Repository for the codes of Fundamentals of Programming, 2023 Fall
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Qt Creator 12.0.1 (Enterprise)
Qt 6.6.0 以及配套版本的 MinGW 编译器
我们选择使用 Qt Creator 进行大作业程序的编写。它提供了一条设计图形界面并将其与程序整合起来的简单途径。
在设计思路上，我们主要使用队列来模拟传送带，并使用向量来存储空地的状态。具体而言，我们在 qIn 与 qAns 两个队列中存储了当前关卡的输入序列与目标序列，并用 qOut 队列来存储当前的输出序列。在指令执行完成后，程序将比对 qAns 与 qOut，并以此判断关卡是否通过。
工程结构如下表所示。
- HumanResourceMachine
- Header Files
- widget.h
- Source Files
- main.cpp
- widget.cpp
- void on_backButton1_clicked()
- void on_backButton2_clicked()
- void on_backButton3_clicked()
- void on_startButton_clicked()
- void on_aboutButton_clicked()
- void on_exitButton_clicked()
- void on_volumnHorizontalSilder_valueChanged()
- void on_levelButton1_clicked()
- void on_levelButton2_clicked()
- void on_levelButton3_clicked()
- void on_levelButton4_clicked()
- void on_confirmNextStepButton_clicked()
- void drawStatus()
- void setUpBackground()
- void printSuccessMessage()
- void printFailMessage()
- void printErrorMessage()
- bool checkResult()
- int myToInt(QString)
- void renderLevelButton(int)
- Resources.qrc
- widget.ui
widget.hmain.cppwidget.cpp中实现了程序的大部分功能。on_backButton1_clicked()、on_backButton2_clicked()、on_backButton3_clicked()在按下不同页面的返回键时被调用。它们将程序的界面设置为上一级页面。on_startButton_clicked()在按下开始游戏键时被调用。它将试图读取储存于程序可执行文件所在目录中的存档userdata.txt，并根据其解锁可游玩的关卡。随后，它将程序界面设置为关卡选择页面。on_aboutButton_clicked()在按下设置键时被调用。它将程序的界面设置为设置页面。on_exitButton_clicked()在按下退出游戏键时被调用。它将目前已经通关的关卡编号写入userdata.txt中，随后关闭程序。on_volumnHorizontalSlider_valueChanged()在设置界面的音量滑块移动时被调用。它将程序背景音乐的音量设置为与滑块位置相对应的音量。on_levelButton1_clicked()、on_levelButton2_clicked()、on_levelButton3_clicked()分别在按下第一关、第二关、第三关键时被调用。它们将程序的界面设置为游戏页面，并根据大作业要求中的内容设置关卡信息。on_levelButton4_clicked()在第四关键被按下时被调用。它将弹出一个文件选择对话框并试图读取一个.json文件。若读取成功，则它将程序的界面设置为游戏页面，并根据.json文件中的信息设置关卡信息。on_confirmNextStepButton_clicked()在下一步/检查结果键被按下时被调用。它将读入一行游戏页面文本框中玩家输入的信息并检查其合法性，随后执行相关操作。drawStatus()在游戏页面更新时被调用。它将根据当前关卡目前的游戏状态，在页面上显示相关信息（如当前输入序列、目标输出序列、空地状态）。setUpBackground()在程序界面被设置为游戏页面时被调用。它将根据当前关卡的初始信息，在页面上显示相关信息（如可用指令集、可用空地数等）。printSuccessMessage()在关卡成功通过时被调用。它弹出一个对话框，显示当前关卡已成功完成。printFailMessage()在关卡失败时被调用。它弹出一个对话框，显示关卡失败，并提供重新开始与返回主菜单两个选项。printErrorMessage()在输入指令非法时被调用。它弹出一个对话框，显示关卡在当前位置出现了非法指令，并提供重新开始与返回主菜单两个选项。checkResult()在输入的指令执行完成后被调用。它比对当前输出序列与目标序列，并相应调用printSuccessMessage()或printErrorMessage()。myToInt(QString)在程序检查输入的指令参数时被调用。它检查当前指令的参数是否合法，若合法则返回参数，否则返回-1。renderLevelButton(int)在程序被设置为选关页面时被调用。它根据当前已通关的关卡来设置当前哪些关卡可以游玩。
Resources.qrc是程序的资源文件，储存了程序的背景音乐、字体与图片等。widget.ui中存储了程序图形界面的相关设置。
以 on_levelButton4_clicked() 为例。
// 开始第四关游戏
void Widget::on_levelButton4_clicked() {
// 重置
qIn.clear(), qOut.clear(), qAns.clear(), cmdSet.clear();
vec.clear(), existVec.clear(), cmdLines.clear();
existCurrentBlock = 0;
// 设置第四关游戏配置
currentLevel = 4;
// 从 JSON 文件中读取关卡配置
QString filePathName = QFileDialog::getOpenFileName(this, "打开", "./", "JSON 文件 (*.json)");
if (filePathName.isEmpty()) {
QMessageBox::warning(this, "警告", "已取消选择关卡！");
} else {
QFile openFile(filePathName);
openFile.open(QIODevice::ReadOnly);
QByteArray fileContents = openFile.readAll();
openFile.close();
QJsonObject jsonObj = QJsonDocument::fromJson(fileContents).object();
QJsonArray jsonArray = jsonObj.value("input").toArray();
for (const QJsonValue& element : jsonArray)
qIn.enqueue(element.toInt());
jsonArray = jsonObj.value("output").toArray();
for (const QJsonValue& element : jsonArray)
qAns.enqueue(element.toInt());
n = jsonObj.value("vacancy").toInt();
vec.resize(n);
existVec.resize(n);
jsonArray = jsonObj.value("cmd").toArray();
for (const QJsonValue& element : jsonArray) {
switch (element.toInt()) {
case 0:
cmdSet.enqueue("inbox");
break;
case 1:
cmdSet.enqueue("outbox");
break;
case 2:
cmdSet.enqueue("copyfrom");
break;
case 3:
cmdSet.enqueue("copyto");
break;
case 4:
cmdSet.enqueue("add");
break;
case 5:
cmdSet.enqueue("sub");
break;
case 6:
cmdSet.enqueue("jump");
break;
case 7:
cmdSet.enqueue("jumpifzero");
break;
default:
break;
}
}
ui->stackedWidget->setCurrentIndex(3);
setUpBackground();
}
}它所接受的 .json 文件应格式如下：
{
"input": [1, 2, 7, 7, 9, 3, 3, 3],
"output": [7, -3],
"vacancy": 6,
"cmd": [0, 1, 2, 3, 4, 5]
}仓库中的 example.json 即为此例。其中 input表示初始输入序列，output 表示目标输出序列，vacancy 表示可用空地数量，cmd 表示可用指令集。
指令集中的数字对应关系如下：
| 指令集中数字 | 指令 |
|---|---|
| 0 | inbox |
| 1 | outbox |
| 2 | copyfrom |
| 3 | copyto |
| 4 | add |
| 5 | sub |
| 6 | jump |
| 7 | jumpifzero |
成功读取后，函数将 input 序列存入队列 qIn 中，将 output 序列存入队列 qAns 中，根据 vacancy 的值设置向量 vec 与 existVec 的大小，并根据 cmd 设置关卡的可用指令集。
最后，函数将程序界面设置为游戏页面，然后调用 setUpBackground() 函数展示关卡信息。
代码如下：
void Widget::on_confirmNextStepButton_clicked() {
// 如果还没有开始执行指令
if (!doing) {
// 开始读入指令
QStringList allCmdLinesWithoutTrim = ui->cmdTextEdit->toPlainText().split("\n");
for (const QString& element : allCmdLinesWithoutTrim) {
QString contains;
int len = element.length();
for (int i = 0; i < len; i++) {
// 连续的两个空格，则前一个省略
if (element[i] == ' ' && i < len - 1 && element[i + 1] == ' ')
continue;
// 否则直接接到 contains 里
else
contains.append(element[i]);
}
// 再除去首尾空格
contains = contains.trimmed();
// 如果 contains 非空
if (contains.size())
cmdLines.push_back(contains);
}
// 指令数量
m = cmdLines.size();
// 输入的指令为空
if (m == 0) {
printFailMessage();
return;
}
currentCommand = 1;
qOut.clear();
// 设置输入框不可修改
ui->cmdTextEdit->setFocusPolicy(Qt::NoFocus);
ui->currentStepLabel->setText(cmdLines[currentCommand - 1]);
ui->confirmNextStepButton->setText("下一步");
doing = true;
} else {
if (currentCommand == m + 1) {
// 如果通关，则更新玩家进度
if (checkResult()) {
if (currentLevel != 4)
level = currentLevel;
renderLevelButton(level);
}
return;
}
// 当前指令
QString cmd = cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[0];
// 参数个数
int argc = cmdLines[currentCommand - 1].split(' ').size() - 1;
if (cmdSet.contains(cmd)) {
if (cmd == "inbox") {
if (argc != 0) {
printErrorMessage();
return;
}
if (qIn.empty()) {
checkResult();
}
currentBlock = qIn.front();
qIn.dequeue();
existCurrentBlock = true;
} else if (cmd == "outbox") {
if (existCurrentBlock == false || argc != 0) {
printErrorMessage();
return;
}
qOut.enqueue(currentBlock);
existCurrentBlock = false;
} else if (cmd == "add") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (existCurrentBlock == false || x >= vec.size() || x < 0 || existVec[x] == false || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
currentBlock += vec[x];
} else if (cmd == "sub") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (existCurrentBlock == false || x >= vec.size() || x < 0 || existVec[x] == false || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
currentBlock -= vec[x];
} else if (cmd == "copyto") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (existCurrentBlock == false || x >= vec.size() || x < 0 || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
vec[x] = currentBlock;
existVec[x] = true;
} else if (cmd == "copyfrom") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (x >= vec.size() || x < 0 || existVec[x] == false || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
currentBlock = vec[x];
existCurrentBlock = true;
} else if (cmd == "jump") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (x > m || x <= 0 || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
currentCommand = x;
ui->currentStepLabel->setText(cmdLines[currentCommand - 1]);
return;
} else if (cmd == "jumpifzero") {
int x = myToInt(cmdLines[currentCommand - 1].split(' ')[1]);
if (existCurrentBlock == false || x > m || x <= 0 || argc != 1) {
printErrorMessage();
return;
}
if (currentBlock == 0) {
currentCommand = x;
ui->currentStepLabel->setText(cmdLines[currentCommand - 1]);
return;
}
} else {
printErrorMessage();
return;
}
} else {
printErrorMessage();
return;
}
currentCommand++;
// 如果当前不是最后一步
if (currentCommand <= m) {
ui->currentStepLabel->setText(cmdLines[currentCommand - 1]);
} else { // 否则“下一步”按钮变为“检查”按钮，并且屏幕上显示的“当前指令”为空
ui->currentStepLabel->clear();
ui->confirmNextStepButton->setText("检查");
}
drawStatus();
}
}若还未读入指令（第一次点击 确认 键），函数将读入输入文本框中的全部内容，并去除其中空行与多余的空格，将其分割后存入列表 cmdLines 中，随后将 确认 键的文本改为 下一步。
若已经读入了指令，函数将按行进行以下操作：首先检查输入的指令是否在本关卡的可用指令集中，随后调用 myToInt(QString) 函数判断参数是否合法并获取参数；若未出现异常则执行指令，并在最后一条指令执行完成后调用 checkResult() 函数确认关卡是否成功通过。
// 判断一个字符串是否为自然数
int myToInt(QString str) {
for (auto x : str) {
// 即：不能出现除数字以外的字符
if (!x.isDigit())
return -1;
}
return str.toInt();
}myToInt(QString) 函数用于判断指令的参数是否合法。本次大作业中所有指令的参数最多只有一个，且不存在除数字外的字符（无小数点、无负号），可根据这一点进行判断。
程序共有四个界面。进入游戏将显示主界面：
通过此界面可以前往关卡选择界面，设置界面或者退出游戏。
从关卡选择界面可以前往四个关卡，或者返回主界面。
游戏界面显示了关卡的当前状态。玩家可以在页面**的文本框中输入指令。
设置界面可以调整游戏背景音乐的音量。
游戏可以正确执行每条指令，并能够在其出错时识别出来。
当前积木不存在时，程序会报错。
当前积木不存在时，程序会报错。
目标空地不存在积木时，程序会报错。
当前积木不存在时，程序会报错。
目标空地不存在积木时，程序会报错。
当前积木不存在时，程序会报错。
目标空地不存在时，程序会报错。
目标空地没有积木时，程序会报错。
目标空地不存在时，程序会报错。
目标指令不存在时，程序会报错。
当前方块不为0时，程序不会做任何操作。
目标指令不存在时，程序会报错。
当前积木不存在时，程序会报错。
本程序可以从一个 .txt 文件中读入指令。
在文本框为空时直接点击确认，则会出现弹窗，可以选择文件。
一个事例是当前目录下的 program.txt 文件：
inbox
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add 1
add 1
add 1
outbox
加载文件后，文件内的指令将会显示在文本框中，可以继续执行。
出现未定义指令
指令参数错误（为负数）
指令参数错误（不为整数）
指令参数错误（参数数量过多）
除此以外，本程序还可以自动去除玩家输入中的空行以及多余的空格，成功识别出指令及参数。
我们所设计的自由创新关卡如下：
若要游玩这一关卡，可以参考当前目录下的事例 extra_level.json，文件内容如下：
{
"input": [1],
"output": [2147483647],
"vacancy": 3,
"cmd": [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
}仓库中的 extra_level.json 即为此例。这一关卡的思路很简单，就是通过累加的方式将 1 变为2147483647。目标过大，直接 add 显然无法解决问题，考虑利用空位存储当前数字，每次将其加倍，然而也需要三十余次加倍的过程。为节省输入指令的量，可以考虑使用 jump 与 jumpifzero。
一个可行的输入指令序列如下：
inbox
copyto 2
copyto 0
copyto 1
add 0
jumpifzero 8
jump 3
copyfrom 1
sub 2
outbox
每次 jump 后，前两块空地，以及当前积木的数字都会加倍，而 2 号空地则保持 1 不变。
这一进程将持续到数字自然溢出，变为 -2147483648。
随后，在执行 add 0 后，当前积木将变为 0，满足 jumpifzero 的要求。
最后，通过 copyfrom 1 后 sub 2 将当前积木由 -2147483648 变为 2147483647 后输出，全过程仅需 10 行代码。
在本次大作业的开发过程中，熊泽恩负责 70% 的代码以及后续问题的调试，汪宇萌负责 30% 的代码、测试以及 UI 设计。
在整个开发过程中，我们遇到了不少困难与挑战。然而，通过一步步地查找资料、不断测试调试，我们最终摸索出了解决方法，完成了本次大作业的开发。这一经历是十分难忘并且充满教育意义的。我们增进了对应用开发的了解，更熟练地掌握了各类开发工具的使用，也亲身体会到了开发过程中复现问题、调试代码的重要与艰辛。
最后，我们由衷感谢清华大学计算机系 徐明星 老师的指导，以及助教们的答疑。
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