【C++】双温度转换与并联电阻计算的编程题分析与优化

💯前言

• 在编写数值计算程序时，准确性 和 代码的可维护性 是两个核心的目标。本篇文章通过两道与 物理计算 相关的编程题目深入探讨了 温度转换 和 电阻并联计算 的代码实现方式。通过比较不同的代码风格以及现代化编程的改进，旨在帮助读者理解如何编写更加 高效、简洁、且符合 现代编程规范 的代码。在此过程中，文章不仅涵盖了基础的算法实现，还特别强调了 输入输出的最佳实践、浮点数的精确控制、以及 代码模块化 的设计方法，以适应日益复杂的编程需求。
  C++ 参考手册
  

💯从华氏温度到摄氏温度的转换

温度表达转化

题目要求我们利用公式将华氏温度转换为摄氏温度，具体要求如下：

• 使用公式：

$$C=\frac{5\times (F-32)}{9}$$

其中$F$表示输入的华氏温度，$C$表示输出的摄氏温度。

• 输入格式：

  • 输入一行，包含一个实数$F$，表示华氏温度。
    -$F\ge -459.67$（即温度不能低于绝对零度）。

• 输出格式：

  • 输出一行，包含一个实数$C$，表示对应的摄氏温度，要求输出精确到小数点后 5 位。

• 输入输出示例：

  • 输入：

    41
    

  • 输出：

    5.00000
    

题目背景与华氏温度与摄氏温度的转换

华氏温度和摄氏温度是两种常用的温度计量单位。在科学计算中，理解温度的转换非常重要。公式如下：

$$C=\frac{5\times (F-32)}{9}$$

该公式中，摄氏温度$C$是通过从华氏温度$F$中减去 32，然后乘以 5/9 来计算的。这是因为华氏和摄氏的比例关系以及他们的起始基准点的不同。对于编程的任务来说，除了正确的计算外，格式化输出的要求也非常重要，这就是本题中要求精确到小数点后 5 位的部分。

初始代码与验证通过的解法

首先，是我编写的第一份代码，该代码是用C语言风格解决的，具体如下：

#include <cstdio>
int main() {
    double F; // 定义变量 F 存储华氏温度
    scanf("%lf", &F); // 从用户输入读取 F 的值
    printf("%.5f", 5.0 * (F - 32) / 9); // 按格式保留 5 位小数输出计算结果
    return 0;
}

代码分析

1. 输入部分：

   • 使用 scanf 从标准输入读取一个浮点数，并赋值给 F。%lf 用于读取类型为 double 的数据。

2. 计算部分：

   • 使用公式$5.0\times (F-32)/9$进行计算。
   • 使用 5.0 而非 5 是为了确保浮点数计算，避免整数除法带来的精度丢失问题。

3. 输出部分：

   • 使用 printf("%.5f", c)，其中 %.5f 保证输出结果精确到小数点后 5 位。

特点与优缺点

• 优点：

  • 代码简洁，直接利用 scanf 和 printf 进行输入输出，符合C语言风格。
  • 使用浮点数 5.0 来保证计算的精度。

• 缺点：

  • 使用了C语言风格的输入输出，虽然简洁，但与C++的标准流风格（cin/cout）不一致，不符合现代C++的推荐实践。

老师的代码：结合 C 与 C++ 的风格

老师在课堂上的代码使用了一种折衷的方式，将 C++ 的输入方式与 C 的输出方式结合在了一起。代码如下：

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

int main() {
    double F;
    cin >> F; // 使用 cin 从标准输入读取 F

    double c = 5 * (F - 32) / 9; // 按公式计算摄氏温度

    printf("%.5f", c); // 使用 printf 输出结果，保留 5 位小数
    return 0;
}

代码分析与对比

1. 输入部分：

   • 老师的代码使用了 cin 来读取输入。这是 C++ 标准流的一部分，使得代码更现代化，易于理解。

2. 输出部分：

   • 老师保留了 printf 进行输出，这种风格在一些场合下更容易实现精确的格式化输出，但它与 cin 风格不完全统一。

改进建议

为了让代码更加符合现代 C++ 风格，建议将输出部分也改为 cout，并结合 iomanip 进行格式化输出。

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

int main() {
    double F;
    cin >> F; // 从用户输入获取华氏温度

    double c = 5.0 * (F - 32) / 9; // 计算摄氏温度

    cout << fixed << setprecision(5) << c << endl; // 格式化输出
    return 0;
}

现代 C++ 的改进代码

在这份代码中，我们完全使用了 C++ 的输入输出方式，使得代码更易读，并且更符合现代 C++ 的推荐风格。

1. cin 和 cout：

   • 使用 cin 进行输入，cout 进行输出，这样可以使代码具有更高的可读性，且更符合 C++ 面向对象的设计理念。

2. 格式化输出：

   • fixed 和 setprecision(5) 用于控制 cout 的输出格式，fixed 表示定点格式输出，setprecision(5) 用于控制保留到小数点后 5 位。

💯并联电阻的计算

计算并联电阻的阻值

对于阻值为$r_1$和$r_2$的电阻，其并联电阻值公式计算如下：

$$R=\frac{1}{\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}}$$

• 输入格式：

  • 输入两个实数$r_1,r_2$，以一个空格分开。

• 输出格式：

  • 输出并联之后的阻抗大小，结果保留小数点后 2 位。

• 输入输出示例：

  • 输入：

    1 2
    

  • 输出：

    0.67
    

初始代码与验证通过的解法

首先，我们来看您编写的代码，该代码通过了测试，具体如下：

#include <cstdio>
int main() {
    int r1, r2;
    double R;
    scanf("%d %d", &r1, &r2);
    R = 1.0 / ((1.0 / r1) + (1.0 / r2));
    printf("%.2lf", R);
    return 0;
}

代码分析

1. 变量类型：

   • r1 和 r2 使用 int 类型来读取。这种情况下，如果电阻值是浮点数，会失去精度。因此，改进时可以将 r1 和 r2 定义为 double，这样可以处理浮点数输入。

2. 并联计算：

   • R = 1.0 / ((1.0 / r1) + (1.0 / r2)); 这里正确地将 1.0 作为除数，确保运算结果是浮点数。这样避免了整数除法带来的精度丢失。

3. 输入输出：

   • 使用 scanf 读取输入，printf 格式化输出，%.2lf 表示保留 2 位小数输出结果。

改进建议

1. 变量类型统一为浮点数：

   • 将 r1 和 r2 都声明为 double 类型，以确保能处理更精确的输入。
   • 代码改进如下：

     #include <cstdio>
     int main() {
         double r1, r2, R;
         scanf("%lf %lf", &r1, &r2);
         R = 1.0 / ((1.0 / r1) + (1.0 / r2));
         printf("%.2lf\n", R);
         return 0;
     }
     

2. 使用现代 C++ 风格：

   • 为了符合现代 C++ 的风格，可以使用 iostream 和 iomanip 进行输入和格式化输出：

     #include <iostream>
     #include <iomanip>
     using namespace std;
     
     int main() {
         double r1, r2;
         cin >> r1 >> r2;
         double R = 1.0 / ((1.0 / r1) + (1.0 / r2));
         cout << fixed << setprecision(2) << R << endl;
         return 0;
     }
     

     

   • 这里的 fixed 和 setprecision(2) 用于控制小数点后的位数。

3. 输入校验：

   • 可以考虑对输入进行简单的检查，例如，电阻值不能为 0，否则会导致除以零的错误。

     if (r1 == 0 || r2 == 0) {
         cout << "Invalid input: Resistance cannot be zero." << endl;
         return 1; // 非正常退出
     }
     

4. 代码的结构化与可维护性：

   • 可以考虑将并联电阻的计算提取为一个函数，方便代码的复用和结构化。

     double calculate_parallel_resistance(double r1, double r2) {
         if (r1 == 0 || r2 == 0) {
             throw invalid_argument("Resistance cannot be zero");
         }
         return 1.0 / ((1.0 / r1) + (1.0 / r2));
     }
     

   • 然后在主函数中调用这个计算函数，这样使得代码更加清晰和模块化：

     int main() {
         double r1, r2;
         cin >> r1 >> r2;
         try {
             double R = calculate_parallel_resistance(r1, r2);
             cout << fixed << setprecision(2) << R << endl;
         } catch (const invalid_argument& e) {
             cout << e.what() << endl;
         }
         return 0;
     }
     

老师的代码：结合 C 与 C++ 的风格

老师在课堂上的代码如下：

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

int main() {
    double r1, r2;
    cin >> r1 >> r2;

    double r = 1 / (1 / r1 + 1 / r2);
    printf("%.2lf\n", r);
    return 0;
}

代码分析

1. 输入方式：

   • 使用 cin 进行输入，符合 C++ 标准流风格，使得代码更现代化。

2. 输出方式：

   • 使用了 printf，这是一种 C 风格的输出方式，与 cin 不完全匹配。

改进建议

1. 输入输出风格统一：

   • 建议改为 cout，结合 iomanip，使代码更加符合 C++ 风格：

     #include <iostream>
     #include <iomanip>
     using namespace std;
     
     int main() {
         double r1, r2;
         cin >> r1 >> r2;
     
         double r = 1 / (1 / r1 + 1 / r2);
         cout << fixed << setprecision(2) << r << endl;
     
         return 0;
     }
     

     

2. 健壮性与可读性：

   • 增加输入检查，避免输入 0 值导致除零错误，使代码更加健壮。

3. 模块化改进：

   • 将计算提取到函数中，有助于提高代码的可读性和维护性，同时便于测试和复用。

     double calculate_parallel_resistance(double r1, double r2) {
         return 1 / (1 / r1 + 1 / r2);
     }
     
     int main() {
         double r1, r2;
         cin >> r1 >> r2;
         if (r1 == 0 || r2 == 0) {
             cout << "Invalid input: Resistance cannot be zero." << endl;
             return 1;
         }
         double r = calculate_parallel_resistance(r1, r2);
         cout << fixed << setprecision(2) << r << endl;
         return 0;
     }
     

     

💯小结

• 
  通过这两道题的讨论，我们学习了如何利用 C 和 C++ 的不同输入输出风格 解决问题，并且了解了如何改进代码使其更符合 现代 C++ 的编程习惯。同时，通过增加必要的 输入检查，代码的健壮性也能得到提高。此外，我们还学习了如何利用 模块化的方法，使代码更具结构化和可维护性。在编写高质量代码时，保持 风格的一致性、增加必要的 输入验证、以及 模块化设计，都是非常重要的编码实践。这些技巧不仅有助于代码的可读性和维护性，还能帮助我们更有效地处理复杂的逻辑和 潜在的错误情况。