实验3 类和对象_基础编程2

任务一：

#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;
}

#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";
}

#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();
}

 

 

问题一：是。Window 类包含 vector<Button>成员，体现 “窗口包含按钮” 的 has-a 关系。

问题二：优点：外部可直接调用该函数查询按钮，增加功能灵活性。

              风险：暴露内部实现细节，外部调用可能破坏封装性；若后续修改内部按钮存储方式，需同步修改外部依赖代码。

              public：用户需要调用的功能，体现类的对外服务，非内部细节。

              private：仅为内部实现的辅助功能，或操作私有数据易破坏对象状态的函数。

问题三：

接口 1：性能高，无字符串拷贝；安全，外部无法修改内部数据。

接口 2：性能低，有拷贝开销；安全，外部修改不影响内部，但易产生悬空引用。

问题四：

能正常运行。差别：push_back 先创建临时 Button 再拷贝 / 移动；emplace_back 直接在容器内构造对象，无临时对象开销，更高效。

 

实验二：

#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);
}

问题一：

第一行：创建 v1，包含 5 个值为 42 的 int 元素。

第二行：通过拷贝构造创建 v2，内容与 v1 相同。

v1、v2 各有 5 个值为 42 的数据项。

问题二：

执行后：v1.size () 是 2（包含 2 个 vector<int>子容器）；v2.size () 是 2（拷贝自 v1）；v1 [0].size () 是 3（第一个子容器有 3 个元素）。

问题三：

效果不同，

v1.at (0) = -1：会检查下标合法性，若越界抛出 out_of_range 异常。

v1 [0] = -1：不检查下标，越界会导致未定义行为。

问题四：

不能输出 17。因为 v1.at (0) 返回的是 v1 第一个子容器的引用，r 是该子容器的引用，r.size () 是子容器的元素个数（初始为 3），不是 v1 的大小。

优势：避免拷贝子容器，节省内存、提升效率。

问题：若 v1 被销毁或 v1 [0] 被修改，const 引用会悬空，引发未定义行为。

问题五：

标准库 vector 的拷贝构造是深复制：拷贝后两个 vector 的元素独立存储，修改其中一个不影响另一个。

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&。

at () 必须提供 const 重载版本：确保 const vector 对象调用 at () 时，返回不可修改的引用，符合 const 对象的只读特性。

 

 

实验三：

#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.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';
}

 问题一：

当前 assign 是安全的，版本 2 存在风险：版本 2 先修改 n，再分配新内存。若 new int [n] 失败（内存不足），n 已被修改，对象状态会损坏。

当前版本先创建临时指针 ptr_tmp，分配内存并拷贝数据，成功后再替换原指针，避免了内存分配失败导致的对象异常。

问题二：

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

作用：将非 const 的 this 指针转换为 const vectorInt * 类型。

转换前后类型：原是 vectorInt*，转换后是 const vectorInt*。

目的：让非 const 版本的 at 能调用 const 版本的 at，实现代码复用。

（2）const_cast<int&>：

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

转换前后类型：原是 const int&，转换后是 int&。

目的：让 const 版本的 at 返回值能被非 const 版本使用（非 const 对象调用 at 需返回可修改的引用）。

问题三：

v1.begin () 调用非 const 版本：v1 是普通对象，可修改，非 const 版本返回 int*，支持修改元素。

v2.begin () 调用 const 版本：v2 是 const 对象，只读，const 版本返回 const int*，避免修改元素。

场景：普通对象用非 const 版本（需修改元素）；const 对象用 const 版本（只读场景）。

vectorInt 返回指针作为迭代器，是简化设计：标准库迭代器是封装的指针，支持泛型操作；此处用指针直接作为迭代器，利用指针的自增、解引用等特性，实现遍历功能，降低自定义迭代器的复杂度。

问题四：

可以。

std::fill (ptr, ptr+n, value)：将 ptr 指向的连续 n 个内存空间的值设为 value，替代原手动循环赋值，简化代码。

std::copy (v1.ptr, v1.ptr+v1.n, ptr)：将 v1.ptr 指向的 v1.n 个元素拷贝到 ptr 指向的空间，替代原手动循环拷贝，更简洁高效。

std::copy (v1.ptr, v1.ptr+v1.n, ptr_tmp)：功能同上述 std::copy，用于 assign 中临时指针的拷贝，确保数据正确复制。

 

实验四：

#include "matrix.h"
#include <stdexcept>

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) {
    if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0)
        throw std::invalid_argument("Invalid dimensions");
    n_rows = rows_;
    n_cols = cols_;
    ptr = new double[rows_ * cols_];
    std::fill(ptr, ptr + rows_ * cols_, value);
}

Matrix::Matrix(int rows_, double value) {
    if (rows_ <= 0)
        throw std::invalid_argument("Invalid dimension");
    n_rows = rows_;
    n_cols = rows_;
    ptr = new double[rows_ * rows_];
    std::fill(ptr, ptr + rows_ * rows_, value);
}

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);
}

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

void Matrix::set(const double* pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols || !pvalue)
        throw std::invalid_argument("Invalid set parameters");
    std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}

void Matrix::clear() {
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0.0);
}

const double& Matrix::at(int i, int j) const {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
        throw std::out_of_range("Index out of range");
    return ptr[i * n_cols + j];
}

double& Matrix::at(int i, int j) {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
        throw std::out_of_range("Index out of range");
    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) {
        for (int j = 0; j < n_cols; ++j) {
            std::cout << at(i, j) << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

#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

#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';
}

 

实验五：

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

class ContactBook {
public:
    void add(const std::string& name, const std::string& phone);
    void remove(const std::string& name);
    void find(const std::string& name) const;
    void display() const;
    size_t size() const;

private:
    int index(const std::string& name) const;
    void sort();
    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();
}

int ContactBook::index(const std::string& name) const {
    for (size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i) {
        if (contacts[i].get_name() == name) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

void ContactBook::sort() {
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(),
        [](const Contact& a, const Contact& b) {
            return a.get_name() < b.get_name();
        });
}

#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;
}

#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();
}