摘要：一個(gè)來(lái)自于程序設(shè)計(jì)的經(jīng)典問(wèn)題。注意事項(xiàng)負(fù)數(shù)問(wèn)題。和上一點(diǎn)是一樣的問(wèn)題，要確定方式是屬于具體的對(duì)象，還是屬于一個(gè)類(lèi)。

一個(gè)來(lái)自于C++程序設(shè)計(jì)的經(jīng)典問(wèn)題。如何定義一個(gè)分?jǐn)?shù)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)的約分化簡(jiǎn)，分?jǐn)?shù)之間的加法、減法、乘法、除法四則運(yùn)算？

剛看到這道題的時(shí)候，第一感覺(jué)是挺簡(jiǎn)單的啊，就是基本的面向?qū)ο螅x對(duì)應(yīng)的加減乘除類(lèi)就可以了啊，然而到了實(shí)現(xiàn)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)許多問(wèn)題是說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了許多的注意點(diǎn)，以及算法。

最終得出結(jié)論：這個(gè)問(wèn)題著實(shí)是考察程序員基本功的一道好題。

分?jǐn)?shù)類(lèi)設(shè)計(jì)的總體思路如下：

首先是分?jǐn)?shù)的表示，這就需要利用兩個(gè)變量保存分?jǐn)?shù)的分子和分母；

其次是約分和通分，由于分?jǐn)?shù)四則運(yùn)算中需要借助約分和通分來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此必須先考慮實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)算法。

加法和乘法的實(shí)現(xiàn)。利用約分和通分就可以輕松實(shí)現(xiàn)。

減法和除法的實(shí)現(xiàn)。是加法和乘法的逆運(yùn)算。和直接轉(zhuǎn)化為加法和乘法。

負(fù)數(shù)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題十分重要，在我們的算法中，都規(guī)定分母為正數(shù)，如果出現(xiàn)了分母為負(fù)數(shù)的情況，就分子分母同時(shí)乘以-1，把負(fù)數(shù)運(yùn)算放在分子上。

函數(shù)的副作用(side effect)。盡量不要在方法中改變?cè)瓉?lái)分?jǐn)?shù)的值，否則會(huì)產(chǎn)生副作用，導(dǎo)致后面的運(yùn)算出錯(cuò)，在代碼中會(huì)說(shuō)明。

靜態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法。和上一點(diǎn)是一樣的問(wèn)題，要確定方式是屬于具體的對(duì)象，還是屬于一個(gè)類(lèi)。

除法運(yùn)算中，除數(shù)不能等于0

構(gòu)造方法中有三個(gè)細(xì)節(jié)：一是使用了參數(shù)默認(rèn)值，默認(rèn)不寫(xiě)參數(shù)時(shí)，讓分子分母都等于1；二是在構(gòu)造方法中進(jìn)行了分母合法性的驗(yàn)證，分母等于0時(shí)直接返回錯(cuò)誤信息；三是對(duì)負(fù)值進(jìn)行了處理，使分?jǐn)?shù)的分母永遠(yuǎn)為正數(shù)，方便后續(xù)運(yùn)算。

/**
* 分?jǐn)?shù)運(yùn)算類(lèi)
*/
class Fraction 
{
    //定義分子和分母
    public $fenzi;
    public $fenmu;
    
    //構(gòu)造函數(shù)
    function __construct($fenzi = 1,$fenmu = 1)
    {
        if ($fenmu == 0) {
            return "分母不能為0";
        }
        if ($fenmu < 0) {
            $fenmu = -$fenmu;
            $fenzi = -$fenzi;
        }
        $this->fenzi = $fenzi;
        $this->fenmu = $fenmu;
    }
}

為了后續(xù)的約分和通分，必須先求出最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)。求最大公約數(shù)采用輾轉(zhuǎn)相除法，而最小公倍數(shù)由以下公式可求：

最小公倍數(shù) = （數(shù)A * 數(shù)B）/ 最大公約數(shù)

//求最大公約數(shù)用于約分
private static function _getmax($a, $b)
{
    if($a < 0) $a = -$a;
    if($b < 0) $b = -$b;
    $tmp = $a % $b;
    while($tmp != 0) {
        $a = $b;
        $b = $tmp;
        $tmp = $a % $b;
    }
    return $b;
}

//求最小公倍數(shù)用于通分
private static function _getmin($a, $b)
{
    if($a < 0) $a = -$a;
    if($b < 0) $b = -$b;   
    $max = self::_getmax($a,$b);
    $min = intval(($a * $b) / $max);
    return $min;
}

/**
 * 約分運(yùn)算，基本算法為分子分母同時(shí)除以最大公約數(shù)；
 * @return void 將對(duì)象的分子分母約分為最簡(jiǎn)形式    
 */
public function reduction()
{
    $max = $this->_getmax($this->fenzi,$this->fenmu);
    $this->fenzi = intval($this->fenzi / $max);
    $this->fenmu = intval($this->fenmu / $max);
}

這兩個(gè)方法全部都定義為靜態(tài)私有方法，只在類(lèi)內(nèi)調(diào)用且不需實(shí)例化。求最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)的算法其實(shí)還有很多種，@燼醬采用了另外一種方法，C++代碼如下：

/**
 * 求最大公約數(shù)并進(jìn)行約分
 * @return void
 */
int reduction()
{
    int i,comdiv,small,max;

    if(above1;i--)
    {
        if(small%i==0 &max%i==0 )
            break;
    }

    comdiv=i; //最大公約數(shù)
    if(i!=0)
    {
        above/=i;
        below/=i;
    }
    return 0;
}

這種方法的本質(zhì)就窮盡法，核心思想在于for循環(huán)當(dāng)中。同樣的，也可用此法求最小公倍數(shù)。

分?jǐn)?shù)加法的算法如下：

/**
 * 加法運(yùn)算，寫(xiě)成靜態(tài)方法，需要傳遞兩個(gè)分?jǐn)?shù)對(duì)象實(shí)例。加法的基本步驟為：
 * 1. 求兩個(gè)分母的最小公倍數(shù)；
 * 2. 利用最小公倍數(shù)進(jìn)行通分，此時(shí)分母就是最小公倍數(shù)，第一個(gè)分?jǐn)?shù)的分子等于原來(lái)的分子*(最小公倍數(shù)/原來(lái)的分母)，第二個(gè)分?jǐn)?shù)的分子同理；
 * 3. 分母不變，分子相加；
 * 4. 對(duì)結(jié)果進(jìn)行約分；
 * 
 * @param  fraction $fra1 分?jǐn)?shù)相加的加數(shù)1
 * @param  fraction $fra2 分?jǐn)?shù)相加的加數(shù)2  
 * @return fraction  $fra 分?jǐn)?shù)相加的計(jì)算結(jié)果
 */
public static function add($fra1, $fra2)
{
    $fra = new Fraction();
    $min = self::_getmin($fra1->fenmu,$fra2->fenmu);
    $fenzi_left = $fra1->fenzi * ($min / $fra1->fenmu);
    $fenzi_right = $fra2->fenzi * ($min / $fra2->fenmu);

    $fra->fenmu = $min;
    $fra->fenzi = $fenzi_left + $fenzi_right;
    $fra->reduction();
    return $fra;
}

/**
 * 減法運(yùn)算，加法的逆運(yùn)算，只需要將參數(shù)$fra2的分子取反，將減法運(yùn)算化為加法運(yùn)算
 * 
 * @param  fraction $fra1 分?jǐn)?shù)相減的被減數(shù)
 * @param  fraction $fra2 分?jǐn)?shù)相減的減數(shù)
 * @return fraction $fra 分?jǐn)?shù)相減的計(jì)算結(jié)果
 */
public static function minus($fra1, $fra2)
{
    $fra_t = new Fraction(-$fra2->fenzi,$fra2->fenmu);
    return self::add($fra1,$fra_t);
}

在上述算法中，定義了兩個(gè)靜態(tài)方法，每個(gè)方法需要傳入兩個(gè)分?jǐn)?shù)對(duì)象，之后就可以按上面的算法步驟進(jìn)行加法和減法運(yùn)算了。其中減法運(yùn)算只需要轉(zhuǎn)換為加法即可。需要注意的是，在減法運(yùn)算中，存在兩種可能的寫(xiě)法：

【寫(xiě)法1】

$fra2->fenzi = -$fra2->fenzi;

【寫(xiě)法2】

$fra_t = new Fraction(-$fra2->fenzi,$fra2->fenmu);

其中，第一種寫(xiě)法直接改變了減數(shù)分子的值，這里對(duì)減法本身的結(jié)果不會(huì)造成影響，表面上看是成立的，但其實(shí)這種寫(xiě)法產(chǎn)生了副作用，在計(jì)算乘法時(shí)，fra2就已經(jīng)不是最初的分?jǐn)?shù)值了，因此我們需要new一個(gè)新的對(duì)象，如寫(xiě)法2所示，這樣就不會(huì)產(chǎn)生副作用改變分?jǐn)?shù)2的值。

分?jǐn)?shù)乘數(shù)就比較簡(jiǎn)單了，如下所示：

/**
 * 乘法運(yùn)算，分子相乘，分母相乘之后再約分
 * 
 * @param  fraction $fra1 分?jǐn)?shù)相乘的乘數(shù)1
 * @param  fraction $fra2 分?jǐn)?shù)相乘的乘數(shù)2
 * @return fraction $fra 分?jǐn)?shù)相乘的計(jì)算結(jié)果
 */
public static function multiply($fra1,$fra2)
{
    $fra = new Fraction();

    $fenzi = $fra1->fenzi * $fra2->fenzi;
    $fenmu = $fra1->fenmu * $fra2->fenmu;

    $fra->fenzi = $fenzi;
    $fra->fenmu = $fenmu;
    $fra->reduction();
    return $fra;
}

/**
 * 除法運(yùn)算，乘法運(yùn)算的逆運(yùn)算，只需要將參數(shù)$fra2的分子分母調(diào)換，將除法運(yùn)算化為乘法運(yùn)算
 * 
 * @param  fraction $fra1 分?jǐn)?shù)相除的被除數(shù)
 * @param  fraction $fra2 分?jǐn)?shù)相除的除數(shù)
 * @return fraction       分?jǐn)?shù)相除的計(jì)算結(jié)果
 */
public static function divide($fra1,$fra2)
{
    $fra_t = new Fraction($fra2->fenmu,$fra2->fenzi);
    $fra = self::multiply($fra1,$fra_t);
    return $fra;
}

最后，我們需要寫(xiě)一個(gè)方法，把分?jǐn)?shù)以a/b的形式打印出來(lái)。

public function display()
{
    printf("%d/%d
",$this->fenzi,$this->fenmu);
}

這樣我們的分?jǐn)?shù)類(lèi)的定義完了。

下面展示運(yùn)行結(jié)果，先寫(xiě)一個(gè)調(diào)用：

$fra1 = new Fraction(3,4);
$fra1->display();

$fra2 = new Fraction(12,20);
$fra2->reduction();
$fra2->display();

$fra3 = Fraction::add($fra1,$fra2);
$fra3->display();

$fra4 = Fraction::minus($fra1,$fra2);
$fra4->display();

$fra5 = Fraction::multiply($fra1,$fra2);
$fra5->display();

$fra6 = Fraction::divide($fra1,$fra2);
$fra6->display();

如上，fra1期望直接打印出3/4, fra2對(duì)12/20先約分再輸出，期望是3/5，fra3是計(jì)算fra1和fra2的加法，fra4為減法，fra5為乘法，fra6為除法。結(jié)果如下所示：