课程实验1 现代C++编程初体验
实验任务1
源代码 task1.cpp
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// 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);
}
运行测试及结果
字符串 s0 为 0123456789；s1 原地反转后为 9876543210；s2 通过 reverse_copy 得到同样的逆序结果，s0 保持不变。数组 {2, 0, 4, 9} 反转后为 {9, 4, 0, 2}。四组 rotate 结果分别对应左移1位、左移2位、右移1位、右移2位。
问题1：reverse 和 reverse_copy 有什么区别？
reverse(first, last) 在原区间内反转元素，会改变原序列。reverse_copy(first, last, result) 将逆序结果复制到目标区间，原序列不变，目标空间必须足够且不能与源区间重叠。本例先为 s2 分配与 s0 等长的空间，再复制结果。
问题2：rotate 如何改变元素顺序？三个参数分别是什么？
rotate(first, middle, last) 将 [first, last) 分成 [first, middle) 和 [middle, last) 两段，交换两段的位置，各段内部顺序保持不变，使 middle 原来指向的元素成为新的首元素。first 是区间起点，middle 是新的起点，last 是尾后位置。本例 middle 分别为 begin()+1、begin()+2、end()-1、end()-2，对应循环左移1位、左移2位、右移1位、右移2位。
实验任务2
源代码 task2.cpp
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#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;
}
运行测试及结果
全区间排序结果递增；局部排序只改变中间8个元素，首尾元素保持原位。min_element/max_element 与 minmax_element 得到相同的最值。截图中该次运行的最小值为10、最大值为78，均值为36.00；去掉一个最大值和一个最小值后，均值为34.00。
问题1：generate 算法的作用是什么？
generate(first, last, gen) 对 [first, last) 中的每一个元素调用一次生成器 gen，并将返回值赋给该元素。它会覆盖区间内原有元素，不会自动扩充容器。本例生成10个 [0, 100] 内的随机整数。
问题2：minmax_element 比分别调用 min_element、max_element 有什么优势？
minmax_element 在一轮扫描中同时寻找最小值和最大值，返回二者迭代器组成的 pair，减少重复遍历和比较；分别调用两个函数需要各遍历一次。两种方式的时间复杂度均为 O(N)。需注意：若存在重复最大值，minmax_element 返回最后一个最大值的位置，而 max_element 返回第一个，二者的最大值相同，迭代器位置可能不同。
问题3：lambda 表达式是什么？替换后的效果是否等同？
[](){ return std::rand()%101; } 是一个 lambda 表达式：[] 表示不捕获外部变量，() 表示无参数，花括号内是函数体，返回类型由返回值推导。将两处 generate 的第三个参数改成该表达式，与命名函数都执行相同的随机数计算，效果等同。本次另建测试副本，以相同固定种子比较，二者完整输出一致；不同时间运行时随机序列本身可以不同。lambda 适合只在局部使用、逻辑简短的生成器、比较器或转换操作；多处复用或逻辑复杂时，命名函数通常更清楚。
实验任务3
源代码 task3.cpp
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#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';
}
运行测试及结果
Hello World 2049! 分别转换为 hello world 2049! 和 HELLO WORLD 2049!；字符移位结果为 J mpwf dptnpt!。
问题1：自定义函数 func 的功能是什么？
将英文字母按字母表循环后移一位，并保持大小写：a→b、y→z、z→a，A→B、Z→A；数字、空格及标点不变。因此 I love cosmos! 变为 J mpwf dptnpt!。
问题2：tolower 和 toupper 的功能分别是什么？
std::tolower 将可转换的大写字母变成小写；std::toupper 将可转换的小写字母变成大写，不需要转换的字符保持不变。本实验处理英文字符。对于一般 char 数据，调用前应先转换为 unsigned char，以满足字符分类与转换函数的参数要求。
问题3：transform 的4个参数各表示什么？改成 s1.begin() 有何区别？
本例的一元 transform 的4个参数依次为：源区间起点、源区间尾后位置、目标区间起点、对每个元素执行的转换函数。使用 s2.begin() 时，转换结果存入 s2，s1 不变；改用 s1.begin() 时，结果写回 s1，实现原地变换，s2 仍保留原先初始化的空格。本例这种输入输出从同一位置开始的一元变换是允许的。
实验任务4
源代码 task4.cpp
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#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cctype>
bool is_palindrome(const std::string &s);
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s);
int main() {
using namespace std;
string s;
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";
}
}
bool is_palindrome(const std::string &s) {
std::string reversed(s);
std::reverse(reversed.begin(), reversed.end());
return s == reversed;
}
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s) {
std::string lower(s);
std::transform(lower.begin(), lower.end(), lower.begin(),
[](unsigned char c) { return std::tolower(c); });
return is_palindrome(lower);
}
运行测试及结果
按 level、Level、hello、A、12321、AbBa、abca 的顺序输入，最后按 Ctrl+Z 回车结束。level、A、12321 两种判断均为 true；Level、AbBa 区分大小写为 false、不区分大小写为 true；hello、abca 两种判断均为 false。
问题：使用 cin >> s 输入时，输入的字符串中不能包含空格。如果希望测试字符串包含空格（如 hello cpp），代码应如何调整？
将 while(cin >> s) 改为 while(getline(cin, s))，即可按整行读取并保留行内空格。此时空格也参与回文判断，忽略大小写不表示忽略空格。若此前使用过 cin >>，应先处理残留换行，再使用 getline；本题主程序从一开始就按行读取时，无需额外处理。
实验任务5
源代码 task5.cpp
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#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";
}
}
// 本实验限定 x >= 0，2 <= n <= 36。
std::string dec2n(int x, int n) {
const std::string digits = "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
std::string result;
do {
result += digits[x % n];
x /= n;
} while(x != 0);
std::reverse(result.begin(), result.end());
return result;
}
运行测试及结果
采用除基取余法，逐次保存余数对应的字符，最后反转；do-while 保证输入0时返回字符串 "0"，默认参数 n=2 表示二进制。截图依次输入 0、42、55、2147483647，最后按 Ctrl+Z 回车结束，二进制、八进制、十二进制、十六进制和三十二进制结果均与预期一致。
实验任务6
源代码 task6.cpp
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#include <iostream>
#include <iomanip>
int main() {
std::cout << " ";
for(int i = 0; i < 26; ++i)
std::cout << static_cast<char>('a' + i) << ' ';
std::cout << '\n';
for(int shift = 1; shift <= 26; ++shift) {
std::cout << std::setw(2) << shift << ' ';
for(int i = 0; i < 26; ++i)
std::cout << static_cast<char>('A' + (i + shift) % 26) << ' ';
std::cout << '\n';
}
}
运行测试及结果
表头为小写 a–z；第1行密文从 B 开始，第25行从 Z 开始，第26行循环回到 A。使用 (i + shift) % 26 实现字母循环移位，26行、每行26个密文字母全部输出。
实验任务7
源代码 task7.cpp
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#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <utility>
int main() {
std::srand(static_cast<unsigned int>(std::time(nullptr)));
const char operators[] = {'+', '-', '*', '/'};
int correct = 0;
for(int i = 1; i <= 10; ++i) {
int a = std::rand() % 10 + 1;
int b = std::rand() % 10 + 1;
int op = std::rand() % 4;
if(op == 1 && a < b)
std::swap(a, b);
if(op == 3) {
while(a % b != 0) {
a = std::rand() % 10 + 1;
b = std::rand() % 10 + 1;
}
}
int expected = 0;
switch(op) {
case 0: expected = a + b; break;
case 1: expected = a - b; break;
case 2: expected = a * b; break;
case 3: expected = a / b; break;
}
std::cout << "第" << i << "题: " << a << ' ' << operators[op]
<< ' ' << b << " = " << std::flush;
int answer;
if(!(std::cin >> answer))
return 0;
if(answer == expected)
++correct;
}
std::cout << "\n正确率: " << std::fixed << std::setprecision(2)
<< correct * 100.0 / 10 << "%\n";
}
运行测试及结果
每轮生成10道题，两个操作数均在 [1,10] 内，运算符随机；减法保证第一个操作数不小于第二个，除法保证整除。截图在同一 CMD 窗口连续运行两轮：第一轮全部答对，正确率 100.00%；第二轮故意答错第3、7题，正确率 80.00%。两轮题目由 time(0) 重新播种，题目不同。
五、实验总结
本次实验把容器、迭代器和算法组合起来完成了反转、排序、统计和字符变换。回文判断需要明确是否区分大小写；进制转换需要单独关注0和余数字符的顺序；随机算术题需要在生成阶段保证操作数范围、非负减法和整除条件。测试既应观察正常输出，也应覆盖边界值和不同评分情况。
浙公网安备 33010602011771号