实验3 类和对象_基础编程2

1. 实验任务1

#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();
}

 问题1：是组合关系

问题2：（1）优点：可以直接查询window是否包含某个button

                   风险：破坏封装性

           （2）提供外部服务则为public，用于内部实现则为private

问题3：接口1性能更高且通过使用const保证了安全性

问题4：

push_back(Button("close"))：

先构造临时 Button 对象

然后拷贝或移动到 vector 中

涉及两次构造（可能被编译器优化）

emplace_back("close")：

直接在 vector 的内存中构造 Button 对象

只涉及一次构造

效率更高，避免不必要的拷贝/移动

 

2. 实验任务2

#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);
}

问题1：

 v1包含5个值为42的数据项

v2也包含5个值为42的数据项

问题2：2   2   3

问题3：能实现同等效果

            at() 会进行边界检查，如果索引越界会抛出std::out_of_range异常

    operator[] 不进行边界检查，性能稍好但可能访问非法内存

           在debug模式下，两者可能都有边界检查；release模式下operator[]通常无检查

问题4：不能。v2是通过拷贝构造从v1创建的，它们拥有独立的内存空间。修改v1[0]不会影响v2[0]

优势：避免不必要的拷贝，直接引用原数据，节省内存和提高性能
限制：不能通过r修改引用的数据，因为被const修饰

问题5：深复制；

当v是vector<int>时，v.at(0)返回int&

当v是const vector<int>时，v.at(0)返回const int&

必须提供带const修饰的重载版本，这样才能在const对象上调用at()时返回const引用

 

3. 实验任务3

#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';
}

 问题1：

修改后代码：

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) {
    delete[] ptr;        // 危险点1
    n = vi.n;
    ptr = new int[n];    // 危险点2  
    for(int i = 0; i < n; ++i)
        ptr[i] = vi.ptr[i];
    return *this;
}

1. 自赋值问题：如果this == &vi（自赋值），先delete[] ptr会删除自身数据，后续vi.ptr[i]访问已释放内存，导致未定义行为

2. 异常安全问题：new int[n]可能抛出std::bad_alloc异常。如果抛出异常：

   • 原数据已删除（delete[] ptr）

   • 对象处于无效状态（ptr指向已释放内存）

   • 违反异常安全原则

问题2：

1）static_cast<const vectorInt*>(this)的作用：

转换前：vectorInt*（非const指针）

转换后：const vectorInt*（const指针）

目的：将当前对象转换为const版本，以便调用const重载的at()函数

（2）const_cast<int&>的作用：

转换前：const int&（const引用）

转换后：int&（非const引用）

目的：移除const限定符，返回可修改的引用，保持接口一致性

优势：代码复用，只需维护const版本的边界检查逻辑

问题3：

非const版本：用于需要修改元素值的场景，返回int*

const版本：用于只读访问场景，返回const int*，保证数据不被修改

问题4：

可以。

1. 标准库算法经过高度优化，性能更好

2. 代码更简洁，可读性更强

3. 减少手动循环可能引入的错误符合C++"优先使用标准库"的最佳实践

 

4. 实验任务4

#pragma once
#include <iostream>

// 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 <algorithm>
#include <cstring>

// 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(new double[rows_ * cols_]) {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value);
}

// 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, double value)
    : n_rows(rows_), n_cols(rows_), ptr(new double[rows_ * rows_]) {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value);
}

// 深复制
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::copy_n(x.ptr, n_rows * n_cols, ptr);
}

// 析构函数
Matrix::~Matrix() {
    delete[] ptr;
}

// 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 (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "SizeError: input size does not match matrix dimensions\n";
        std::exit(1);
    }
    std::copy_n(pvalue, size, ptr);
}

// 矩阵对象数据项置0
void Matrix::clear() {
    std::fill_n(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];
}

// 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）
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) {
        for (int j = 0; j < n_cols; ++j) {
            std::cout << at(i, j);
            if (j < n_cols - 1) {
                std::cout << ", ";
            }
        }
        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';
}

5. 实验任务5

#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;
}

// 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();
}