上海理工大学数据结构课程设计：课程信息管理系统的设计实现。
为某学校计算机专业开发一个课程信息管理软件，该软件有三类 用户：管理员、教师和学生，其分别具有如下功能
管理员：
- 创建计算机专业课程信息
- 添加计算机专业课程信息
- 删除计算机专业课程信息
- 统计计算机专业开设课程的总数
- 查询每门课程修课人数
- 浏览计算机专业的课程信息
教师：
- 查询自己带的课程信息
- 查询自己带的班级学生信息
- 输入课程成绩
- 修改课程成绩
- 统计课程 90 分以上的人数、80~90 分的人数、60~80 分的人数、60 分以下的人数
学生：
- 查询课程信息
- 报名课程学习
- 取消课程学习
- 查询课程成绩
- 浏览所有课程信息
其中，课程信息至少包含：课程号、课程名、课程的学分、任课教师、上课时间、上课地点、考试成绩；
学生信息至少包含：学号、姓名、联系方式。
通过分析系统功能，我们确定涉及到的操作对象主要有三类：用户（User）、课程（Course）和学生选课（CourseSelection）。
对于用户（User）实体，我们选择使用顺序结构来组织各个属性字段，并进一步采用有序集合来存储多个用户实体的数据。具体的逻辑结构形式如图1-2-1所示：
在课程（Course）实体方面，我们也采用顺序数据结构以组织各个属性字段。值得注意的是，其中的“开课教师”属性字段专门用于存储对应的教师用户实体。与用户实体类似，我们也采用有序集合数据结构来汇聚和存储多个课程实体。该逻辑结构的具体形式如图1-2-2所展示。
在学生选课（CourseSelection）实体的设计方面，我们沿用与课程（Course）实体类似的数据存储结构。在“选课学生”和“选课课程”属性字段中，我们分别存储对应的学生和课程实体。该逻辑结构的具体形式如图1-2-3所示。
这种设计方案便于实施各种查询和修改操作，同时也为将来可能的功能扩展提供了灵活性。
为了实现多样的查询功能，包括基于教师身份查询所教授课程，以及基于学生身份查询已选课程等，同时优化代码的可重用性与可维护性，我们采取了一种策略，即将用于查询的数据结构（称为通用索引，Index）与各个实体类型（User、Course、CourseSelection）进行解耦。在这里，我们以实体的id作为主键，其他必要信息作为次要键，并通过通用索引创建多级索引。索引同样采用顺序结构组织各个属性字段，并使用有序集合存储多个索引的实体数据。具体的逻辑结构形式如图1-2-4所示。
在前述通用索引结构的基础上，我们设计了一系列专门的索引，以满足系统不同方面的需求。具体的索引结构、功能以及所存储的键（Key）和值（Value）的类型如表1-2-1所示。
| 索引名称 | 键（Key） | 链表内值（Value） | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| user_id_Index | 用户ID | 对应的用户结构体 | 便于通过用户ID快速检索用户信息，同时缓存从文件加载的数据 |
| user_name_Index | 用户姓名的哈希值 | 用户ID | 通过用户姓名的哈希值检索其ID |
| user_empId_Index | 用户学工号的哈希值 | 用户ID | 通过学工号的哈希值检索用户ID |
| user_file_Index | 用户ID | 存于系统文件中的用户数据文件名 | 映射用户ID与其在文件系统中的数据文件 |
| course_id_Index | 课程ID | 对应的课程结构体 | 便于通过课程ID快速检索课程信息，同时缓存从文件加载的数据 |
| course_name_Index | 课程名称的哈希值 | 课程ID | 通过课程名称的哈希值检索其ID |
| course_teacherId_Index | 教师ID | 教师所教授的课程ID | 便于查找教师负责的所有课程 |
| course_file_Index | 课程ID | 存于文件系统中的课程数据文件名 | 映射课程ID与其在文件系统中的数据文件 |
| selection_id_Index | 选课信息ID | 对应选课信息结构体 | 便于通过选课信息ID快速检索选课信息，同时缓存从文件加载的数据 |
| selection_userId_Index | 用户ID | 用户所选课程ID | 检索某个用户选择的所有课程 |
| selection_courseId_Index | 课程ID | 课程对应选课用户ID | 查找选修某一课程的所有用户 |
| selection_userId_courseId_Index | 用户ID与课程ID组合后计算的哈希值 | 选课信息ID | 通过用户ID和课程ID组合进行复合检索 |
| selection_file_Index | 选课信息ID | 存于文件系统中的选课信息数据文件名 | 映射选课信息ID与其在文件系统中的数据文件 |
| global_counter_Index | 对应不同数据，例如user、course、selection | 统计每个类型的数据包含多少条数据 | 用于全局计数，如统计不同实体类型的数据条数等 |
在存储操作对象时，目标是对各操作对象信息的各字段进行快速而准确的查询与修改。为实现该目标，我们选择使用结构体（Struct）的方式来对各实体进行存储。 用户（User）、课程（Course）与选课信息（CourseSelection）的结构体如下方代码所示：
// 用户
typedef struct {
int64 id; // 用户ID
char name[21], // 用户姓名
passwd[65], // 密码
empId[21]; // 学工号
int role; // 用户角色 0-学生 1-教师 2-管理员
char contact[201]; // 联系方式
int64 lastLoginTime; // 最后一次登录时间戳
} User;
// 课程
typedef struct {
int64 id; // 课程ID/课程号
char courseName[101],// 课程名称
description[501]; // 课程描述
int64 teacherId; // 任课老师ID
User *teacher; // 任课老师
int type, // 课程类型：0-必修 1-选修 2-公选 3-辅修
weekStart, // 开课周
weekEnd, // 结课周
currentMembers, // 当前报名人数
maxMembers; // 最大可报名人数
char location[101]; // 上课地点
double points; // 学分
int schedule[7][13]; // 每星期课程安排
} Course;
// 选课信息
typedef struct {
int64 id; // 选课ID
int64 studentId; // 学生ID
User *student; // 学生信息
int64 courseId; // 课程ID
Course *course; // 课程信息
int64 selectionTime; // 选择该课程的时间
int64 score; // 成绩
} CourseSelection;考虑到对内存空间的高效利用，我们选择采用链式存储结构来存储多个操作对象。链式存储结构在存储密度和存储灵活性方面展示出优越性，允许我们在不需连续内存空间的条件下，实现动态数据存储。
具体而言，用户（User）、课程（Course）和学生选课信息（CourseSelection）实体将被集成至2.1.1.2节所述的基于平衡二叉树（AVL Tree）实现的通用索引中，即user_id_Index、course_id_Index和selection_id_Index。
为了确保数据的持久性和一致性，我们采用了一种结构化的文件存储策略。具体地，不同类型的数据结构体将被分别存储在独立的文件夹内，以便于数据的加载和管理。以下是各种数据存储方式的详细描述：
课程数据文件（Course） 这类文件将被存储在data/course文件夹中，并使用.dat作为文件扩展名。目前，文件的命名约定是使用课程ID，这一规范可以根据后续需求进行调整。
用户数据文件（User）与选课数据文件（CourseSelection） 用户和选课的数据存储策略与课程数据高度相似，包括文件夹的布局和文件的命名规则，因此在这里不做重复说明。
通用索引采用平衡二叉树（AVL树）与链表的组合方式进行构建。由于平衡二叉树具有高效的结构特性，其可将单次查询操作的时间复杂度降至O(logN)。在二叉树中，节点的Key由特定哈希函数计算生成，其数据类型为int64；相应的Value则是链表节点（IndexListNode），链表中的数据区指向一个特定的Index数据结构。这个Index数据结构包含哈希值和相应的实体数据结构的指针。 上述通用索引的存储结构见图1-2-5。
通用索引涉及的相关代码定义如下：
// 索引类型
typedef enum {
INDEX_TYPE_INT64, // 整数
INDEX_TYPE_STRING, // 字符串
INDEX_TYPE_OBJECT // 对象
} IndexType;
// 索引
typedef struct {
int64 hash; // 哈希值
IndexType type; // 索引类型
void *data; // 数据
} Index;
// 索引链表
typedef struct IndexListNode {
Index index; // 索引
struct IndexListNode *next; // 下一个节点
} IndexListNode;
// AVL树节点
typedef struct AVLNode {
IndexListNode *list; // 索引链表
int height; // 节点高度
struct AVLNode *left; // 左子树
struct AVLNode *right; // 右子树
} AVLNode;在实现数据持久性与一致性的过程中，通用索引（Index）类型的实体将通过文件的形式被存储在data/index文件夹中，并采用.avl的文件扩展名。文件的命名规范是与相应的索引名称一致。
为了优化数据的加载和访问性能，我们采用了一种混合的数据加载策略，结合预加载和懒加载的特点。具体来说，系统在启动阶段会预先加载所有的索引数据，而实体数据（如课程、用户及选课数据）则采用懒加载的机制。以下是该策略的详细说明：
预加载索引 在系统启动时，所有的索引文件将被预先加载到内存中。这种预加载策略有助于减少在后续操作中的索引查询时间，从而提高系统的响应速度。
实体数据的懒加载 对于课程、用户和选课的实体数据，系统采用懒加载策略。具体而言，当某一函数调用需要访问这些实体数据时，系统会首先通过相应的file_Index索引查找数据所对应的文件名。随后，该文件会被加载到内存并存储在对应的id_Index中。
数据缓存 一旦实体数据被加载到内存中，它将被缓存以供后续的请求使用。这意味着在下一次相同的数据请求发生时，系统会直接从内存中返回这些缓存数据，从而避免了不必要的文件I/O操作。
通过这一混合数据加载策略，我们不仅降低了系统启动时的I/O负担，还提高了数据访问的效率和响应速度。这种机制进一步加强了系统的可扩展性和可维护性，同时也优化了资源的使用和管理。
以下是主程序的功能设计伪码，包括从系统初始化到执行相应功能的整体流程：
Function 主函数(){
配置显示设置(); // 切换控制台编码模式、设置标题等
加载中文转哈希函数的必要配置();
加载索引(); // 从文件中加载必需的索引
Label Login: // 标记登录标签，用于后续跳转
登录系统(); // 执行登录相关操作
// 登陆成功后
打印主菜单(); // 打印主菜单
}
Function 登录系统() {
String username = 从控制台获取用户名();
String password = 从控制台获取密码();
// 判断用户名或密码的格式是否正确
If (!Regex.match(USERNAME_PATTERN, username) or !Regex.match(PASSWORD_PATTERN, password)) {
显示错误信息(“用户名或密码不正确”);
continue;
}
String hashedPassword = hmac_sha256(password, SECRET); // 计算密码的hmac_sha256值
User *user = DB_getUserByEmpId(username); // 获取用户
if (!user || user.passwd != hashedPassword) {
显示错误信息(“用户名或密码错误”);
goto Login;
}
currentUser = user; // 设置登录状态
显示登陆成功信息();
}
Function 打印主菜单(){
Label Refresh;
初始化屏幕设置(); // 清屏、设置窗口大小等
Switch (currentUser.role){ // 根据不同角色显示不同菜单
Case 学生:
显示学生菜单();
Break;
Case 教师:
显示教师菜单();
Break;
Case 管理员:
显示管理员菜单();
Break;
Default:
显示报错信息(“未知用户角色”);
Goto Login;
}
Int choice = 从控制台读取选项();
// 由于选项最多不超过10个
If (choice not in [1..10])｛
显示报错信息(“无效选项”);
Goto Refresh;
｝
// 由于角色只有0、1、2，所以可以用这一特性区分不同角色的不同功能
Int parsedChoice = currentUser.role * 10 + choice;
执行相应操作(parsedChoice);
Goto Refresh; // 执行完毕后，还需继续读取下一个操作
}
Function 执行相应操作(parsedChoice){
Switch (parsedChoice){
Case a:
Case b:
某公共功能();
Break;
Case aa:
某角色独有功能();
Break;
// …
Default:
显示错误信息(“无效选项”);
Break;
}
}