实验四-组合与继承

实验任务1源代码：

#pragma once

#include <vector>
#include <array>
#include <string>

class GradeCalc {
public:
    GradeCalc(const std::string& cname);
    void input(int n);                         // 录入n个成绩
    void output() const;                      // 输出成绩
    void sort(bool ascending = false);        // 排序 (默认降序)
    int min() const;                          // 返回最低分（如成绩未录入，返回-1)
    int max() const;                          // 返回最高分 （如成绩未录入，返回-1)
    double average() const;                   // 返回平均分 （如成绩未录入，返回0.0)
    void info();                      // 输出课程成绩信息

private:
    void compute();     // 成绩统计

private:
    std::string course_name;     // 课程名
    std::vector<int> grades;     // 课程成绩
    std::array<int, 5> counts;      // 保存各分数段人数（[0, 60), [60, 70), [70, 80), [80, 90), [90, 100]
        std::array<double, 5> rates;    // 保存各分数段人数占比 
    bool is_dirty;      // 脏标记，记录是否成绩信息有变更
};

#include <algorithm>
#include <array>
#include <cstdlib>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <numeric>
#include <string>
#include <vector>

#include "GradeCalc.hpp"

GradeCalc::GradeCalc(const std::string& cname) :course_name{ cname }, is_dirty{ true } {
    counts.fill(0);
    rates.fill(0);
}

void GradeCalc::input(int n) {
    if (n < 0) {
        std::cerr << "无效输入! 人数不能为负数\n";
        std::exit(1);
    }

    grades.reserve(n);

    int grade;

    for (int i = 0; i < n;) {
        std::cin >> grade;

        if (grade < 0 || grade > 100) {
            std::cerr << "无效输入! 分数须在[0,100]\n";
            continue;
        }

        grades.push_back(grade);
        ++i;
    }

    is_dirty = true;  // 设置脏标记：成绩信息有变更
}

void GradeCalc::output() const {
    for (auto grade : grades)
        std::cout << grade << ' ';
    std::cout << std::endl;
}

void GradeCalc::sort(bool ascending) {
    if (ascending)
        std::sort(grades.begin(), grades.end());
    else
        std::sort(grades.begin(), grades.end(), std::greater<int>());
}

int GradeCalc::min() const {
    if (grades.empty())
        return -1;

    auto it = std::min_element(grades.begin(), grades.end());
    return *it;
}

int GradeCalc::max() const {
    if (grades.empty())
        return -1;

    auto it = std::max_element(grades.begin(), grades.end());
    return *it;
}

double GradeCalc::average() const {
    if (grades.empty())
        return 0.0;

    double avg = std::accumulate(grades.begin(), grades.end(), 0.0) / grades.size();
    return avg;
}

void GradeCalc::info() {
    if (is_dirty)
        compute();

    std::cout << "课程名称:\t" << course_name << std::endl;
    std::cout << "平均分:\t" << std::fixed << std::setprecision(2) << average() << std::endl;
    std::cout << "最高分:\t" << max() << std::endl;
    std::cout << "最低分:\t" << min() << std::endl;

    const std::array<std::string, 5> grade_range{ "[0, 60) ",
                                           "[60, 70)",
                                           "[70, 80)",
                                           "[80, 90)",
                                           "[90, 100]" };

    for (int i = static_cast<int>(grade_range.size()) - 1; i >= 0; --i)
        std::cout << grade_range[i] << "\t: " << counts[i] << "人\t"
        << std::fixed << std::setprecision(2) << rates[i] * 100 << "%\n";
}

void GradeCalc::compute() {
    if (grades.empty())
        return;

    counts.fill(0);
    rates.fill(0.0);

    // 统计各分数段人数
    for (auto grade : grades) {
        if (grade < 60)
            ++counts[0];        // [0, 60)
        else if (grade < 70)
            ++counts[1];        // [60, 70)
        else if (grade < 80)
            ++counts[2];        // [70, 80)
        else if (grade < 90)
            ++counts[3];        // [80, 90)
        else
            ++counts[4];        // [90, 100]
    }

    // 统计各分数段比例
    for (size_t i = 0; i < rates.size(); ++i)
        rates[i] = counts[i] * 1.0 / grades.size();

    is_dirty = false;  // 更新脏标记
}

#include <iostream>
#include <string>
#include "GradeCalc.hpp"

void test() {
    GradeCalc c1("OOP");

    std::cout << "录入成绩:\n";
    c1.input(5);

    std::cout << "输出成绩:\n";
    c1.output();

    std::cout << "排序后成绩:\n";
    c1.sort(); c1.output();

    std::cout << "*************成绩统计信息*************\n";
    c1.info();

}

int main() {
    test();
}

实验任务1运行结果：

　　实验任务1问题1：
　　　　std::vector<int> grades;     //课程成绩

　　　　std::array<int, 5> counts;      //各分数段人数

　　　　std::array<double, 5> rates;    //各分数段人数占比

　　实验任务1问题2：不合法，grades是私有成员，无法通过push_back这个vector类的成员函数进行访问

　　实验任务1问题3：

　　　　（1）1次。is_dirty用来记录是否更改原始数据，避免重复计算

　　　　（2）不需要更改。直接在update_grade函数内部重新设置is_dirty标记即可

　　实验任务1问题4：在info里加入

　　　　　　int size = grades.size();

　　　　　　if (size % 2 == 1)

　　　　　　　　{ return grades[size / 2]; }

　　　　　　else

　　　　　　　　{ return (grades[size / 2 - 1] + grades[size / 2]) / 2.0; }

　　实验任务1问题5：不能去掉，会保留之前数据导致数据错误。

　　实验任务1问题6：

　　　　（1）对程序功能没有影响

　　　　（2）对性能有影响，会导致数据量大时内存不够

实验任务2源代码：

#pragma once

#include <array>
#include <string>
#include <vector>

class GradeCalc : private std::vector<int> {
public:
    GradeCalc(const std::string& cname);
    void input(int n);                        // 录入n个成绩
    void output() const;                      // 输出成绩
    void sort(bool ascending = false);        // 排序 (默认降序)
    int min() const;                          // 返回最低分
    int max() const;                          // 返回最高分
    double average() const;                   // 返回平均分
    void info();                              // 输出成绩统计信息 

private:
    void compute();               // 计算成绩统计信息

private:
    std::string course_name;     // 课程名
    std::array<int, 5> counts;   // 保存各分数段人数（[0, 60), [60, 70), [70, 80), [80, 90), [90, 100]
    std::array<double, 5> rates; // 保存各分数段占比
    bool is_dirty;      // 脏标记，记录是否成绩信息有变更
};

#include <algorithm>
#include <array>
#include <cstdlib>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <numeric>
#include <string>
#include <vector>
#include "GradeCalc.hpp"


GradeCalc::GradeCalc(const std::string& cname) : course_name{ cname }, is_dirty{ true } {
    counts.fill(0);
    rates.fill(0);
}

void GradeCalc::input(int n) {
    if (n < 0) {
        std::cerr << "无效输入! 人数不能为负数\n";
        return;
    }

    this->reserve(n);

    int grade;

    for (int i = 0; i < n;) {
        std::cin >> grade;
        if (grade < 0 || grade > 100) {
            std::cerr << "无效输入! 分数须在[0,100]\n";
            continue;
        }

        this->push_back(grade);
        ++i;
    }

    is_dirty = true;
}

void GradeCalc::output() const {
    for (auto grade : *this)
        std::cout << grade << ' ';
    std::cout << std::endl;
}

void GradeCalc::sort(bool ascending) {
    if (ascending)
        std::sort(this->begin(), this->end());
    else
        std::sort(this->begin(), this->end(), std::greater<int>());
}

int GradeCalc::min() const {
    if (this->empty())
        return -1;

    return *std::min_element(this->begin(), this->end());
}

int GradeCalc::max() const {
    if (this->empty())
        return -1;

    return *std::max_element(this->begin(), this->end());
}

double GradeCalc::average() const {
    if (this->empty())
        return 0.0;

    double avg = std::accumulate(this->begin(), this->end(), 0.0) / this->size();
    return avg;
}

void GradeCalc::info() {
    if (is_dirty)
        compute();

    std::cout << "课程名称:\t" << course_name << std::endl;
    std::cout << "平均分:\t" << std::fixed << std::setprecision(2) << average() << std::endl;
    std::cout << "最高分:\t" << max() << std::endl;
    std::cout << "最低分:\t" << min() << std::endl;

    const std::array<std::string, 5> grade_range{ "[0, 60) ",
                                           "[60, 70)",
                                           "[70, 80)",
                                           "[80, 90)",
                                           "[90, 100]" };

    for (int i = static_cast<int>(grade_range.size()) - 1; i >= 0; --i)
        std::cout << grade_range[i] << "\t: " << counts[i] << "人\t"
        << std::fixed << std::setprecision(2) << rates[i] * 100 << "%\n";
}

void GradeCalc::compute() {
    if (this->empty())
        return;

    counts.fill(0);
    rates.fill(0);

    // 统计各分数段人数
    for (int grade : *this) {
        if (grade < 60)
            ++counts[0];        // [0, 60)
        else if (grade < 70)
            ++counts[1];        // [60, 70)
        else if (grade < 80)
            ++counts[2];        // [70, 80)
        else if (grade < 90)
            ++counts[3];        // [80, 90)
        else
            ++counts[4];        // [90, 100]
    }

    // 统计各分数段比例
    for (size_t i = 0; i < rates.size(); ++i)
        rates[i] = counts[i] * 1.0 / this->size();

    is_dirty = false;
}

#include <iostream>
#include <string>
#include "GradeCalc.hpp"

void test() {
    GradeCalc c1("OOP");

    std::cout << "录入成绩:\n";
    c1.input(5);

    std::cout << "输出成绩:\n";
    c1.output();

    std::cout << "排序后成绩:\n";
    c1.sort(); c1.output();

    std::cout << "*************成绩统计信息*************\n";
    c1.info();

}

int main() {
    test();
}

实验任务2运行结果：

　　实验任务2问题1：class GradeCalc : private std::vector<int>

　　实验任务2问题2：基类接口不会成为继承类接口。不能编译，push_back是公有接口，只能在继承类内部使用

　　实验任务2问题3：组合方式通过公有接口访问，继承方式通过私有继承，不能在外部调用公有接口

　　实验任务2问题4：组合方式，更加灵活，维护时只需要修改GradeCalc类

实验任务3源代码：

#pragma once

#include <string>
#include <vector>

enum class GraphType { circle, triangle, rectangle };

// Graph类定义
class Graph {
public:
    virtual void draw() {}
    virtual ~Graph() = default;
};

// Circle类声明
class Circle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Triangle类声明
class Triangle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Rectangle类声明
class Rectangle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Canvas类声明
class Canvas {
public:
    void add(const std::string& type);   // 根据字符串添加图形
    void paint() const;                  // 使用统一接口绘制所有图形
    ~Canvas();                           // 手动释放资源

private:
    std::vector<Graph*> graphs;
};

// 4. 工具函数
GraphType str_to_GraphType(const std::string& s);  // 字符串转枚举类型
Graph* make_graph(const std::string& type);  // 创建图形，返回堆对象指针

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <iostream>
#include <string>

#include "Graph.hpp"

// Circle类实现
void Circle::draw() { std::cout << "draw a circle...\n"; }

// Triangle类实现
void Triangle::draw() { std::cout << "draw a triangle...\n"; }

// Rectangle类实现
void Rectangle::draw() { std::cout << "draw a rectangle...\n"; }

// Canvas类实现
void Canvas::add(const std::string& type) {
    Graph* g = make_graph(type);
    if (g)
        graphs.push_back(g);
}

void Canvas::paint() const {
    for (Graph* g : graphs)
        g->draw();
}

Canvas::~Canvas() {
    for (Graph* g : graphs)
        delete g;
}

// 工具函数实现
// 字符串 → 枚举转换
GraphType str_to_GraphType(const std::string& s) {
    std::string t = s;
    std::transform(s.begin(), s.end(), t.begin(),
        [](unsigned char c) { return std::tolower(c); });

    if (t == "circle")
        return GraphType::circle;

    if (t == "triangle")
        return GraphType::triangle;

    if (t == "rectangle")
        return GraphType::rectangle;

    return GraphType::circle;   // 缺省返回
}

// 创建图形，返回堆对象指针
Graph* make_graph(const std::string& type) {
    switch (str_to_GraphType(type)) {
    case GraphType::circle:     return new Circle;
    case GraphType::triangle:   return new Triangle;
    case GraphType::rectangle:  return new Rectangle;
    default: return nullptr;
    }
}

#include <string>
#include "Graph.hpp"

void test() {
    Canvas canvas;

    canvas.add("circle");
    canvas.add("triangle");
    canvas.add("rectangle");
    canvas.paint();
}

int main() {
    test();
}

实验任务3运行结果：

　　实验任务3问题1：

　　　　（1）std::vector<Graph*> graphs;  //添加图形对象

　　　　（2）class Cirlce: public Graph
　　　　　　class Triangle: public Graph

　　　　　　class Rectangle: public Graph

　　实验任务3问题2：

　　　　（1）会导致无法指向对应的对象，无法输出有效对象

　　　　（2）定义对象是都会被存为Graph对象导致结果无法输出

　　　　（3）会导致派生类的析构函数无法被调用

　　实验任务3问题3：Graph.hpp中，在enum class GraphType中加入star。Graph.cpp中，加入

class Star : public Graph {
public:
void draw();
};

在make_graph中switch里，增加case分支为case GraphType::star:  return new Star;

　　实验任务3问题4：

　　　　（1）在Canvas类的析构函数中被释放

　　　　（2）易于理解、灵活控制，但可能造成悬空指针和内存泄漏

实验任务4场景描述：市场上有一些小型的毛绒玩具挂件，有不同的动物造型，按压还会发出声音。

对象关系：玩具类Toy，其他的动物玩具挂件继承自public Toy，通过虚函数voice实现各自的叫声

实验任务4源代码：

#pragma once

#include <string>
#include <vector>

enum class ToyType { cat, dog, cow, sheep };

//Toy类定义
class Toy {
public:
    virtual void voice() {};
    virtual ~Toy() = default;
};

class Cat : public Toy {
public:
    void voice();
};

class Dog : public Toy {
public:
    void voice();
};

class Cow : public Toy {
public:
    void voice();
};

class Sheep : public Toy {
public:
    void voice();
};

class TheToys {
public:
    void add(const std::string& ToyType);
    void use() const;
    ~TheToys();

private:
    std::vector<Toy*> toys;
};

ToyType str_to_ToyType(const std::string& s);
Toy* make_toy(const std::string& toytype);

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <iostream>
#include <string>

#include "Toy.hpp"

void Cat::voice() { std::cout << "I'm a cat, meow meow ..." << std::endl; }

void Dog::voice() { std::cout << "I'm a dog, woof woof ..." << std::endl; }

void Cow::voice() { std::cout << "I'm a cow, moon moon ..."  << std::endl; }

void Sheep::voice() { std::cout << "I'm a sheep,me me ..." << std::endl;; }

void TheToys::add(const std::string& toytype) {
    Toy* t = make_toy(toytype);
    if (t)
        toys.push_back(t);
}

void TheToys::use() const {
    for (Toy* t : toys)
        t->voice();
}

TheToys::~TheToys() {
    for (Toy* t : toys)
        delete t;
}

ToyType str_to_ToyType(const std::string& s) {
    std::string t = s;
    std::transform(s.begin(), s.end(), t.begin(),
        [](unsigned char c) { return std::tolower(c); });

    if (t == "cat")
        return ToyType::cat;

    if (t == "dog")
        return ToyType::dog;

    if (t == "cow")
        return ToyType::cow;

    if (t == "sheep")
        return ToyType::sheep;

    return ToyType::cat;   // 缺省返回
}

Toy* make_toy(const std::string& type) {
    switch (str_to_ToyType(type)) {
    case ToyType::cat: return new Cat;
    case ToyType::dog: return new Dog;
    case ToyType::cow: return new Cow;
    case ToyType::sheep: return new Sheep;
    default: return nullptr;
    }
}

#include <string>
#include "Toy.hpp"

void test() {
    TheToys mytoy;

    mytoy.add("cat");
    mytoy.add("dog");
    mytoy.add("cow");
    mytoy.add("sheep");
    mytoy.use();
}

int main() {
    test();
}

实验任务4运行结果：