实验作业3

实验三：类和对象基础编程2

实验任务1

代码

task1.cpp

#include "window.hpp"
#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();
}

window.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "button.hpp"

// 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;
}

button.hpp

#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";
}

运行截图

问题

问题1

是组合关系。因为Window 类中包含 std::vector<Button> buttons 成员，Button 对象作为 Window 的一部分存在，两者生命周期一致，当 Window 对象销毁时，其内部的 Button 对象也会被销毁；Button 对象由 Window 直接管理，外部无法直接访问或操作这些 Button。

问题2

（1）优点：允许外部查询按钮是否存在，增加灵活性。

缺点：1.用户可能重复实现 click_button 等功能，比如先 has_button 再 click_button。

2.暴露实现细节，用户需知道按钮用 vector 存储，且通过 label 匹配。

3.破坏封装性，用户可能依赖此函数实现逻辑，导致高耦合，如果未来数据结构改了的话，会导致用户的代码也得跟着一起改。

（2）1.用户是否需要的角度：如果该函数是类提供给外部的功能，是用户必需的，则设为public；如果仅用于内部辅助，用户没必要用到，则设为private。
2.是否仅为内部实现细节的角度：如果该函数是内部实现的一部分，并不希望用户调用，则设为private，避免用户依赖内部细节，否则要看情况，酌情考虑public。
3.是否易破坏对象状态的角度：如果该函数可能破坏对象的状态，修改内部数据，或者执行某些不该由用户直接触发的操作，则应该设为private，并通过public函数封装。

问题3

（1）性能：接口1：返回常引用，避免了字符串的拷贝，性能更高，特别是当字符串较长时。

接口2：返回字符串的副本（值），会进行拷贝，性能相对较低。

（2）安全性：接口1：返回引用，虽然避免了拷贝，但需要注意返回的引用的生命周期。这里返回的是成员变量的引用，而成员变量的生命周期与对象一致，只要调用者不在对象销毁后使用该引用，则是安全的。但返回引用会暴露内部数据，虽然加了const，但外部仍然可以通过这个引用持有数据，而且如果外部保存了这个引用，而内部数据改变，按钮的标签被修改或者对象被销毁，则引用可能失效或悬空。

接口2：返回副本，外部得到的是全新的字符串，与内部数据无关，因此更安全，不会因为内部数据的改变而受影响，也不会出现悬空引用。

问题4

程序运行正常

使用push_back(Button(label))，会构造临时 Button 对象，而 emplace_back(label)直接在容器内构造 Button，无临时对象。前者有额外开销，后者更高效，甚至后者更简洁。

实验任务2

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);
}

运行截图

问题

问题1

构造1：调用 v1 的构造函数，创建包含 5个值为42 的整数向量。

构造2：调用 v2 的拷贝构造函数，深复制 v1 的所有元素。

v1,v2各包含5个值为42的元素。

问题2

因为外层容器有2个子向量，所以v1.size() = v2.size() = 2

因为第一个子向量有3个元素，所以v1[0].size() = 3

问题3

能实现同样的效果。

区别：at()：进行边界检查，越界时抛出 std::out_of_range 异常。

operator[]：不检查边界，越界行为未定义，可能崩溃或数据损坏。

问题4

（1）可以，r 直接引用 v1[0] 的内存，push_back(-1) 后 r.size()-1 位置上就是 -1。

（2）优点：避免拷贝开销，且防止意外修改。

限制：不能通过 cr 调用非 const 成员函数。

问题5

（1）是深复制，因为修改 v1 后 v2 不受影响，说明每个元素是独立复制的。

（2）v.at(0) 返回可修改元素的引用T&，题中就是int型元素的引用；

const_v.at(0) 返回只读引用 const T&，题中就是const int型元素的引用。

at()必须提供 const 重载版本，否则 const 对象无法调用。

实验任务3

代码

task3.cpp

#include "vectorInt.hpp"
#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';
}

vectorInt.hpp

#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;
}

运行截图

问题

问题1

相比原来的代码，delete[] ptr;前置，则当 this == &vi 时，delete[] ptr 会直接销毁自身数据区，后续 vi.ptr[i] 访问的是已被释放的内存；若 new int[n] 内存分配失败，则ptr 已释放但 n 未更新，后续操作将访问无效内存，产生垂悬指针。

原实现通过通过临时缓冲区和自赋值检查，确保自赋值的安全，而且先分配新内存，成功后再释放旧内存，资源也不可能泄漏。

问题2

static_cast<const vectorInt*>(this)作用：将 this 指针转为指向 const 类型的指针。目的：匹配 const 版本的 at() 或其他const 成员函数的调用。

(2) const_cast<int&>(...)作用：移除 const 属性。目的：适配非 const 接口的返回值类型。

问题3

（1）v2为const 对象，优先匹配 const 修饰的重载版本；v1为非 const 对象，优先匹配非 const 版本。

适用场景：int* begin() 需通过迭代器修改元素；const int* begin() const 适用于只读访问。

（2）迭代器本质的理解

让指针变得更安全（？

问题4

可以。功能：std::fill_n(ptr, n, value) 填充 n 个 value 到 ptr 地址，相当于 for(i=0;i<n;) ptr[i]=value;；std::copy_n(src, n, dest) ：从 src 复制 n 元素到 dest，相当于 for(i=0;i<n;) dest[i]=src[i];。

实验任务4

代码

task4.cpp

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

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';
}

matrix.hpp

#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
};


// 构造rows_*cols_矩阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value)
    : n_rows(rows_), n_cols(cols_), ptr(nullptr)
{
    if (n_rows <= 0 || n_cols <= 0) {
        std::cerr << "ValueError: invalid matrix size\n";
        std::exit(1);
    }
    // 分配连续内存
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    // 初始化为value
    for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) ptr[i] = value;
}

// 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, double value)
    : Matrix(rows_, rows_, value)
{
}

// 深复制
Matrix::Matrix(const Matrix &x)
    : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(nullptr)
{
    if (n_rows <= 0 || n_cols <= 0) {
        ptr = nullptr;
        return;
    }
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    std::copy(x.ptr, x.ptr + (n_rows * n_cols), ptr);
}

// 析构
Matrix::~Matrix()
{
    delete [] ptr;
    ptr = nullptr;
}

// 按行复制pvalue指向的数据，要求size=rows*cols,否则报错退出
void Matrix::set(const double *pvalue, int size)
{
    if (!pvalue) {
        std::cerr << "ValueError: null pointer in set\n";
        std::exit(1);
    }
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "ValueError: size mismatch in set\n";
        std::exit(1);
    }
    std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}

// 矩阵对象数据项置0
void Matrix::clear()
{
    if (ptr) {
        std::fill(ptr, ptr + (n_rows * n_cols), 0.0);
    }
}

// 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）
const double& Matrix::at(int i, int j) const
{
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "IndexError: index out of range\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

// 非const 版本
double& Matrix::at(int i, int j)
{
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "IndexError: index out of range\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

// 返回矩阵对象行数
int Matrix::rows() const
{
    return n_rows;
}

// 返回矩阵对象列数
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) {
        if (n_cols > 0) {
            std::cout << at(i, 0);
            for (int j = 1; j < n_cols; ++j)
                std::cout << ", " << at(i, j);
        }
        std::cout << '\n';
    }
}

运行截图

拓展思考

std::vector 自动管理内存，不需要手写析构、复制构造和拷贝赋值，避免内存泄漏与悬挂指针；在异常发生时也能保证已分配资源被释放。td::vector 保证元素在连续内存上存放，对大多数场景性能无损；对需要极限优化的场景可以通过 data() 获取原始指针。构造/复制/移动/析构等由标准容器处理，代码量明显减少，逻辑更清晰，减少因手写资源管理而引入的 bug，后续添加功能也更容易实现。所以说抽象带来更高层次的安全与可读性，而在常规用例下并不会带来运行时开销。

实验任务5

代码

task5.cpp

#include "contactBook.hpp"

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();
}

contackBook.hpp

# pragma  once

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

// 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 (size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i) {
        if (contacts[i].get_name() == name) {
            return static_cast<int>(i);
        }
    }
    return -1;
}

// 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();
    });
}

contack.hpp

#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;
}

运行截图

思考

添加“修改联系人”接口（按姓名或 ID 修改姓名/号码/其他字段）；保留现有 add/remove/find/display 接口以兼容已有调用。

内部使用不可变 ID 来定位联系人；在添加/修改时验证手机号格式、姓名非空；对于非法输入返回明确错误。

将内存中的通讯录与持久化存储同步（如本地 JSON/CSV、SQLite、或通过平台 API）；设计保存/加载接口，最好支持定期自动保存与显式保存。

支持联系人归属多个组或标签；支持多个电话号码、电子邮件、地址、备注等，使用键-值或结构体表示可扩展属性，不仅方便还友好。

实现按姓名/拼音/号码的模糊匹配与快速检索（数据结构乱入）。

为了保险起见，还需自动实现重复联系人检测与合并，最好再整点交互式提示。

说白了就把 Contact 扩展为不可变 ID + 可变字段的结构，便于引用和版本控制。

分离数据存储层、业务逻辑层、显示层；

为关键操作添加日志。

posted @ 2025-11-26 00:58 NolanNiko 阅读(1) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部