OOP-实验2

实验任务1

源代码task1

// 类T的声明、友元函数声明

#pragma once

#include <string>

// 类T: 声明
class T
{
    // 对象属性、方法
public:
    T(int x = 0, int y = 0); // 普通构造函数
    T(const T &t);           // 复制构造函数
    T(T &&t);                // 移动构造函数
    ~T();                    // 析构函数

    void adjust(int ratio); // 按系数成倍调整数据
    void display() const;   // 以(m1, m2)形式显示T类对象信息

private:
    int m1, m2;

    // 类属性、方法
public:
    static int get_cnt(); // 显示当前T类对象总数

    static const std::string doc; // 类T的描述信息
    static const int max_cnt;     // 类T对象上限

private:
    static int cnt; // 当前类T对象数目

    friend void func(); // 类T友元函数声明
};

// 普通函数声明
void func();

const std::string T::doc{"a simple class sample"};
const int T::max_cnt = 999;
int T::cnt = 0;

// 类T的实现、友元函数实现

#include "T.h"
#include <iostream>
#include <string>

// 类T实现

// static成员数据类外初始化


// 类方法
int T::get_cnt()
{
    return cnt;
}

// 对象方法
T::T(int x, int y) : m1{x}, m2{y}
{
    cnt++;
    std::cout << "T constructor called." << std::endl;
}

T::T(const T &t) : m1{t.m1}, m2{t.m2}
{
    cnt++;
    std::cout << "T copy constructor called." << std::endl;
}

T::T(T &&t) : m1{t.m1}, m2{t.m2}
{
    cnt++;
    std::cout << "T move constructor called." << std::endl;
}

T::~T()
{
    cnt--;
    std::cout << "T destructor called." << std::endl;
}

void T::adjust(int ratio)
{
    m1 *= ratio;
    m2 *= ratio;
}

void T::display() const
{
    std::cout << "(" << m1 << ", " << m2 << ")";
}

// 普通函数实现
void func()
{
    T t5(42);
    t5.m2 = 2049;
    std::cout << "t5 = ";
    t5.display();
    std::cout << std::endl;
    std::cout << "func: T objects' current count: " << T::get_cnt() << std::endl;
}

// 简单类T的定义和测试
// 测试模块、main函数

#include "T.h"
#include <iostream>
#include <string>

// 测试函数声明
void test_T();

int main()
{
    std::cout << "test Class T: " << std::endl;
    test_T();

    std::cout << std::endl;
    std::cout << "test friend func: " << std::endl;
    func();
}

void test_T()
{
    using namespace std;

    cout << "T info: " << T::doc << endl;
    cout << "T objects'max count: " << T::max_cnt << endl;
    cout << "T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl;
    cout << endl;

    T t1;
    cout << "t1 = ";
    t1.display();
    cout << endl;

    T t2(3, 4);
    cout << "t2 = ";
    t2.display();
    cout << endl;

    T t3(t2);
    t3.adjust(2);
    cout << "t3 = ";
    t3.display();
    cout << endl;

    T t4(std::move(t2));
    cout << "t4 = ";
    t4.display();
    cout << endl;

    cout << "test: T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl;
}

运行测试截图

回答问题

问题1：T.h中，在类T内部，已声明 func 是T的友元函数。在类外部，去掉line36，重新编译，程序能否正常运行？如果能，回答YES；如果不能，以截图形式提供编译报错信息，说明原因。

不能；

原因：此时友元函数func只在类内进行了声明，而在类外是不可见的；因此如果想要在类外使用它就必须另外在类外声明。

问题2：T.h中，line9-12给出了各种构造函数、析构函数。总结它们各自的功能、调用时机。

默认构造函数：（1）功能：调用时无须提供参数；如果类中没有写构造函数，编译器会自动生成一个隐含的默认构造函数，该构造函数的参数列表和函数体皆为空，无法赋初值；如果类中已声明了任意的构造函数（无论是否有参数），编译器都不会再为之生成隐含的构造函数。（2）调用时机：当以不带任何参数的形式创建对象时

普通构造函数：（1）功能：用已给定的参数来初始化对象。（2）调用时机：当以带参数的形式创建对象时

复制构造函数：（1）功能：用同一类的另一个对象来初始化本对象。（2）调用时机：当用同类的一个对象初始化另一个新对象时

移动构造函数：（1）功能：右值引用同类的另一个对象来初始化新对象。（2）调用时机：当使用右值引用来初始化新对象时

析构函数：（1）功能：释放对象所占的内存及完成相关的“清理”工作。（2）调用时机：在对象生存期结束时由编译器自动调用

问题3：T.cpp中，line13-15，剪切到T.h的末尾，重新编译，程序能否正确编译。如不能，以截图形式给出报错信息，分析原因。

不能；

原因：将对 static 成员数据的初始化定义在 T.h 中，而 T.h 又被 T.cpp、task1.cpp 包含，因此相当于静态成员数据被多次定义，多重定义导致程序无法正确编译。

 

实验任务2

源代码task2

#include <string>

class Complex
{
    // 类属性、方法
public:
    static const std::string doc;

    // 对象属性、方法
public:
    Complex(double real = 0.0, double imag = 0.0);
    Complex(const Complex &c);

    double get_real() const;
    double get_imag() const;
    void add(const Complex &c);

private:
    double real, imag;

    // 友元函数
    friend void output(const Complex &c);
    friend double abs(const Complex &c);
    friend Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);
};

// 友元函数声明
void output(const Complex &c);
double abs(const Complex &c);
Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2);
bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);
bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);

#include "Complex.h"
#include <iostream>
#include <cmath>

// 类属性、方法实现
const std::string Complex::doc{"a simplified complex class"};

// 对象方法实现
Complex::Complex(double real, double imag) : real{real}, imag{imag} {}

Complex::Complex(const Complex &c) : real{c.real}, imag{c.imag} {}

double Complex::get_real() const
{
    return real;
}

double Complex::get_imag() const
{
    return imag;
}

void Complex::add(const Complex &c)
{
    real += c.real;
    imag += c.imag;
}

// 友元函数实现
void output(const Complex &c)
{
    if (c.imag >= 0)
        std::cout << c.get_real() << " + " << c.get_imag() << "i";
    else
        std::cout << c.get_real() << " - " << c.get_imag() * (-1.0) << "i";
}

double abs(const Complex &c)
{
    return std::sqrt(c.get_real() * c.get_real() + c.get_imag() * c.get_imag());
}

Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2)
{
    Complex c;
    c.real = c1.real + c2.real;
    c.imag = c1.imag + c2.imag;

    return c;
}

bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2)
{
    if (c1.real == c2.real && c1.imag == c2.imag)
        return true;
    return false;
}

bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2)
{
    if (is_equal(c1, c2))
        return false;
    return true;
}

// 不适用C++标准库提供的复数模板类，设计并实现一个简化版复数类Complex

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#endif

#include "Complex.h"
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <complex>

void test_Complex();
void test_std_complex();
void setConsoleUTF8()
{
#ifdef _WIN32
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
#endif
}

int main()
{
    setConsoleUTF8();
    
    std::cout << "*******测试1: 自定义类Complex*******" << std::endl;
    test_Complex();

    std::cout << std::endl;
    std::cout << "*******测试2: 标准库模板类complex*******" << std::endl;
    test_std_complex();
}

void test_Complex()
{
    using namespace std;

    cout << "类成员测试: " << endl;
    cout << Complex::doc << endl
         << endl;

    cout << "Complex对象测试: " << endl;
    Complex c1;
    Complex c2(3, -4);
    Complex c3(c2);
    Complex c4 = c2;
    const Complex c5(3.5);

    cout << "c1 = ";
    output(c1);
    cout << endl;

    cout << "c2 = ";
    output(c2);
    cout << endl;

    cout << "c3 = ";
    output(c3);
    cout << endl;

    cout << "c4 = ";
    output(c4);
    cout << endl;

    cout << "c5.real = " << c5.get_real()
         << ", c5.imag = " << c5.get_imag() << endl
         << endl;

    cout << "复数运算测试: " << endl;

    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;

    c1.add(c2);
    cout << "c1 += c2, c1 = ";
    output(c1);
    cout << endl;

    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << is_equal(c1, c2) << endl;
    cout << "c1 != c2 : " << is_not_equal(c1, c2) << endl;

    c4 = add(c2, c3);
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = ";
    output(c4);
    cout << endl;
}

void test_std_complex()
{
    using namespace std;

    cout << "std::complex<double>对象测试: " << endl;
    std::complex<double> c1;
    std::complex<double> c2(3, -4);
    std::complex<double> c3(c2);
    std::complex<double> c4 = c2;
    const std::complex<double> c5(3.5);

    cout << "c1 = " << c1 << endl;
    cout << "c2 = " << c2 << endl;
    cout << "c3 = " << c3 << endl;
    cout << "c4 = " << c4 << endl;

    cout << "c5.real = " << c5.real()
         << ", c5.imag = " << c5.imag() << endl
         << endl;

    cout << "复数运算测试: " << endl;
    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
    c1 += c2;
    cout << "c1 += c2, c1 = " << c1 << endl;
    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << (c1 == c2) << endl;
    cout << "c1 != c2 : " << (c1 != c2) << endl;
    c4 = c2 + c3;
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = " << c4 << endl;
}

运行测试截图

回答问题

问题1：比较自定义类 Complex 和标准库模板类 complex 的用法，在使用形式上，哪一种更简洁？函数和运算内在有关联吗？

标准库模板类 complex 更简洁；

函数和运算内在是等价的

问题2-1：自定义 Complex 中，output/abs/add/ 等均设为友元，它们真的需要访问私有数据吗？（回答"是/否"并给出理由）

不需要；

理由：output/abs/add 函数的参数都是一个 Complex 类的对象，当我们需要使用该对象的私有数据时，我们可以通过它的成员函数 get_real() 和 get_imag() 获取，没有必要直接访问私有数据，这样还破坏了类的封装性和隐藏性

问题2-2：标准库 std::complex 是否把 abs 设为友元？

否

问题2-3：什么时候才考虑使用 friend ? 总结你的思考。

使用公有接口会导致较大的性能开销时；当运算符需要在左右操作数上有对称的访问权限时

问题3：如果构造对象时禁用 = 形式，即遇到 Complex c4 = c2; 编译报错，类 Complex 的设计应如何调整？

此时禁用了复制构造函数的隐式拷贝，可以选择复制构造函数的显式拷贝，如 Complex c4(c2);

 

实验任务3

源代码task3

// 播放控制类PlayerControl声明

#pragma once

#include <string>

enum class ControlType
{
    Play,
    Pause,
    Next,
    Prev,
    Stop,
    Unknown
};

class PlayerControl
{
public:
    PlayerControl();

    // 实现std::string --> ControlType转换
    ControlType parse(const std::string &control_str);
    void execute(ControlType cmd) const; // 执行控制操作（以打印输出模拟）

    static int get_cnt();

private:
    static int total_cnt;
};

// 播放控制类PlayerControl实现

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cctype>

int PlayerControl::total_cnt = 0;

PlayerControl::PlayerControl() {}

ControlType PlayerControl::parse(const std::string &control_str)
{
    using namespace std;

    string control_str_trans;

    // 将control_str全部转为小写
    for (auto &c : control_str)
    {
        char t = tolower(c);
        control_str_trans += t;
    }

    if (control_str_trans == "play")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Play;
    }

    else if (control_str_trans == "pause")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Pause;
    }

    else if (control_str_trans == "next")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Next;
    }

    else if (control_str_trans == "prev")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Prev;
    }

    else if (control_str_trans == "stop")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Stop;
    }

    else
        return ControlType::Unknown;
}

void PlayerControl::execute(ControlType cmd) const
{
    switch (cmd)
    {
    case ControlType::Play:
        std::cout << "🎵 Playing music..." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Pause:
        std::cout << "[Pause] Music paused." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Next:
        std::cout << "[Next] Skipping to next track." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Prev:
        std::cout << "[Prev] Back to previous track." << std::endl;

    case ControlType::Stop:
        std::cout << "[Stop] Music stopped." << std::endl;
        break;

    default:
        std::cout << "[Error] unknown control." << std::endl;
        break;
    }
}

int PlayerControl::get_cnt()
{
    return total_cnt;
}

// 测试模块 + main

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

void test()
{
    PlayerControl controller;
    std::string control_str;
    std::cout << "Enter Control: (play/pause/next/prev/stop/quit): " << std::endl;

    while (std::cin >> control_str)
    {
        if (control_str == "quit")
            break;

        ControlType cmd = controller.parse(control_str);
        controller.execute(cmd);
        std::cout << "Current Player control: " << PlayerControl::get_cnt() << std::endl
                  << std::endl;
    }
}

int main()
{
    test();
    return 0;
}

控制台输出 emoji ：添加 UTF8 编码代码

// 播放控制类PlayerControl声明

#pragma once

#include <string>

enum class ControlType
{
    Play,
    Pause,
    Next,
    Prev,
    Stop,
    Unknown
};

class PlayerControl
{
public:
    PlayerControl();

    // 实现std::string --> ControlType转换
    ControlType parse(const std::string &control_str);
    void execute(ControlType cmd) const; // 执行控制操作（以打印输出模拟）

    static int get_cnt();

private:
    static int total_cnt;
};

// 播放控制类PlayerControl实现

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cctype>

int PlayerControl::total_cnt = 0;

PlayerControl::PlayerControl() {}

ControlType PlayerControl::parse(const std::string &control_str)
{
    using namespace std;

    string control_str_trans;

    // 将control_str全部转为小写
    for (auto &c : control_str)
    {
        char t = tolower(c);
        control_str_trans += t;
    }

    if (control_str_trans == "play")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Play;
    }

    else if (control_str_trans == "pause")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Pause;
    }

    else if (control_str_trans == "next")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Next;
    }

    else if (control_str_trans == "prev")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Prev;
    }

    else if (control_str_trans == "stop")
    {
        total_cnt++;
        return ControlType::Stop;
    }

    else
        return ControlType::Unknown;
}

void PlayerControl::execute(ControlType cmd) const
{
    switch (cmd)
    {
    case ControlType::Play:
        std::cout << "🎵 Playing music..." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Pause:
        std::cout << "⏸ Music paused." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Next:
        std::cout << "⏭ Skipping to next track." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Prev:
        std::cout << "⏮ Back to previous track." << std::endl;
        break;

    case ControlType::Stop:
        std::cout << "⏹ Music stopped." << std::endl;
        break;

    default:
        std::cout << "❌ unknown control." << std::endl;
        break;
    }
}

int PlayerControl::get_cnt()
{
    return total_cnt;
}

// 测试模块 + main

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#endif

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

void setConsoleUTF8()
{
#ifdef _WIN32
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
#endif
}

void test()
{
    PlayerControl controller;
    std::string control_str;
    std::cout << "Enter Control: (play/pause/next/prev/stop/quit): " << std::endl;

    while (std::cin >> control_str)
    {
        if (control_str == "quit")
            break;

        ControlType cmd = controller.parse(control_str);
        controller.execute(cmd);
        std::cout << "Current Player control: " << PlayerControl::get_cnt() << std::endl
                  << std::endl;
    }
}

int main()
{
    setConsoleUTF8();
    test();
    return 0;
}

运行测试截图

 

实验任务4

源代码task4

#pragma once

#include <string>

class Fraction
{
    // 类属性
public:
    static const std::string doc;

    // 对象属性、方法
public:
    Fraction(int up, int down = 1);
    Fraction(const Fraction &f);

    int get_up() const;
    int get_down() const;
    Fraction negative();

private:
    int up, down;
};

// 工具函数
namespace Utils
{
    void output(const Fraction &f);
    Fraction add(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    Fraction sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    Fraction mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    Fraction div(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    Fraction trans(Fraction &f);
}

#include "Fraction.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <cmath>

const std::string Fraction::doc{
    "Fraction类 v 0.01版.\n"
    "目前仅支持分数对象的构造、输出、加/减/乘/除运算."}; // 字符串中间不能直接换行

Fraction::Fraction(int up, int down) : up{up}, down{down} {}

Fraction::Fraction(const Fraction &f) : up{f.up}, down{f.down} {}

int Fraction::get_up() const
{
    return up;
}

int Fraction::get_down() const
{
    return down;
}

Fraction Fraction::negative()
{
    return Fraction(-up, down);
}

void Utils::output(const Fraction &f)
{
    int up = f.get_up();
    int down = f.get_down();

    if (down == 0)
    {
        std::cout << "分母不能为0" << std::endl;
        return;
    }

    if (down == 1)
    {
        std::cout << up;
        return;
    }

    if (up == 0)
    {
        std::cout << up;
        return;
    }

    int a = abs(f.get_up());
    int b = abs(f.get_down());
    // 求最大公约数
    while (b != 0)
    {
        int t = b;
        b = a % b;
        a = t;
    }
    up /= a;
    down /= a;

    if (down < 0)
    {
        up = -up;
        down = -down;
    }

    std::cout << up << "/" << down;
}

Fraction Utils::add(const Fraction &f1, const Fraction &f2)
{
    int down = f1.get_down() * f2.get_down();
    int up = f1.get_up() * f2.get_down() + f2.get_up() * f1.get_down();

    return Fraction(up, down);
}

Fraction Utils::sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2)
{
    int down = f1.get_down() * f2.get_down();
    int up = f1.get_up() * f2.get_down() - f2.get_up() * f1.get_down();

    return Fraction(up, down);
}

Fraction Utils::mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2)
{
    int up = f1.get_up() * f2.get_up();
    int down = f1.get_down() * f2.get_down();

    return Fraction(up, down);
}

Fraction Utils::div(const Fraction &f1, const Fraction &f2)
{
    int up = f1.get_up() * f2.get_down();
    int down = f1.get_down() * f2.get_up();

    return Fraction(up, down);
}

Fraction Utils::trans(Fraction &f)
{
    int up = f.get_up();
    int down = f.get_down();
    int a = abs(f.get_up());
    int b = abs(f.get_down());
    // 求最大公约数
    while (b != 0)
    {
        int t = b;
        b = a % b;
        a = t;
    }
    up /= a;
    down /= a;

    return Fraction(up, down);
}

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

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#endif

void test1();
void test2();
void setConsoleUTF8()
{
#ifdef _WIN32
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
#endif
}

int main()
{
    setConsoleUTF8();
    
    std::cout << "测试1: Fraction类基础功能测试" << std::endl;
    test1();

    std::cout << std::endl;
    std::cout << "测试2: 分母为0测试: " << std::endl;
    test2();
}

void test1()
{
    using namespace std;

    cout << "Fraction类测试: " << endl;
    cout << Fraction::doc << endl
         << endl;

    Fraction f1(5);
    Fraction f2(3, -4), f3(-18, 12);
    Fraction f4(f3);

    cout << "f1 = ";
    Utils::output(f1);
    cout << endl;

    cout << "f2 = ";
    Utils::output(f2);
    cout << endl;

    cout << "f3 = ";
    Utils::output(f3);
    cout << endl;

    cout << "f4 = ";
    Utils::output(f4);
    cout << endl;

    Fraction f5(f4.negative());
    cout << "f5 = ";
    Utils::output(f5);
    cout << endl;

    f5 = Utils::trans(f5);
    cout << "f5.get_up() = " << f5.get_up()
         << ", f5.get_down() = " << f5.get_down() << endl;

    cout << "f1 + f2 = ";
    Utils::output(Utils::add(f1, f2));
    cout << endl;

    cout << "f1 - f2 = ";
    Utils::output(Utils::sub(f1, f2));
    cout << endl;

    cout << "f1 * f2 = ";
    Utils::output(Utils::mul(f1, f2));
    cout << endl;

    cout << "f1 / f2 = ";
    Utils::output(Utils::div(f1, f2));
    cout << endl;

    cout << "f4 + f5 = ";
    Utils::output(Utils::add(f4, f5));
    cout << endl;
}

void test2()
{
    using namespace std;

    Fraction f6(42, 55), f7(0, 3);

    cout << "f6 = ";
    Utils::output(f6);
    cout << endl;

    cout << "f7 = ";
    Utils::output(f7);
    cout << endl;

    cout << "f6 / f7 = ";
    Utils::output(Utils::div(f6, f7));
    cout << endl;
}

运行测试截图

回答问题

问题：分数的输出和计算，output/add/sub/mul/div，你选择的是哪一种设计方案？（友元/自由函数/命名空间+自由函数/类+static）你的决策理由？如友元方案的优缺点、静态成员函数方案的适用场景、命名空间方案的考虑因素等。

选择的是 命名空间 + 自由函数

理由：友元方案会破坏类的封装性和隐藏性；静态成员函数方案会使类内有过多的函数方法，且不利于后续的扩展和维护；命名空间方案扩展性和维护性好，且更有利于团队协作

 

实验总结

1. 即使在类内声明了友元函数，在类外还要再声明一次，写在 X.h 文件里即可

2. 采用多文件结构时，静态数据成员的类外初始化不能写在 X.h 里，会导致多重定义，应该写在 X.cpp 里

3. 当控制台输出中文时显示乱码时，解决方法：

// task.cpp

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#endif

void setConsoleUTF8()
{
#ifdef _WIN32
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
#endif
}

int main()
{
    setConsoleUTF8();
}

4. 字符串中间不能直接换行，应该自换行处分开为多个字符串：

const std::string Fraction::doc{
    "Fraction类 v 0.01版.\n"
    "目前仅支持分数对象的构造、输出、加/减/乘/除运算."};