit* input;
    QPushButton* calcButton;
    QLabel* resultLabel;
    bool ok;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);
    SimpleCalculator calc;
    calc.show();
    return app.exec();
}

代码设计与结构规划

界面设计

命令行版本

• 输入模块：读取用户输入的操作数和运算符。
• 计算模块：执行运算。
• 输出模块：显示结果或错误信息。

GUI版本（可选）

• 输入模块：使用Qt的QLineEdit进行输入。
• 计算模块：通过按钮触发计算逻辑。
• 输出模块：使用QLabel显示结果或错误信息。

功能模块分解与实现策略

• 输入模块：使用std::cin读取用户输入，并通过分隔符识别操作数和运算符。
• 计算模块：设计运算函数，根据运算符执行加、减、乘、除运算。
• 输出模块：根据计算结果或错误情况，使用std::cout或QLabel显示结果或错误信息。
• 错误处理：在计算模块中增加异常处理，确保程序对非法字符或输入格式错误进行反应。

使用类与对象简化代码

通过定义Calculator类封装输入验证和计算逻辑，使得代码结构更清晰，易于维护和扩展。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Calculator {
private:
    string input;
    char operation;
    int num1, num2;

public:
    Calculator(string in) {
        input = in.substr(0, in.find(' '));
        operation = in[in.find(' ') + 1];
        num1 = stoi(input.substr(0, in.find(' ')));
        num2 = stoi(input.substr(in.find(' ' + 1)));
    }

    int performCalculation() {
        switch (operation) {
            case '+':
                return num1 + num2;
            case '-':
                return num1 - num2;
            case '*':
                return num1 * num2;
            case '/':
                if (num2 != 0) return num1 / num2;
                else return -1; // 表示除数为零
            default:
                return -2; // 表示运算符错误
        }
    }

    void displayResult() {
        if (result != -1) {
            cout << "结果: " << performCalculation() << endl;
        } else if (result == -2) {
            cout << "错误: 无效的运算符。" << endl;
        } else {
            cout << "错误: 除数不能为零。" << endl;
        }
    }
};

int main() {
    string input;
    cout << "请输入计算表达式，例如：12 + 8：";
    cin >> input;
    Calculator calc(input);
    calc.displayResult();
    return 0;
}

测试与调试

单元测试设计

设计测试用例覆盖不同场景，确保计算器功能的完整性和鲁棒性。

测试用例设计

• 正常输入：确保结果正确，如10 + 5应输出15。
• 非法运算符：验证错误处理，如输入10 *应输出错误: 无效的运算符。。
• 除数为零：确认错误提示正确，如输入10 / 0应输出错误: 除数不能为零。。

测试覆盖关键功能点

编写测试函数，覆盖不同的输入情况，并检查输出是否符合预期。

测试函数示例

void testCalculator() {
    Calculator calc1("10 + 5");
    calc1.displayResult(); // 应输出结果15
    Calculator calc2("10 - 5");
    calc2.displayResult(); // 应输出结果5
    Calculator calc3("10 * 5");
    calc3.displayResult(); // 应输出结果50
    Calculator calc4("10 / 5");
    calc4.displayResult(); // 应输出结果2
    Calculator calc5("10 / 0");
    calc5.displayResult(); // 应输出错误提示
    Calculator calc6("10 * 0");
    calc6.displayResult(); // 应输出结果0
    Calculator calc7("10 ++ 5");
    calc7.displayResult(); // 应输出错误提示
}

int main() {
    testCalculator();
    return 0;
}

项目完成与反思

完成项目后，回顾整个开发过程，总结遇到的挑战、解决问题的策略以及学习到的新知识。对于后续的优化和扩展，可以考虑添加更多的数学运算（如幂运算、平方根等）、支持浮点数运算、实现更加复杂的界面功能等。通过这样的实践，不仅能够巩固编程基础，还能培养问题解决和代码组织的能力。