SmartCalc

SmartCalc 是一个使用 C++17、CMake 和 Qt Widgets 编写的科学计算器课程项目。项目把计算逻辑、数学算法、历史记录、工具函数和图形界面分成独立模块，便于分工开发和后续扩展。

目前程序已经能够完成基础表达式计算、科学函数计算、矩阵运算、单位转换、函数绘图和历史记录展示。核心计算逻辑主要放在 core、math、storage、utils 中，Qt 界面只负责接收输入和显示结果。

功能说明

• 基础表达式：支持 +、-、*、/、^、括号、正负号和阶乘。
• 科学函数：支持 sin、cos、tan、ln、log、sqrt、abs、exp、squa、pow、fact。
• 常量与变量：支持 pi、e，函数绘图时支持变量 x。
• 矩阵运算：支持矩阵创建、加法、减法、乘法、转置、行列式、逆矩阵和线性方程组求解。
• 单位转换：支持长度、温度、角度之间的常用换算。
• 函数绘图：使用表达式求值器对 x 取样，并通过 Qt Charts 绘制曲线。
• 历史记录：基础计算、矩阵计算、单位转换和绘图操作会写入历史页面，并保存到本地文件。

项目结构

SmartCalc/
|-- src/
|   |-- core/       表达式解析、表达式树和求值
|   |-- math/       复数、矩阵、科学函数、单位转换等数学能力
|   |-- storage/    历史记录和设置管理
|   |-- utils/      字符串、数字格式、时间等通用工具
|   |-- gui/        Qt Widgets 图形界面
|   `-- main.cpp    程序入口
|-- tests/          模块测试
|-- docs/           项目资料或补充文档
|-- CMakeLists.txt  CMake 构建配置
|-- .gitignore      Git 忽略规则
`-- README.md       项目说明

模块关系

main.cpp
   |
   v
MainWindow
   |
   |-- BasicCalcPage  -> core::Evaluator
   |-- PlotPage       -> core::Evaluator + Qt Charts
   |-- MatrixPage     -> math::Matrix / MatrixSolver
   |-- UnitPage       -> math::UnitConverter
   |-- HistoryPage    -> storage::HistoryManager
   `-- SettingsDialog -> storage::SettingsManager / QSettings

主要文件说明

src/core

文件	作用
Token.h/.cpp	定义表达式中的数字、运算符、括号、函数名、变量等 Token
Lexer.h/.cpp	将用户输入的字符串拆分成 Token 序列
Parser.h/.cpp	按运算符优先级解析表达式，生成抽象语法树
ASTNode.h/.cpp	保存表达式树节点，包括数字、变量、一元运算、二元运算和函数
Evaluator.h/.cpp	遍历语法树并计算结果，也提供直接计算字符串表达式的接口
OperatorTable.h/.cpp	统一保存运算符优先级和结合方向
CalcException.h/.cpp	定义词法、语法、求值阶段使用的异常类型

表达式计算流程：

输入字符串 -> Lexer -> Token 序列 -> Parser -> ASTNode 表达式树 -> Evaluator -> double 结果

src/math

文件	作用
ComplexNumber.h/.cpp	复数类，支持四则运算、模长和共轭
Matrix.h/.cpp	矩阵类，支持创建、访问、加减、乘法、数乘和转置
MatrixSolver.h/.cpp	矩阵高级运算，支持行列式、逆矩阵和线性方程组求解
ScientificFunction.h/.cpp	三角函数、对数、开方、幂运算、阶乘等科学计算
FunctionSampler.h/.cpp	在区间内对函数进行等距采样
UnitConverter.h/.cpp	长度、温度、角度单位转换

src/storage

文件	作用
HistoryRecord.h/.cpp	表示一条历史记录，包括表达式、结果和时间
HistoryManager.h/.cpp	管理历史记录的添加、删除、搜索、保存和加载
SettingsManager.h/.cpp	管理角度模式、精度、主题等设置
JsonStorage.h/.cpp	负责历史记录的文件保存和读取

src/utils

文件	作用
StringUtil.h/.cpp	去空格、大小写转换、分割、拼接、替换和数字字符串判断
NumberFormat.h/.cpp	普通格式、定点格式、科学计数法、百分比格式和浮点近似比较
TimeUtil.h/.cpp	当前日期时间、文件安全时间戳、Unix 时间戳和自定义时间格式

src/gui

文件	作用
MainWindow.h/.cpp	主窗口，负责菜单、页面切换、历史记录加载保存和页面信号连接
BasicCalcPage.h/.cpp	基础计算器页面，调用 Evaluator 得到表达式结果
PlotPage.h/.cpp	函数绘图页面，调用 Evaluator 对 x 取样并绘图
MatrixPage.h/.cpp	矩阵页面，调用 Matrix 和 MatrixSolver 完成矩阵计算
UnitPage.h/.cpp	单位转换页面，调用 UnitConverter 完成换算
HistoryPage.h/.cpp	历史记录页面，显示、清空和双击复用历史输入
SettingsDialog.h/.cpp	设置对话框，提供精度、角度模式、主题等设置入口

tests

文件	作用
test_expression.cpp	测试表达式运算、函数、常量和变量 x
test_exception.cpp	测试非法表达式、除零、非法函数参数等异常情况
test_math.cpp	测试复数、科学函数、函数采样和单位转换
test_matrix.cpp	测试矩阵基础运算、行列式、逆矩阵和线性方程组
test_storage.cpp	测试历史记录和设置保存加载
test_utils.cpp	测试字符串、数字格式和时间工具函数

构建与运行

运行环境

项目使用 C++17 和 CMake 构建。运行图形界面版本需要准备以下环境：

配置项	要求
操作系统	Windows
CMake	3.16 或更高版本
C++ 编译器	MSVC 2022 x64，或与 Qt Kit 匹配的编译器
Qt	Qt 6，需安装 Widgets 和 Charts 组件
Qt 示例路径	E:/Qt/6.11.1/msvc2022_64

如果只运行核心模块测试，可以不启用 Qt；如果运行 GUI，需要让 CMake 能找到 Qt 安装目录。可以在配置前设置：

$env:CMAKE_PREFIX_PATH="E:\Qt\6.11.1\msvc2022_64"

运行核心测试

核心测试不依赖 Qt，适合先检查表达式、矩阵、存储和工具函数是否正常：

cmake -S . -B out/core-tests -DSMARTCALC_ENABLE_QT=OFF -DSMARTCALC_BUILD_TESTS=ON
cmake --build out/core-tests --target test_expression test_matrix test_math test_exception test_storage test_utils
ctest --test-dir out/core-tests --output-on-failure

运行图形界面

图形界面需要启用 Qt，并使用和 Qt Kit 匹配的 MSVC x64 环境。命令行构建示例：

$env:CMAKE_PREFIX_PATH="E:\Qt\6.11.1\msvc2022_64"
cmake -S . -B out/gui -G "Visual Studio 17 2022" -A x64 -DSMARTCALC_ENABLE_QT=ON -DSMARTCALC_BUILD_TESTS=OFF
cmake --build out/gui --config Debug
.\out\gui\Debug\SmartCalc.exe

如果在 Visual Studio 中打开项目，可以在 CMake 配置中保持以下选项：

SMARTCALC_ENABLE_QT=ON
SMARTCALC_BUILD_TESTS=OFF
CMAKE_PREFIX_PATH=E:/Qt/6.11.1/msvc2022_64

CMake 构建完成后会调用 windeployqt 复制 Qt 运行所需文件，生成的 SmartCalc.exe 可直接从构建目录启动。

三角函数是角度还是弧度

当前表达式求值使用弧度制。例如：

sin(pi/2) = 1
cos(0) = 1

如果要输入角度，可以先用单位转换页面把角度转成弧度，再放进表达式。

AI 工具使用说明

本项目部分代码在编写和完善过程中使用了 AI 工具辅助生成或修改，主要涉及以下文件：

• src/core/ASTNode.cpp
• src/core/CalcException.cpp
• src/core/Evaluator.cpp
• src/storage/SettingsManager.cpp
• src/storage/JsonStorage.cpp
• CMakeLists.txt

AI 工具主要用于辅助补全基础逻辑、异常处理和文件读写流程以及cmake文件编写，最终代码已结合项目接口进行人工检查与测试。