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实战项目1：计算器

项目概述

实现一个功能完整的计算器，支持基本运算、科学计算和函数绘图功能。这是一个很好的入门项目，可以帮助你学习GUI编程、事件处理和数学函数的使用。

学习目标

  • 掌握Python GUI编程（tkinter）
  • 学习事件驱动编程
  • 理解表达式求值的原理
  • 掌握异常处理
  • 学习图形绘制（matplotlib）

功能需求

基本功能

  1. 基本运算：加、减、乘、除
  2. 括号优先级：支持括号改变运算顺序
  3. 清除功能：清除当前输入或全部清除
  4. 小数运算：支持小数点运算

进阶功能

  1. 科学计算：三角函数、对数、指数、根号
  2. 记忆功能：存储和读取计算结果
  3. 历史记录：显示计算历史
  4. 错误处理：处理各种错误情况

高级功能

  1. 函数绘图：绘制数学函数图像
  2. 进制转换：二进制、八进制、十六进制转换
  3. 复数运算：支持复数计算

实现方案

方案一：使用tkinter（推荐）

import tkinter as tk
from tkinter import messagebox
import math

class Calculator:
    """计算器类"""

    def __init__(self, root):
        self.root = root
        self.root.title("计算器")
        self.root.geometry("400x600")
        self.root.resizable(False, False)

        self.expression = ""
        self.memory = 0
        self.history = []

        self.create_widgets()

    def create_widgets(self):
        """创建界面组件"""
        # 显示区域
        self.display_var = tk.StringVar()
        self.display = tk.Entry(
            self.root, 
            textvariable=self.display_var,
            font=('Arial', 24),
            justify='right',
            state='readonly'
        )
        self.display.pack(fill=tk.X, padx=10, pady=10)

        # 按钮布局
        buttons = [
            ('C', '±', '%', '÷'),
            ('7', '8', '9', '×'),
            ('4', '5', '6', '-'),
            ('1', '2', '3', '+'),
            ('0', '.', '=', 'M')
        ]

        button_frame = tk.Frame(self.root)
        button_frame.pack(fill=tk.BOTH, expand=True, padx=10, pady=5)

        for i, row in enumerate(buttons):
            for j, text in enumerate(row):
                btn = tk.Button(
                    button_frame,
                    text=text,
                    font=('Arial', 18),
                    command=lambda t=text: self.button_click(t)
                )
                btn.grid(row=i, column=j, sticky="nsew", padx=2, pady=2)
                button_frame.grid_columnconfigure(j, weight=1)
                button_frame.grid_rowconfigure(i, weight=1)

    def button_click(self, text):
        """按钮点击事件处理"""
        if text == 'C':
            self.expression = ""
        elif text == '=':
            try:
                result = self.evaluate(self.expression)
                self.history.append(f"{self.expression} = {result}")
                self.expression = str(result)
            except Exception as e:
                messagebox.showerror("错误", str(e))
                self.expression = ""
        elif text == 'M':
            self.memory = float(self.expression) if self.expression else 0
            messagebox.showinfo("记忆", f"已存储: {self.memory}")
        elif text == '±':
            if self.expression:
                if self.expression[0] == '-':
                    self.expression = self.expression[1:]
                else:
                    self.expression = '-' + self.expression
        else:
            self.expression += text

        self.display_var.set(self.expression)

    def evaluate(self, expression):
        """计算表达式"""
        # 替换运算符
        expression = expression.replace('×', '*').replace('÷', '/')

        # 安全评估
        allowed_chars = set('0123456789+-*/.()')
        if not all(c in allowed_chars or c.isspace() for c in expression):
            raise ValueError("包含非法字符")

        try:
            result = eval(expression)
            return result
        except ZeroDivisionError:
            raise ValueError("除数不能为零")
        except SyntaxError:
            raise ValueError("表达式语法错误")
        except:
            raise ValueError("计算错误")

# 创建主窗口
root = tk.Tk()
calculator = Calculator(root)
root.mainloop()

方案二：命令行计算器

import re

class CommandLineCalculator:
    """命令行计算器"""

    def __init__(self):
        self.memory = 0
        self.history = []

    def evaluate(self, expression):
        """计算表达式"""
        # 替换运算符
        expression = expression.replace('^', '**')

        # 安全检查
        allowed = re.compile(r'^[\d+\-*/(). ]+$')
        if not allowed.match(expression):
            raise ValueError("包含非法字符")

        try:
            result = eval(expression)
            self.history.append(f"{expression} = {result}")
            return result
        except ZeroDivisionError:
            raise ValueError("除数不能为零")
        except:
            raise ValueError("表达式错误")

    def run(self):
        """运行计算器"""
        print("=== 命令行计算器 ===")
        print("输入表达式进行计算，输入 'exit' 退出")
        print("输入 'history' 查看历史记录")
        print("输入 'memory' 查看存储的值")
        print("输入 'M' 存储当前结果到内存")
        print("输入 'R' 读取内存中的值\n")

        while True:
            try:
                expression = input(">>> ")

                if expression.lower() == 'exit':
                    break
                elif expression.lower() == 'history':
                    for record in self.history[-10:]:  # 显示最近10条
                        print(f"  {record}")
                elif expression.lower() == 'memory':
                    print(f"内存: {self.memory}")
                elif expression == 'M':
                    if self.history:
                        self.memory = float(self.history[-1].split(' = ')[1])
                        print(f"已存储: {self.memory}")
                    else:
                        print("没有可存储的结果")
                elif expression == 'R':
                    print(f"内存: {self.memory}")
                else:
                    result = self.evaluate(expression)
                    print(f"= {result}")

            except ValueError as e:
                print(f"错误: {e}")
            except KeyboardInterrupt:
                print("\n再见！")
                break
            except Exception as e:
                print(f"错误: {e}")

# 运行
if __name__ == "__main__":
    calc = CommandLineCalculator()
    calc.run()

扩展功能

1. 添加科学计算功能

def scientific_calculate(self, expression):
    """科学计算"""
    import math

    # 替换函数名
    expression = expression.replace('sin', 'math.sin')
    expression = expression.replace('cos', 'math.cos')
    expression = expression.replace('tan', 'math.tan')
    expression = expression.replace('log', 'math.log10')
    expression = expression.replace('ln', 'math.log')
    expression = expression.replace('sqrt', 'math.sqrt')
    expression = expression.replace('exp', 'math.exp')
    expression = expression.replace('pi', 'math.pi')
    expression = expression.replace('e', 'math.e')

    return self.evaluate(expression)

2. 添加函数绘图功能

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

def plot_function(self, function_str, x_range=(-10, 10), points=1000):
    """绘制函数图像"""
    try:
        # 创建x值
        x = np.linspace(x_range[0], x_range[1], points)

        # 计算y值
        y = []
        for xi in x:
            try:
                # 替换x变量
                expr = function_str.replace('x', str(xi))
                yi = eval(expr)
                y.append(yi)
            except:
                y.append(np.nan)

        # 绘制图像
        plt.figure(figsize=(10, 6))
        plt.plot(x, y, label=f'y = {function_str}')
        plt.axhline(y=0, color='k', linestyle='-', linewidth=0.5)
        plt.axvline(x=0, color='k', linestyle='-', linewidth=0.5)
        plt.grid(True, linestyle='--', alpha=0.6)
        plt.xlabel('x')
        plt.ylabel('y')
        plt.title(f'函数图像: y = {function_str}')
        plt.legend()
        plt.show()

    except Exception as e:
        print(f"绘图错误: {e}")

# 使用示例
# plot_function('x**2')  # 绘制抛物线
# plot_function('math.sin(x)')  # 绘制正弦函数
# plot_function('math.exp(-x**2)')  # 绘制高斯函数

3. 添加进制转换功能

def convert_base(number, from_base, to_base):
    """进制转换"""
    # 将任意进制转换为十进制
    decimal = int(str(number), from_base)

    # 将十进制转换为目标进制
    if to_base == 2:
        return bin(decimal)[2:]
    elif to_base == 8:
        return oct(decimal)[2:]
    elif to_base == 10:
        return str(decimal)
    elif to_base == 16:
        return hex(decimal)[2:].upper()
    else:
        raise ValueError("不支持的进制")

# 使用示例
# convert_base(255, 10, 2)  # 十进制255转二进制: '11111111'
# convert_base('FF', 16, 10)  # 十六进制FF转十进制: '255'
# convert_base('1010', 2, 16)  # 二进制1010转十六进制: 'A'

测试用例

import unittest

class TestCalculator(unittest.TestCase):
    """计算器测试"""

    def setUp(self):
        self.calc = Calculator(None)

    def test_basic_operations(self):
        """测试基本运算"""
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("1+1"), 2)
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("2*3"), 6)
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("10-5"), 5)
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("8/2"), 4)

    def test_operator_precedence(self):
        """测试运算符优先级"""
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("2+3*4"), 14)
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("(2+3)*4"), 20)
        self.assertEqual(self.calc.evaluate("10-2*3"), 4)

    def test_decimal_operations(self):
        """测试小数运算"""
        self.assertAlmostEqual(self.calc.evaluate("1.5+2.5"), 4.0)
        self.assertAlmostEqual(self.calc.evaluate("3.14*2"), 6.28)

    def test_error_handling(self):
        """测试错误处理"""
        with self.assertRaises(ValueError):
            self.calc.evaluate("1/0")

        with self.assertRaises(ValueError):
            self.calc.evaluate("1+")

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

使用说明

GUI版本

  1. 运行程序：python calculator_gui.py
  2. 点击按钮输入表达式
  3. 按 "=" 计算结果
  4. 按 "C" 清除输入
  5. 按 "M" 存储结果到内存

命令行版本

  1. 运行程序：python calculator_cli.py
  2. 输入表达式并回车
  3. 输入 "exit" 退出
  4. 输入 "history" 查看历史

扩展建议

  1. 添加更多科学函数：反三角函数、双曲函数等
  2. 支持变量定义：定义变量和函数
  3. 添加主题切换：深色/浅色主题
  4. 支持键盘输入：使用键盘快捷键
  5. 添加单位转换：长度、重量、温度等
  6. 支持复数运算：复数四则运算
  7. 添加历史记录保存：将历史保存到文件
  8. 支持表达式解析：解析和显示中间结果

学习要点

通过这个项目，你将学习到：

  1. GUI编程：tkinter的基本使用
  2. 事件处理：按钮点击、键盘事件
  3. 字符串处理：表达式解析
  4. 异常处理：错误检测和处理
  5. 数据结构：列表、字典的使用
  6. 模块化编程：代码组织和复用
  7. 测试驱动开发：编写测试用例

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