实验1

实验结论

实验任务1

源代码

task1.cpp：

点击查看代码

// 现代C++标准库、算法库体验
// 本例用到以下内容:
// 1. 字符串string, 动态数组容器类vector、迭代器
// 2. 算法库：反转元素次序、旋转元素
// 3. 函数模板、const引用作为形参

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 模板函数声明
template<typename T>
void output(const T &c);

void test1();
void test2();
void test3();

int main() {
    std::cout << "测试1: \n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: \n";
    test2();

    std::cout << "\n测试3: \n";
    test3();
}

// 输出容器对象c中的元素
template <typename T>
void output(const T &c) {
    for(auto &i : c)
        std::cout << i << ' ';
    std::cout << '\n';
}

// 测试1：组合使用算法库、迭代器、string反转字符串
void test1() {
    using namespace std;

    string s0{"0123456789"};
    cout << "s0 = " << s0 << endl;

    string s1(s0);
    // 反转s1自身
    reverse(s1.begin(), s1.end());  
    cout << "s1 = " << s1 << endl;

    string s2(s0.size(), ' ');
    // 将s0反转后结果拷贝到s2, s0自身不变
    reverse_copy(s0.begin(), s0.end(), s2.begin()); 
    cout << "s2 = " << s2 << endl;
}

// 测试2：组合使用算法库、迭代器、vector反转动态数组对象vector内数据
void test2() {
    using namespace std;

    vector<int> v0{2, 0, 4, 9};
    cout << "v0: "; output(v0);

    vector<int> v1{v0};
    reverse(v1.begin(), v1.end());
    cout << "v1: "; output(v1);

    vector<int> v2{v0};
    reverse_copy(v0.begin(), v0.end(), v2.begin());
    cout << "v2: "; output(v2);
}

// 测试3：组合使用算法库、迭代器、vector实现元素旋转移位
void test3() {
    using namespace std;

    vector<int> v0{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    cout << "v0: "; output(v0);

    vector<int> v1{v0};
    // 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环左移1位
    rotate(v1.begin(), v1.begin()+1, v1.end());  
    cout << "v1: "; output(v1);

    vector<int> v2{v0}; 
    // 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环左移2位
    rotate(v2.begin(), v2.begin()+2, v2.end());  
    cout << "v2: "; output(v2);

    vector<int> v3{v0};
    // 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环右移1位
    rotate(v3.begin(), v3.end()-1, v3.end()); 
     cout << "v3: "; output(v3);

    vector<int> v4{v0};
    // 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环右移2位
    rotate(v4.begin(), v4.end()-2, v4.end()); 
    cout << "v4: "; output(v4);
}

运行截图

问题回答

问题1：reverse 和 reverse_copy 有什么区别？

比较项	reverse(first, last)	reverse_copy(first, last, result)
处理方式	在原区间内交换元素，完成反转	将源区间的元素按相反次序复制到目标区间
源数据	被修改	保持不变
结果位置	原区间	从 result 开始的目标区间

本实验中，reverse(s1.begin(), s1.end()) 直接修改 s1；reverse_copy(s0.begin(), s0.end(), s2.begin()) 把结果写入 s2，保留 s0。使用普通目标迭代器时，需要事先准备足够的目标元素位置，源区间与目标区间也不能重叠。因此代码先将 s2 初始化为与 s0 等长的字符串。

问题2：rotate 如何改变元素顺序？三个参数分别代表什么？

rotate(first, middle, last) 把区间 [first, last) 划分为两段：[first, middle) 和 [middle, last)，再将后一段移到前面、前一段移到后面，各段内部的相对顺序保持不变。

参数	含义
first	待旋转区间的起始迭代器
middle	旋转后成为第一个元素的位置
last	待旋转区间的尾后迭代器，该位置不参与处理

将 middle 设为 begin() + k 可实现循环左移 k 位；对本实验这样的非空序列，将其设为 end() - k 可实现循环右移 k 位，前提是偏移量位于有效范围内。

实验任务2

源代码

task2.cpp：

点击查看代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <iomanip>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

// 模板函数声明
template<typename T>
void output(const T &c);

int generate_random_number();
void test1();
void test2();

int main() {
    std::srand(std::time(0));    // 添加随机种子
    std::cout << "测试1: \n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: \n";
    test2();
}

// 输出容器对象c中的元素
template <typename T>
void output(const T &c) {
    for(auto &i: c)
        std::cout << i << ' ';
    std::cout << '\n';
}

// 返回[0, 100]区间内的一个随机整数
int generate_random_number() {
    return std::rand() % 101;
}

// 测试1：对容器类对象指定迭代器区间赋值、排序
void test1() {
    using namespace std;

    vector<int> v0(10);  // 创建一个动态数组对象v0, 对象大小为10
    generate(v0.begin(), v0.end(), generate_random_number); // 生成随机数填充v0
    cout << "v0: "; output(v0);

    vector<int> v1{v0};
    sort(v1.begin(), v1.end()); // 对整个vector排序
    cout << "v1: "; output(v1);

    vector<int> v2{v0};
    sort(v2.begin()+1, v2.end()-1); // 只对中间部分排序，不包含首尾元素
    cout << "v2: "; output(v2);
}

// 测试2：对容器类对象指定迭代器区间赋值、计算最大值/最小值/均值
void test2() {
    using namespace std;

    vector<int> v0(10);  
    generate(v0.begin(), v0.end(), generate_random_number); 
    cout << "v0: "; output(v0);

    // 求最大值和最小值
    auto min_iter = min_element(v0.begin(), v0.end());
    auto max_iter = max_element(v0.begin(), v0.end());
    cout << "最小值: " << *min_iter << endl;
    cout << "最大值: " << *max_iter << endl;

    // 同时求最大值和最小值
    auto ans = minmax_element(v0.begin(), v0.end());
    cout << "最小值: " << *(ans.first) << endl;
    cout << "最大值: " << *(ans.second) << endl;

    // 求平均值
    double avg1 = accumulate(v0.begin(), v0.end(), 0.0) / v0.size();
    cout << "均值: " << fixed << setprecision(2) << avg1 << endl;

    sort(v0.begin(), v0.end());
    double avg2 = accumulate(v0.begin()+1, v0.end()-1, 0.0) / (v0.size()-2);
    cout << "去掉最大值、最小值之后，均值: " << avg2 << endl;
}

运行截图

问题回答

问题1：generate 算法的作用是什么？

generate(first, last, gen) 对 [first, last) 中的每个元素调用一次生成器 gen()，并把返回值赋给该元素。本实验的生成器返回 rand() % 101，因此可用 [0, 100] 范围内的随机整数填充已创建的10个元素。generate 本身不会增加容器的大小。

问题2：minmax_element 相比于分别调用 min_element、max_element 有什么优势？

minmax_element 一次调用即可同时找到最小值和最大值，返回一对迭代器，其中 first 指向最小元素，second 指向最大元素，表达更集中。对于本例使用的无执行策略重载，含 N 个元素的非空区间分别查找极值需要 2(N - 1) 次比较，而 minmax_element 最多需要 floor(3(N - 1) / 2) 次比较；两者时间复杂度均为 O(N)，后者比较次数更少。对于10个元素，前者需要18次比较，后者最多13次。

如果最大值重复出现，max_element 返回第一个最大元素的位置，minmax_element 的第二个迭代器返回最后一个最大元素的位置；取得的最大数值相同。

问题3：[](){ return std::rand() % 101; } 是什么用法？lambda 表达式适用于什么场景？

可将两处生成随机数的调用写成：

generate(v0.begin(), v0.end(), []() { return std::rand() % 101; });

第三个参数是 lambda 表达式，表示在使用处定义一个匿名函数对象。这里的 [] 表示不捕获外围局部变量，() 表示不接收参数，花括号内是函数体，返回类型由表达式推导为 int。lambda 常用于向标准算法传入简短的生成、比较或变换规则，也可通过捕获使用局部状态。

从代码逻辑看，该 lambda 与 generate_random_number 都执行 std::rand() % 101，生成范围和功能相同。在相同随机种子、相同调用顺序下，可得到相同的随机数序列。

当逻辑简短、只在当前算法调用附近使用时，lambda 能减少额外的函数声明和定义；当逻辑较复杂、需要多处复用或有明确独立含义时，命名函数更便于组织和维护。

实验任务3

源代码

task3.cpp：

点击查看代码

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

unsigned char func(unsigned char c);
void test1();
void test2();

int main() {
    std::cout << "测试1: 字符串大小写转换\n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: 字符变换\n";
    test2();
}

unsigned char func(unsigned char c) {
    if(c == 'z')
        return 'a';
    
    if(c == 'Z')
        return 'A';
    
    if(std::isalpha(c))
        return static_cast<unsigned char>(c+1);
    
    return c;
}

void test1() {
    std::string s1{"Hello World 2049!"};
    std::cout << "s1 = " << s1 << '\n';

    std::string s2;
    for(auto c: s1)
        s2 += std::tolower(c);
    std::cout << "s2 = " << s2 << '\n'; 

    std::string s3;
    for(auto c: s1)
        s3 += std::toupper(c);
    std::cout << "s3 = " << s3 << '\n'; 
}

void test2() {
    std::string s1{"I love cosmos!"};
    std::cout << "s1 = " << s1 << '\n';
    
    std::string s2(s1.size(), ' ');
    std::transform(s1.begin(), s1.end(),
                   s2.begin(),
                   func);
    std::cout << "s2 = " << s2 << '\n';
}

运行截图

问题回答

问题1：自定义函数 func 的功能是什么？

在本实验的英文字母输入范围内，func 实现字母循环后移一位：a 到 y、A 到 Y 转换为各自的下一个字母，z 转换为 a，Z 转换为 A；非字母字符直接返回。

问题2：tolower 和 toupper 的功能分别是什么？

std::tolower 将可以转换的大写字母转为小写，std::toupper 将可以转换的小写字母转为大写；没有相应转换的字符保持不变。

问题3：transform 的4个参数分别表示什么？第三个参数改为 s1.begin() 后有何区别？

本实验中：

std::transform(s1.begin(), s1.end(), s2.begin(), func);

参数	本实验传入的值	含义
第1个	s1.begin()	输入区间的起始位置
第2个	s1.end()	输入区间的尾后位置
第3个	s2.begin()	保存变换结果的起始位置
第4个	func	应用于每个输入元素的一元操作

当前写法将结果写入 s2，s1 保留原字符串，因此事先将 s2 创建为与 s1 相同的长度。如果把第三个参数改为 s1.begin()，便会把结果写回 s1，实现原地变换，这是该算法允许的用法。

如果只修改第三个参数、仍执行原来的 cout << "s2 = " << s2，则输出的 s2 仍是初始化时的一串空格。

实验任务4

源代码

task4.cpp：

点击查看代码

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

bool is_palindrome(const std::string &s);
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s);

int main() {
   using namespace std;
    string s;

    // 多组输入，直到按下Ctrl+Z结束测试
    while(cin >> s) {
        cout << boolalpha 
             << "区分大小写: " << is_palindrome(s) << "\n"
             << "不区分大小写: " << is_palindrome_ignore_case(s) << "\n\n";
    }     
}


// 函数is_palindrome定义
bool is_palindrome(const std::string &s) {
    return std::equal(s.begin(), s.end(), s.rbegin());
}


// 函数is_palindrome_ignore_case定义
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s) {
    return std::equal(s.begin(), s.end(), s.rbegin(),
                      [](char a, char b) {
                          return std::tolower(a) == std::tolower(b);
                      });
}

运行截图

问题回答

问题：使用 cin >> s 时不能读入含空格的完整字符串，应如何调整？

cin >> s 按空白字符分隔输入，因此输入 hello oop 会被当成两组字符串。若要将整行作为一组测试数据，应把输入循环改成 std::getline(std::cin, s)。调整后的主函数可以写为：

int main() {
    std::string s;
    while (std::getline(std::cin, s)) {
        std::cout << std::boolalpha
                  << "区分大小写: " << is_palindrome(s) << '\n'
                  << "不区分大小写: " << is_palindrome_ignore_case(s)
                  << "\n\n";
    }
}

此外，如果之前使用过 cin >> 读取其他数据，应在第一次调用 getline 前清理残留的换行符，例如包含 <limits> 后调用 std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');。

实验任务5

源代码

task5.cpp：

点击查看代码

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

std::string dec2n(int x, int n = 2);

int main() {
    int x;
    while(std::cin >> x) {
        std::cout << "十进制: " << x << '\n'
                  << "二进制: " << dec2n(x) << '\n'
                  << "八进制: " << dec2n(x, 8) << '\n'
                  << "十二进制: " << dec2n(x, 12) << '\n'
                  << "十六进制: " << dec2n(x, 16) << '\n'
                  << "三十二进制: " << dec2n(x, 32) << "\n\n"; 
    }
}

// 函数dec2n定义
std::string dec2n(int x, int n) {
    if (x == 0) return "0"; 
    std::string result;
    while (x > 0) {
        int remainder = x % n;
        if (remainder < 10) {
            result += std::to_string(remainder);
        } else {
            result += static_cast<char>('A' + (remainder - 10));
        }
        x /= n;
    }
    std::reverse(result.begin(), result.end());
    return result;
}

运行截图

实验任务6

源代码

task6.cpp：

点击查看代码

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
#include <cctype>

std::string cipher = "a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z";

std::string encrypt(const std::string &s, int key);

int main()
{
    using namespace std;
    cout << setw(3) << " " << cipher << endl;
    for (int i = 1; i <= 26; i++)
    {
        cout << setw(2) << i << " " << encrypt(cipher, i) << endl;
    }
}

std::string encrypt(const std::string &s, int key)
{
    std::string result;
    for (auto c : s)
    {
        if (c == ' ')
        {
            result += ' ';
            continue;
        }
        char new_c = toupper('a' + (c - 'a' + key) % 26);
        result += new_c;
    }
    return result;
}

运行截图

实验任务7

源代码

task7.cpp：

点击查看代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <iomanip>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

int main()
{
    using namespace std;

    srand(static_cast<unsigned int>(time(0)));
    const int num_questions = 10;
    int correct_answers = 0;

    for (int i = 0; i < num_questions; i++)
    {
        int a = rand() % 10 + 1;
        int b = rand() % 10 + 1;
        char op;
        int answer;

        // 随机选择运算符并计算答案
        switch (rand() % 4)
        {
        case 0: // 加法
            op = '+';
            answer = a + b;
            break;
        case 1: // 减法
            op = '-';
            if (a < b)
                swap(a, b); // 确保第一个操作数大于等于第二个操作数
            answer = a - b;
            break;
        case 2: // 乘法
            op = '*';
            answer = a * b;
            break;
        case 3: // 除法
            op = '/';
            while (b == 0 || a % b != 0)
            { // 确保除数不为零且能整除
                a = rand() % 10 + 1;
                b = rand() % 10 + 1;
            }
            answer = a / b;
            break;
        }

        cout << a << " " << op << " " << b << " = ";
        int user_answer;
        cin >> user_answer;

        if (user_answer == answer)
        {
            ++correct_answers;
        }
    }

    double accuracy = static_cast<double>(correct_answers) / num_questions * 100.0;
    cout << "正确率: " << fixed << setprecision(2) << accuracy << "%" << endl;

    return 0;
}

运行截图

实验总结

本次实验将容器、迭代器和算法结合起来，完成了反转、移位、排序、统计及字符串处理。string 和 vector 封装了数据的存储与管理，标准算法通过迭代器操作数据，使相同的处理逻辑能够用于不同容器。函数模板进一步复用了输出逻辑，const 引用则同时表达了只读意图并避免不必要的复制。

完成这些任务需要特别注意区间与边界。标准算法通常使用左闭右开区间 [first, last)，局部排序时要准确确定首尾位置；进制转换要单独处理0；字母移位要处理末尾回绕；随机出题要先保证减法和除法的约束，再评判用户答案。