实验1 现代C++编程初体验

实验结论

实验任务1

• task1.cpp

// 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);
}

• 截图1

• 问题回答
  1. 问题1： reverse 和 reverse_copy 有什么区别？
     一个是原地逆序，一个是复制时逆序。
     reverse(first, last) 会把区间 [first, last) 中的元素原地反转，要求双向迭代器。它通过不断交换首尾元素实现，源区间本身被改变。新位置 i 上的元素来自原位置 n-1-i。
     reverse_copy(first, last, result) 会把 [first, last) 中的元素逆序复制到从 result 开始的目标区间，要求源区间是输入迭代器，目标区间是输出迭代器（目标区间必须足够大且通常不能与源区间重叠）。
  2. 问题2： rotate 算法是如何改变元素顺序的？它的三个参数分别代表什么？
     rotate(first, middle, last) 的作用是把区间 [first, last) 进行循环移位，使得 middle 所指的元素成为新的第一个元素。等价于把区间分成两段，A = [first, middle) 和 B = [middle, last) 然后交换这两段的位置。
     常见实现方法有：三次反转法，用一系列 reverse 实现循环移位；循环置换，把每个元素直接放到它最终应该在的位置，沿循环链移动，避免多余交换，需要计算长度和步长的最大公约数；分块交换，对于随机访问迭代器，可能通过不断交换相邻块，逐步把 B 移到前面。
     设区间长度为 n，k = middle - first。 则 rotate 的结果是原序列循环左移 k 位：新[i] = 原[(i + k) mod n]。

实验任务2

• task2.cpp

#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;
}

• 截图2

• 回答问题
  1. 问题1： generate 算法的作用是什么？
     • generate( first, last, g) 可以从first到last对区间内的每一个元素，调用一次g()，把返回值赋给该元素 。
     • 例如：

     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
     

     • 其中v0.begin() 指向v0的第一个元素， v0.end() 指向v0最后一个元素之后，generate_random_number 是函数名。传入时函数名会自动转换成一个类型为 int (*)() 的函数指针。意为指向一个“无参数、返回int”的函数的指针。 generate 的第三个参数本质上是一个”可以像函数一样调用的东西“。在 generate 内部，它可以写 g() 来调用它，每调一次就得到一个随机整数。
  2. 问题2： minmax_element 和分别调用 min_element / max_element 相比，有什么优势？
     只 遍历1遍 ，比较次数约为1.5n；意图更集中，且保证两个结果来自同一次遍历的同一时刻。对于vector 这种随机访问容器，可以减少缓存和比较带来的消耗。
  3. 问题3：查询 generate 第3个参数 [](){return std::rand()%101;} 用法，与使用自定义函数 generate_random_number 相比，lambda表达式适用场景是什么？
     • lambda 表达式是一种 匿名函数 ，通过简洁语法替代传统函数定义，可直接转换为匿名方法。C++中其类型是一个闭包类型，这个闭包类型有一个 operator()，调用它等价 h于执行 lambda 体。命名函数不能捕获外部局部变量。它只能通过参数、全局变量或静态变量获得额外状态，而lambda 可以捕获。
     • 适用场景：
       1. 逻辑简单，一两行能写完。
       2. 一次性使用，不需要在别处复用。
       3. 需要捕获外部变量（阈值、计数器、容器、配置等）。
       4. 希望逻辑就地可见，减少跳转。
       5. 作为算法参数临时构造一个可调用对象。

实验任务3

• task3.cpp

#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';
}

• 截图3

• 回答问题
  1. 问题1：自定义函数 func 功能是什么？
     功能是对字母做 循环加一 变换（凯撒式变换），对非字母字符原样返回。 isalpha(c) 判断c 是否是字母；c 是 unsigned char，c+1 中 c 会先变为 int 。func函数返回类型是 unsigned char，所以需要 static_cast<unsigned char> 显式转换回去。
  2. 问题2： tolower 和 toupper 功能分别是什么？
     std::tolower 和 std::toupper 是 <cctype> 里的 字符大小写转换函数 ，进行大小写映射。std::tolower(c)：如果 c 是大写字母，返回对应的小写字母；否则原样返回；std::toupper(c)：如果 c 是小写字母，返回对应的大写字母；否则原样返回。
  3. 问题3： transform 的4个参数意义分别是什么？如果把第3个参数 s2.begin() 改成 s1.begin() 有何区别？

     template<class InputIt, class OutputIt, class UnaryOp>
     OutputIt transform(InputIt first1, InputIt last1,
                        OutputIt d_first,
                        UnaryOp unary_op);
     

     first1 ： 输入区间的起点 ，指向第一个待处理字符。
     last1 ： 输入区间的终点 （不含），和 first1 一起构成左闭右开区间。
     d_first ： 输出区间的起点 ，transform 把每个返回值依次写到从这里开始的位置。
     unary_op ： 一元可调用对象 ，对输入区间每个元素调用一次，返回变换后的值。
     如果第三个参数是 s1.begin() ，输入区间和输出区间完全重叠，效果是原地变换 。输出结果如截图3‘（变换结果覆盖了原字符串s1，原内容不再保留；而s2保持预分配时的空格不变）。
     

实验任务4

• task4.cpp

#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) {
    std::string reversed_s1(s.size(), ' ');
    std::reverse_copy(s.begin(), s.end(), reversed_s1.begin());
    return reversed_s1  == s;
}

// 函数is_palindrome_ignore_case定义
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string& s) {
    std::string lower_s(s.size(), ' ');
    std::transform(s.begin(), s.end(), lower_s.begin(), ::tolower);
    std::string reversed_s2(lower_s.size(), ' ');
    std::reverse_copy(lower_s.begin(), lower_s.end(), reversed_s2.begin());
    return reversed_s2 == lower_s;
}

• 截图4

• 回答问题
  • 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 oop ）代码应如何调整？
    可以将cin >> s 换成 std::getline 。（最好不混用，避免空串；空串可以用 if (s.empty()) continue; 避免）std::getline(std::cin, s) 会从输入流读取一整行（默认以 '\n' 为分隔符，不包含换行符本身），空格、制表符都会保留在 s 中。

实验任务5

• task5.cpp

#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 digit = x % n;
        if (digit < 10) {
            result = char('0' + digit) + result;
        }
        else {
            result = char('A' + digit - 10) + result;
        }
        x /= n;
    }
    return result;
}

• 截图5

实验任务6

• task6.cpp

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

unsigned char caesar_shift(unsigned char c, int k) {
	int n = (c - 'A' + k) % 26;
    if (n < 0)
        n += 26;
	return static_cast<unsigned char>('A' + n);
}

int main() {
	char c;
	int k;
	std::cout << "  ";
	for(c='a'; c<='z'; ++c) {
		std::cout << std::setw(2) << c;
	}
	std::cout << std::endl;
	for (k = 1; k <= 26; ++k) {
		std::cout << std::setw(2) << k;
		for(c='A'; c<='Z'; ++c) {
			std::cout << std::setw(2) 
				<< static_cast<char>(caesar_shift(static_cast<unsigned char>(c), k));
		}
		std::cout << std::endl;
	}
	return 0;
}

• 截图6

实验任务7

• task7.cpp

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

int generateq(int& a, int& b, int& op0) {
	op0 = rand() % 4;
	a = rand() % 10 + 1;
	b = rand() % 10 + 1;

	while (op0 == 3 && a % b != 0) {
		a = rand() % 10 + 1;
		b = rand() % 10 + 1;
	}
	if (op0 == 1 && a < b)
		std::swap(a, b);

	switch (op0) {
		case 0:
			return a + b;
		case 1:
			return a - b;
		case 2:
			return a * b;
		case 3:
			return a / b;
	}
	return 0;
}

int main() {
	srand(static_cast<unsigned>(time(0)));
	int i, correct = 0;
	for (i = 1; i <= 10; i++) {
		int a, b, op0, stuans;
		char op;
		int answer = generateq(a, b, op0);
		switch (op0) {
			case 0:
				op = '+';
				break;
			case 1:
				op = '-';
				break;
			case 2:
				op = '*';
				break;
			case 3:
				op = '/';
				break;
		}
		std::cout << a << " " << op << " " << b << " = ";
		std::cin >> stuans;
		if (stuans == answer)
			correct++;
	}
	double rate = correct * 100.0 / 10;
	std::cout << std::fixed << std::setprecision(2)
		<< "正确率：" << rate << "%" << std::endl;
	return 0;
}

• 截图7

实验总结

• 标准库的使用范式：用 迭代器 划定半开区间，用 算法 完成区间上的排列、生成、查找、变换，用 可调用对象 描述如何操作；需要时刻注意目标区间/源区间是否被修改、字符与输入的安全边界。
• 设计程序时的思考习惯：
  1. 先看区间：[first, last) 是哪段；空区间如何表示（半开区间的设计让“空区间”自然表示为 first == last，循环条件统一为 it != last，不容易多算或少算一个元素）。
  2. 再看目标：结果写回源区间还是另写目标；目标空间是否充足。
  3. 再看可调用对象：用命名函数还是 lambda；需不需要捕获。
  4. 最后看边界：空串、非字母、除法整除、减法非负、浮点精度、输入失败...设计测试用例时注意考虑周全。