实验3 类和对象

实验任务1

代码

c++

#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";
}

#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;
}

#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();
}

运行测试截图

问题回答

问题1： 这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

是，Window类中内嵌了Button类的对象（buttons)作为成员,两个类之间存在包含与被包含的关系。

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？

 优点：用户可以直接查询某个按钮是否存在，防止重复添加按钮，提高了程序的灵活性和交互性；

风险：破坏了封装性，可能会使内部代码结构产生问题

（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。）

用户是否需要？：如果该函数功能是类对外提供的服务，应设为 public；如果只是辅助其他函数完成任务，则应为 private。

是否仅为内部实现细节？：实现机制相关的函数（如查找、排序、校验）通常隐藏起来，避免暴露数据结构选择，这样便于后期优化而不影响接口稳定性。

是否易破坏对象状态？：允许外部直接访问底层状态检查或修改过程可能导致非法状态，因此涉及到底层逻辑的函数一般设为private,私有函数可通过公共接口控制输入合法性与操作顺序，保证类不变量，更为安全

 

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;

性能 ：接口1更加高效，能够返回指向原字符串的引用，无拷贝开销；而接口2每次调用都会构造一个新的 std::string 副本，产生堆内存分配和复制开销。

安全性：接口1更加安全，其返回 const&，不能修改原始数据，且只要对象未析构，引用均有效；接口2也安全，但返回的 const string实际意义不大，返回的是副本，不能影响原对象，const 多余。

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。

 可以正常运行。

差别：写法1要先构造临时 Button 对象，再将其移动或拷贝进 vector；而写法2在 vector 的内存空间原地构造对象，直接传递参数，相对来说更加高效，减少了一次构造开销。

 

实验任务2

代码

c++

#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);
}

运行测试截图

问题回答

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？

第一行使用 初始化构造函数；第二行使用拷贝构造函数。

 v1、v2均 包含 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？

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？

可以实现同等效果。

 v1.at(0) = -1会进行越界检查，一次安全性能更高；而 v1[0] = -1是直接进行内存访问，安全性较低，但更加高效。

 
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？

能
因为v1.at(0)返回的是v1第一个内层vector的引用，通过引用r调用push_back(-1)在第一个vector末尾添加了-1。而r.size()-1就是新添加元素的索引，所以r.at(r.size()-1)就是-1。
(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？

 

①避免了对不必要的对象进行拷贝的操作，节省内存
②性能得到提升
③不会产生临时对象

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？

深复制

(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 constvector<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？

当 v 是 vector<int> 时，返回 int&

当 v 是 constvector<int> 时，返回const int&

是，只有这样才能同时支持 const 和非 const 对象的正确访问

 

实验任务3

代码

c++

#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;
}

#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';
}

运行测试截图

问题回答

 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）

1. 如果调用 v.assign(v);则 delete[] ptr 会释放自身内存，vi.ptr 此时已成悬空指针， 后续循环读取 vi.ptr[i] 属于访问非法内存 ；

2.若 new int[n] 抛出异常（如内存不足），则 ptr 已被 delete[] 释放，而新内存未成功分配，对象处于中间损坏状态（ptr==nullptr, n=vi.n），后续操作会崩溃。

3. 版本2先释放资源再申请，违反了资源管理原则。

 

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？

 

作用： 将当前非常量对象指针转换为指向常量对象的指针。
转换前 vectorInt*为非 const 指针；转换后const vectorInt*为指向 const 对象的指针。
目的：调用 const 重载版本的 at(int) 函数，从而复用其边界检查逻辑和实现，避免代码重复。

（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？

作用：移除 const 限定符，将 const int& 转换为 int&。

转换前返回类型 const int&；转换后返回类型 int&。

目的 ：让非常量对象能获得可修改的引用，同时共享 const 版本的安全检查逻辑

 

问题3： vectorInt 类封装了 begin() 和 end() 的const/非const接口。
（1）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。

根据调用对象是否为 const类型来决定调用哪个重载版本。

int* begin() 用于非常量对象，支持通过迭代器修改容器内容；const int* begin() const 用于常量对象或 const 引用参数，仅允许读取，防止意外修改

（2）拓展思考（选答*）：标准库迭代器本质上是指针的封装。 vectorInt 直接返回原始指针作为迭代器，这种设计让你对迭代器有什么新的理解？

 

我认识到了迭代器本质上是对指针行为的抽象和泛化，原始数组可以用 arr 和 arr+n 作为迭代器范围。

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。

可以。

功能：1.使用 value 填充从 ptr 开始的 n 个元素。2.将 vi.ptr 开始的 vi.n 个元素复制到 ptr 指向的新内存中。3.在临时内存 ptr_tmp 中安全地复制 vi 的所有数据，之后替换当前对象的内容。

 

实验任务4

代码

c++

#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
};

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

 Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) 
     : n_rows(rows_), n_cols(cols_), ptr(new double[rows_ * cols_]) {
     if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
         std::cerr << "Error: Invalid matrix dimensions\n";
         std::exit(1);
     }
     for (int i = 0; i < rows_ * cols_; ++i) {
         ptr[i] = value;
     }
 }
 
 Matrix::Matrix(int rows_, double value)
     : n_rows(rows_), n_cols(rows_), ptr(new double[rows_ * rows_]) {
     if (rows_ <= 0) {
         std::cerr << "Error: Invalid matrix dimensions\n";
         std::exit(1);
     }
 
     for (int i = 0; i < rows_ * rows_; ++i) {
         ptr[i] = value;
     }
 }
 
 
 Matrix::Matrix(const Matrix &x)
     : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(new double[x.n_rows * x.n_cols]) {
 
     std::memcpy(ptr, x.ptr, n_rows * n_cols * sizeof(double));
 }
 
 Matrix::~Matrix() {
     delete[] ptr;
 }
 
 
 void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
         std::cerr << "Error: Size mismatch in set()\n";
         std::exit(1);
     }
 
     std::memcpy(ptr, pvalue, size * sizeof(double));
 }
 
 
 void Matrix::clear() {
     for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) {
         ptr[i] = 0.0;
     }
 }
 
 const double& Matrix::at(int i, int j) const {
     if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
         std::cerr << "Error: Index out of range in at()\n";
         std::exit(1);
     }
     return ptr[i * n_cols + j];
 }
 double& Matrix::at(int i, int j) {
     if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
         std::cerr << "Error: Index out of range in at()\n";
         std::exit(1);
     }
     return ptr[i * n_cols + j];
 }
 
 int Matrix::rows() const {
     return n_rows;
 }
  
 int Matrix::cols() const {
     return n_cols;
 }
 
 void Matrix::print() const {
     for (int i = 0; i < n_rows; ++i) {
         std::cout << at(i, 0);
         for (int j = 1; j < n_cols; ++j) {
             std::cout << ", " << at(i, j);
         }
         std::cout << '\n';
     }
 }

#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';
}

 

运行测试截图

 

实验任务5

代码

c++

#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;
}

# 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;  // 未找到
}

// 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();
        }
    );
}

#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();
}

 

运行测试截图