实验3

task1

源代码

button.h

查看代码

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
class Button {
public:
	Button(const std::string& label_);
	const std::string& get_label() const;
	void click();
private:
	std::string label;
};
Button::Button(const std::string& label_) : label{ label_ } {
}
inline const std::string & Button::get_label() const {
	return label;
}
inline void Button::click() {
	std::cout << "Button '" << label << "' clicked\n";
}

window.h

查看代码

#pragma once
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "button.h"
// 窗口类
class Window {
public:
	Window(const std::string& title_);
	void display() const;
	void close();
	void add_button(const std::string& label);
	void click_button(const std::string& label);
private:
	bool has_button(const std::string& label) const;
private:
	std::string title;
	std::vector<Button> buttons;
};
Window::Window(const std::string& title_) : title{ title_ } {
	buttons.push_back(Button("close"));
}
inline void Window::display() const {
	std::string s(40, '*');
	std::cout << s << std::endl;
	std::cout << "window : " << title << std::endl;
	int cnt = 0;
	for (const auto& button : buttons)
		std::cout << ++cnt << ". " << button.get_label() << std::endl;
	std::cout << s << std::endl;
}
inline void Window::close() {
	std::cout << "close window '" << title << "'" << std::endl;
	click_button("close");
}
inline bool Window::has_button(const std::string& label) const {
	for (const auto& button : buttons)
		if (button.get_label() == label)
			return true;
	return false;
}
inline void Window::add_button(const std::string& label) {
	if (has_button(label))
		std::cout << "button " << label << " already exists!\n";
	else
		buttons.push_back(Button(label));
}
inline void Window::click_button(const std::string& label) {
	for (auto& button : buttons)
		if (button.get_label() == label) {
			button.click();
			return;
		}
	std::cout << "no button: " << label << std::endl;
}

task1.cpp

查看代码

#include "window.h"
#include <iostream>
void test() {
	Window w("Demo");
	w.add_button("add");
	w.add_button("remove");
	w.add_button("modify");
	w.add_button("add");
	w.display();
	w.close();
}
int main() {
	std::cout << "用组合类模拟简单GUI:\n";
	test();
}

运行结果

问题

问题1：这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

答：是组合关系。Window 类中包含 vector<Button>成员，Window 对象 “拥有” Button 对象，符合 has-a 关系。

问题2： bool has_button(const std::string &label) const; 被设计为私有。 思考并回答：
（1）若将其改为公有接口，有何优点或风险？
（2）设计类时，如何判断一个成员函数应为 public 还是 private？（可从“用户是否需要”、“是否仅为内部实现
细节”、“是否易破坏对象状态”等角度分析。）

答：（1）优点：允许外部判断按钮是否存在，增加灵活性；风险：暴露内部实现细节，可能被滥用导致逻辑混乱（如外部依赖此接口做非法操作）。

（2）判断依据：public 接口是类对外提供的服务，用户需要，需稳定且必要；private 接口是内部实现细节，用户不需要，避免破坏对象封装性和状态一致性。

问题3：Button 的接口 const std::string& get_label() const; 返回 const std::string& 。对比以下两种接口设计在性能和安全性方面的差异并精炼陈述。

接口1： const std::string& get_label() const;

接口2： const std::string get_label() const;

答：性能：接口 1 返回引用，避免字符串拷贝，效率更高；接口 2 返回副本，有额外拷贝开销。安全性：接口 1 返回 const 引用，防止外部修改内部数据；接口 2 返回副本，外部修改不影响内部，但拷贝成本高。

问题4：把代码中所有 xx.push_back(Button(xxx)) 改成 xx.emplace_back(xxx) ，观察程序是否正常运行；查阅资料，回答两种写法的差别。

答：程序可正常运行。区别：push_back(Button(xxx))先构造临时 Button 对象再移动到容器；emplace_back(xxx)直接在容器内存中构造 Button 对象，减少一次对象构造和析构，效率更高。

task2

源代码

task2.cpp

查看代码

#include <iostream>
#include <vector>

void test1();
void test2();
void output1(const std::vector<int> &v);
void output2(const std::vector<int> &v);
void output3(const std::vector<std::vector<int>>& v);

int main() {
    std::cout << "深复制验证1: 标准库vector<int>\n";
    test1();

    std::cout << "\n深复制验证2: 标准库vector<int>嵌套使用\n";
    test2();
}

void test1() {
    std::vector<int> v1(5, 42);
    const std::vector<int> v2(v1);

    std::cout << "**********拷贝构造后**********\n";
    std::cout << "v1: "; output1(v1);
    std::cout << "v2: "; output1(v2);
    
    v1.at(0) = -1;

    std::cout << "**********修改v1[0]后**********\n";
    std::cout << "v1: "; output1(v1);
    std::cout << "v2: "; output1(v2); 
}

void test2() {
    std::vector<std::vector<int>> v1{{1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}};
    const std::vector<std::vector<int>> v2(v1);

    std::cout << "**********拷贝构造后**********\n";
    std::cout << "v1: "; output3(v1);
    std::cout << "v2: "; output3(v2);

    v1.at(0).push_back(-1);

    std::cout << "**********修改v1[0]后**********\n";
    std::cout << "v1: \n";  output3(v1);
    std::cout << "v2: \n";  output3(v2);
}

// 使用xx.at()+循环输出vector<int>数据项
void output1(const std::vector<int> &v) {
    if(v.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }
    
    std::cout << v.at(0);
    for(auto i = 1; i < v.size(); ++i)
        std::cout << ", " << v.at(i);
    std::cout << '\n';  
}

// 使用迭代器+循环输出vector<int>数据项
void output2(const std::vector<int> &v) {
    if(v.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }
    
    auto it = v.begin();
    std::cout << *it;

    for(it = v.begin()+1; it != v.end(); ++it)
        std::cout << ", " << *it;
    std::cout << '\n';
}

// 使用auto for分行输出vector<vector<int>>数据项
void output3(const std::vector<std::vector<int>>& v) {
    if(v.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }

    for(auto &i: v)
        output2(i);
}

运行结果

问题

问题1：测试模块1中这两行代码分别完成了什么构造？ v1 、 v2 各包含多少个值为 42 的数据项

答：vector<int> v1(5, 42)是带参数的构造（初始化 5 个 42）；const vector<int> v2(v1)是拷贝构造。v1 和 v2 各含 5 个值为 42 的数据项。

问题2：测试模块2中这两行代码执行后, v1.size() 、 v2.size() 、 v1[0].size() 分别是多少？

答：v1.size()=2，v2.size()=2，v1[0].size()=3。

问题3：测试模块1中，把 v1.at(0) = -1; 写成 v1[0] = -1; 能否实现同等效果？两种用法有何区别？

答：能实现同等效果。区别：at(0)会做越界检查，抛出异常；v1[0]不做检查，越界时行为未定义。

问题4：测试模块2中执行 v1.at(0).push_back(-1); 后

（1） 用以下两行代码，能否输出-1？为什么？

（2）r定义成用 const & 类型接收返回值，在内存使用上有何优势？有何限制？

答：（1）能输出 - 1。因为 v1 是原对象，修改其内部 vector 会反映在返回的引用中。

       （2）优势：避免拷贝，节省内存；限制：不能修改引用指向的值（因 const 修饰）。

问题5：观察程序运行结果，反向分析、推断：

（1） 标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制还是浅复制？

（2） vector<T>::at() 接口思考： 当 v 是 vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型是什么？当 v 是 const

vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型又是什么？据此推断 at() 是否必须提供带 const 修饰的重载版本？

答：（1）深复制。因为修改原 vector 后，副本 vector 不受影响。

   （2）非 const vector<int>的 at (0) 返回 int&；const vector<int>的 at (0) 返回 const int&。必须提供 const 重载，否则 const 对象无法安全访问元素。

task3

源代码

vectorInt.h

查看代码

#pragma once

#include <iostream>

// 动态int数组对象类
class vectorInt {
public:
    vectorInt();
    vectorInt(int n_);
    vectorInt(int n_, int value);
    vectorInt(const vectorInt& vi);
    ~vectorInt();

    int size() const;
    int& at(int index);
    const int& at(int index) const;
    vectorInt& assign(const vectorInt& vi);

    int* begin();
    int* end();
    const int* begin() const;
    const int* end() const;

private:
    int n;     // 当前数据项个数
    int* ptr;  // 数据区
};

vectorInt::vectorInt() :n{ 0 }, ptr{ nullptr } {
}

vectorInt::vectorInt(int n_) : n{ n_ }, ptr{ new int[n] } {
}

vectorInt::vectorInt(int n_, int value) : n{ n_ }, ptr{ new int[n_] } {
    for (auto i = 0; i < n; ++i)
        ptr[i] = value;
}

vectorInt::vectorInt(const vectorInt& vi) : n{ vi.n }, ptr{ new int[n] } {
    for (auto i = 0; i < n; ++i)
        ptr[i] = vi.ptr[i];
}

vectorInt::~vectorInt() {
    delete[] ptr;
}

int vectorInt::size() const {
    return n;
}

const int& vectorInt::at(int index) const {
    if (index < 0 || index >= n) {
        std::cerr << "IndexError: index out of range\n";
        std::exit(1);
    }

    return ptr[index];
}

int& vectorInt::at(int index) {
    if (index < 0 || index >= n) {
        std::cerr << "IndexError: index out of range\n";
        std::exit(1);
    }

    return ptr[index];
}

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt& vi) {
    if (this == &vi)
        return *this;

    int* ptr_tmp;
    ptr_tmp = new int[vi.n];
    for (int i = 0; i < vi.n; ++i)
        ptr_tmp[i] = vi.ptr[i];

    delete[] ptr;
    n = vi.n;
    ptr = ptr_tmp;
    return *this;
}

int* vectorInt::begin() {
    return ptr;
}

int* vectorInt::end() {
    return ptr + n;
}

const int* vectorInt::begin() const {
    return ptr;
}

const int* vectorInt::end() const {
    return ptr + n;
}

task3.cpp

查看代码

#include "vectorInt.h"
#include <iostream>

void test1();
void test2();
void output1(const vectorInt& vi);
void output2(const vectorInt& vi);

int main() {
    std::cout << "测试1: \n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: \n";
    test2();
}

void test1() {
    int n;
    std::cout << "Enter n: ";
    std::cin >> n;

    vectorInt x1(n);
    for (auto i = 0; i < n; ++i)
        x1.at(i) = (i + 1) * 10;
    std::cout << "x1: ";  output1(x1);

    vectorInt x2(n, 42);
    vectorInt x3(x2);
    x2.at(0) = -1;
    std::cout << "x2: ";  output1(x2);
    std::cout << "x3: ";  output1(x3);
}

void test2() {
    const vectorInt  x(5, 42);
    vectorInt y;

    y.assign(x);

    std::cout << "x: ";  output2(x);
    std::cout << "y: ";  output2(y);
}

// 使用xx.at()+循环输出vectorInt对象数据项
void output1(const vectorInt& vi) {
    if (vi.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }

    std::cout << vi.at(0);
    for (auto i = 1; i < vi.size(); ++i)
        std::cout << ", " << vi.at(i);
    std::cout << '\n';
}

// 使用迭代器+循环输出vectorInt对象数据项
void output2(const vectorInt& vi) {
    if (vi.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }

    auto it = vi.begin();
    std::cout << *it;

    for (it = vi.begin() + 1; it != vi.end(); ++it)
        std::cout << ", " << *it;
    std::cout << '\n';
}

运行结果

问题

问题1：当前验证性代码中， vectorInt 接口 assign 实现是安全版本。如果把 assign 实现改成版本2，逐条指

出版本 2存在的安全隐患和缺陷。（提示：对比两个版本，找出差异化代码，加以分析）

查看代码

// 版本2
vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) {
delete[] ptr;
n = vi.n;
ptr = new int[n];
for(int i = 0; i < n; ++i)
ptr[i] = vi.ptr[i];
return *this;
}

答：未检查自赋值（如 vi 是自身，delete [] ptr 后 vi.ptr 也被释放，导致后续拷贝非法内存）；可能因 new 失败导致对象状态异常（原 ptr 已删除，新 ptr 未分配）。

问题2：当前验证性代码中，重载接口 at 内部代码完全相同。若把非 const 版本改成如下实现，可消除重复并

遵循“最小化接口”原则（未来如需更新接口，只更新const接口，另一个会同步）。

查看代码

int& vectorInt::at(int index) {
return const_cast<int&>(static_cast<const vectorInt*>(this)->at(index));
}

查阅资料，回答：

（1） static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是什么？转换前后 this 的类型分别是什么？转换目

的？

（2） const_cast<int&> 的作用是什么？转换前后的返回类型分别是什么？转换目的？

答：（1）作用：将非 const 的 this 指针转换为 const vectorInt*。转换前类型：vectorInt*；转换后：const vectorInt*。目的：调用 const 版本的 at () 接口，复用代码。

  （2）作用：移除 const 属性。转换前：const int&；转换后：int&。目的：在非 const 版本中返回可修改的引用，同时复用 const 版本的逻辑。

问题3： vectorInt 类封装了 begin() 和 end() 的const/非const接口。

以下代码片段，分析编译器如何选择重载版本，并总结这两种重载分别适配什么使用场景。

查看代码

vectorInt v1(5);
const vectorInt v2(5);
auto it1 = v1.begin(); // 调用哪个版本？
auto it2 = v2.begin(); // 调用哪个版本？

答：v1.begin()调用非 const 版本（int*），因 v1 是非 const 对象；v2.begin()调用 const 版本（const int*），因 v2 是 const 对象。非 const 迭代器用于修改元素，const 迭代器用于只读访问。

问题4：以下两个构造函数及 assign 接口实现，都包含内存块的赋值和复制操作。使用算法库 <algorithm> 改

成如下写法是否可以？回答这3行更新代码的功能。

查看代码

vectorInt::vectorInt(int n_, int value): n{n_}, ptr{new int[n_]} {
std::fill_n(ptr, n, value); // 更新
}
vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi): n{vi.n}, ptr{new int[n]} {
std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr); // 更新
}
vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) {
if(this == &vi)
return *this;
int *ptr_tmp;
ptr_tmp = new int[vi.n];
std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp); // 更新
delete[] ptr;
n = vi.n;
ptr = ptr_tmp;
return *this;
}

答：可以。std::fill_n(ptr, n, value)：将 ptr 指向的 n 个元素填充为 value；std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr)：将 vi.ptr 指向的 vi.n 个元素复制到 ptr。

task4

源代码

matrix.h

查看代码

#pragma once

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>

// 类Matrix声明
class Matrix {
public:
    Matrix(int rows_, int cols_, double value = 0); // 构造rows_*cols_矩阵对象, 初值value
    Matrix(int rows_, double value = 0);    // 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value
    Matrix(const Matrix& x);    // 深复制
    ~Matrix();

    void set(const double* pvalue, int size);   // 按行复制pvalue指向的数据，要求size=rows*cols,否则报错退出
    void clear();   // 矩阵对象数据项置0

    const double& at(int i, int j) const;   // 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项const引用（越界则报错后退出）
    double& at(int i, int j);   // 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项引用（越界则报错后退出）

    int rows() const;   // 返回矩阵对象行数
    int cols() const;   // 返回矩阵对象列数

    void print() const;   // 按行打印数据

private:
    int n_rows;      // 矩阵对象内元素行数
    int n_cols;       // 矩阵对象内元素列数
    double* ptr;    // 数据区
}; #pragma once

matrix.cpp

查看代码

#include"matrix.h"
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
// 类Matrix成员函数实现
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
	ptr = new double[n_rows * n_cols];
	std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
// 方阵构造函数
Matrix::Matrix(int rows_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(rows_) {
	ptr = new double[n_rows * n_cols];
	std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
// 复制构造函数
Matrix::Matrix(const Matrix& x) : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols) {
	ptr = new double[n_rows * n_cols];
	std::copy(x.ptr, x.ptr + n_rows * n_cols, ptr);
}
// 析构函数
Matrix::~Matrix() {
	delete[] ptr;
}
// 按行复制数据
void Matrix::set(const double* pvalue, int size) {
	if (size != n_rows * n_cols) {
		cerr << "Matrix::set error: size mismatch!" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}
// 矩阵数据项置0
void Matrix::clear() {
	std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0);
}
// 访问数据项
const double& Matrix::at(int i, int j) const {
	if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
		cerr << "Matrix::at error: index out of range!" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	return ptr[i * n_cols + j];
}
// 访问数据项
double& Matrix::at(int i, int j) {
	if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
		cerr << "Matrix::at error: index out of range!" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	return ptr[i * n_cols + j];
}
// 返回行数和列数
int Matrix::rows() const {
	return n_rows;
}
int Matrix::cols() const {
	return n_cols;
}
// 按行打印数据
void Matrix::print() const {
	for (int i = 0; i < n_rows; ++i) {
		for (int j = 0; j < n_cols; ++j) {
			cout << at(i, j) << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}

task4.cpp

查看代码

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include "matrix.h"

void test1();
void test2();
void output(const Matrix& m, int row_index);

int main() {
    std::cout << "测试1: \n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: \n";
    test2();
}

void test1() {
    double x[1000] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

    int n, m;
    std::cout << "Enter n and m: ";
    std::cin >> n >> m;

    Matrix m1(n, m);    // 创建矩阵对象m1, 大小n×m
    m1.set(x, n * m);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值

    Matrix m2(m, n);    // 创建矩阵对象m2, 大小m×n
    m2.set(x, m * n);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值

    Matrix m3(n);       // 创建一个n×n方阵对象
    m3.set(x, n * n);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m3赋值

    std::cout << "矩阵对象m1: \n";   m1.print();
    std::cout << "矩阵对象m2: \n";   m2.print();
    std::cout << "矩阵对象m3: \n";   m3.print();
}

void test2() {
    Matrix m1(2, 3, -1);
    const Matrix m2(m1);

    std::cout << "矩阵对象m1: \n";   m1.print();
    std::cout << "矩阵对象m2: \n";   m2.print();

    m1.clear();
    m1.at(0, 0) = 1;

    std::cout << "m1更新后: \n";
    std::cout << "矩阵对象m1第0行 "; output(m1, 0);
    std::cout << "矩阵对象m2第0行: "; output(m2, 0);
}

// 输出矩阵对象row_index行所有元素
void output(const Matrix& m, int row_index) {
    if (row_index < 0 || row_index >= m.rows()) {
        std::cerr << "IndexError: row index out of range\n";
        exit(1);
    }

    std::cout << m.at(row_index, 0);
    for (int j = 1; j < m.cols(); ++j)
        std::cout << ", " << m.at(row_index, j);
    std::cout << '\n';
}

运行结果

task5

源代码

contact.h

查看代码

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>

// 联系人类
class Contact {
public:
    Contact(const std::string& name_, const std::string& phone_);

    const std::string& get_name() const;
    const std::string& get_phone() const;
    void display() const;

private:
    std::string name;    // 必填项
    std::string phone;   // 必填项
};

Contact::Contact(const std::string& name_, const std::string& phone_) :name{ name_ }, phone{ phone_ } {
}

const std::string& Contact::get_name() const {
    return name;
}

const std::string& Contact::get_phone() const {
    return phone;
}

void Contact::display() const {
    std::cout << name << ", " << phone;
}

 contactBook.h

查看代码

# pragma  once

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "contact.h"

// 通讯录类
class ContactBook {
public:
    void add(const std::string& name, const std::string& phone); // 添加联系人
    void remove(const std::string& name); // 移除联系人
    void find(const std::string& name) const; // 查找联系人
    void display() const; // 显示所有联系人
    size_t size() const;

private:
    int index(const std::string& name) const;  // 返回联系人在contacts内索引，如不存在，返回-1
    void sort(); // 按姓名字典序升序排序通讯录

private:
    std::vector<Contact> contacts;
};

void ContactBook::add(const std::string& name, const std::string& phone) {
    if (index(name) == -1) {
        contacts.push_back(Contact(name, phone));
        std::cout << name << " add successfully.\n";
        sort();
        return;
    }

    std::cout << name << " already exists. fail to add!\n";
}

void ContactBook::remove(const std::string& name) {
    int i = index(name);

    if (i == -1) {
        std::cout << name << " not found, fail to remove!\n";
        return;
    }

    contacts.erase(contacts.begin() + i);
    std::cout << name << " remove successfully.\n";
}

void ContactBook::find(const std::string& name) const {
    int i = index(name);

    if (i == -1) {
        std::cout << name << " not found!\n";
        return;
    }

    contacts[i].display();
    std::cout << '\n';
}

void ContactBook::display() const {
    for (auto& c : contacts) {
        c.display();
        std::cout << '\n';
    }
}

size_t ContactBook::size() const {
    return contacts.size();
}

// 待补足1：int index(const std::string &name) const;实现
// 返回联系人在contacts内索引; 如不存在，返回-1
int ContactBook::index(const std::string& name) const {
    for(auto i = 0; i < contacts.size(); ++i) {
        if(contacts[i].get_name() == name) {
            return i;
        }
	}
}


// 待补足2：void ContactBook::sort();实现
// 按姓名字典序升序排序通讯录
void ContactBook::sort() {
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), [](const Contact& a, const Contact& b) {
        return a.get_name() < b.get_name();
    });
}

task5.cpp

查看代码

#include "contactBook.h"

void test() {
    ContactBook contactbook;

    std::cout << "1. add contacts\n";
    contactbook.add("Bob", "18199357253");
    contactbook.add("Alice", "17300886371");
    contactbook.add("Linda", "18184538072");
    contactbook.add("Alice", "17300886371");

    std::cout << "\n2. display contacts\n";
    std::cout << "There are " << contactbook.size() << " contacts.\n";
    contactbook.display();

    std::cout << "\n3. find contacts\n";
    contactbook.find("Bob");
    contactbook.find("David");

    std::cout << "\n4. remove contact\n";
    contactbook.remove("Bob");
    contactbook.remove("David");
}

int main() {
    test();
}

运行结果