OOP-实验3
实验任务1
源代码 button.hpp,window.hpp,task1.cpp
点击查看代码 button.hpp
#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";
}
点击查看代码 window.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "button.hpp"
// 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;
}
点击查看代码 task1.cpp
#include "window.hpp"
#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();
}
运行测试截图
-
问题1：这个范例中，
Window和Button是组合关系吗？ -
回答：是的，
Button是Window组成的一部分。 -
问题2：
bool has_button(const std::string &label) const;被设计为私有。思考并回答： -
（1）若将其改为公有接口，有何优点或风险？
-
回答：优点是在类外也可以复用接口；风险是接口完全暴露在外部，容易造成数据泄露。
-
（2）设计类时，如何判断一个成员函数应为public还是private？（可从“用户是否需要”、“是否仅为内部实现
细节”、“是否易破坏对象状态”等角度分析。） -
回答：其一，看是否需要对外部提供规范化接口，若需要则应把成员函数设计为public；其二，看是否是内部实现环节的一部分，若是则应把成员函数设计为private；其三，除为外部提供的修改接口外，其余涉及修改操作的成员函数应考虑为private。
-
问题3：
Button的接口const std::string& get_label() const;返回const std::string&。对比以下两种接口设计在性能和安全性方面的差异并精炼陈述。
接口1：const std::string& get_label() const;
接口2：const std::string get_label() const; -
回答：接口1返回
const std::string&，提供的是Button成员label的本体，加以const约束，由于不涉及拷贝操作，性能更优，但label直接暴露在类外，安全性较差；接口2返回const std::string，提供的是Button成员label的副本，因此类外的操作仅针对副本，而不涉及label自己，安全性更高，但涉及到拷贝操作，性能有所损耗。 -
问题4：把代码中所有
xx.push_back(Button(xxx))改成xx.emplace_back(xxx)，观察程序是否正常运行；查阅资料，回答两种写法的差别。 -
回答：程序能够正常运行。
push_back的参数是对象，将对象拷贝存到容器内；emplace_back的参数是构造对象的参数列表，通过参数列表创建对象存到容器内。
实验任务2
源代码 task2.cpp
点击查看代码 task2.cpp
#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);
}
运行测试截图
- 问题1：测试模块1中这两行代码分别完成了什么构造？
v1、v2各包含多少个值为42的数据项？
-
回答：第1行代码完成带参构造，第2行代码完成拷贝构造。
v1、v2均包含5个值为42的数据项。 -
问题2：测试模块2中这两行代码执行后,
v1.size()、v2.size()、v1[0].size()分别是多少？
-
回答：
v1.size()、v2.size()、v1[0].size()分别是2、2、3。 -
问题3：测试模块1中，把
v1.at(0) = -1;写成v1[0] = -1;能否实现同等效果？两种用法有何区别？ -
回答：能实现同等效果。前者是成员函数，具有索引越界的判断功能，安全性较高，但是性能低于后者；后者实现的本质是指针偏移，不具有索引越界的判断功能，性能较高，但安全性低于前者。
-
问题4：测试模块2中执行
v1.at(0).push_back(-1);后 -
（1）用以下两行代码，能否输出-1？为什么？
-
回答：能输出-1，因为
r是v1.at(0)的引用，在上一行代码中，v1.at(0)尾插-1值，r.at(r.size()-1)就是访问尾值-1. -
（2）
r定义成用const &类型接收返回值，在内存使用上有何优势？有何限制？ -
回答：优势是避免拷贝操作，且保护
v1.at(0)里的数据安全；限制是r仅能访问v1.at(0)里的元素，而不能进行修改操作。 -
问题5：观察程序运行结果，反向分析、推断：
-
（1） 标准库模板类
vector的复制构造函数实现的是深复制还是浅复制？ -
回答：深复制。
-
（2）
vector<T>::at()接口思考：当v是vector<int>时，v.at(0)返回值类型是什么？当v是const vector<int>时，v.at(0)返回值类型又是什么？据此推断at()是否必须提供带const修饰的重载版本？ -
回答：当
v是vector<int>时，v.at(0)返回值类型是int&;当v是const vector<int>时，v.at(0)返回值类型是const int&。因此，at()提供带const修饰的重载版本是有必要的。
实验任务3
源代码 vectorInt.hpp,task3.cpp
点击查看代码 vectorInt.hpp
#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;
}
点击查看代码 task3.cpp
#include "vectorInt.hpp"
#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';
}
运行测试截图
- 问题1：当前验证性代码中，
vectorInt接口assign实现是安全版本。如果把assign实现改成版本2，逐条指出版本2存在的安全隐患和缺陷。（提示：对比两个版本，找出差异化代码，加以分析）
// 版本2
vectorInt &vectorInt::assign(const vectorInt &vi)
{
delete[] ptr;
n = vi.n;
ptr = new int[n];
for (int i = 0; i < n; ++i)
ptr[i] = vi.ptr[i];
return *this;
}
-
回答：一是未判断
this == &vi，存在冗余操作的风险；二是直接将ptr指向尚未赋值完成的空间，安全性较弱。 -
问题2：当前验证性代码中，重载接口
at内部代码完全相同。若把非const版本改成如下实现，可消除重复并遵循“最小化接口”原则（未来如需更新接口，只更新const接口，另一个会同步）。
int &vectorInt::at(int index)
{
return const_cast<int &>(static_cast<const vectorInt *>(this)->at(index));
}
-
（1）
static_cast<const vectorInt*>(this)的作用是什么？转换前后this的类型分别是什么？转换目的？ -
回答：
static_cast<const vectorInt*>(this)将vectorInt指针this转为const vectorInt指针，为了给this加上const约束。 -
（2）
const_cast<int&>的作用是什么？转换前后的返回类型分别是什么？转换目的？ -
回答：
const_cast<int&>将const vectorInt指针转为int&类型，为了与返回值匹配。 -
问题3：
vectorInt类封装了begin()和end()的const/非const接口。 -
（1）以下代码片段，分析编译器如何选择重载版本，并总结这两种重载分别适配什么使用场景。
vectorInt v1(5);
const vectorInt v2(5);
auto it1 = v1.begin(); // 调用哪个版本？
auto it2 = v2.begin(); // 调用哪个版本？
-
回答：根据const/非const匹配对应const/非const接口。const版本适用于仅访问对象数据的场景，非const版本适用于涉及对象修改的场景。
-
（2）拓展思考（选答*）：标准库迭代器本质上是指针的封装。
vectorInt直接返回原始指针作为迭代器，这种设计让你对迭代器有什么新的理解？ -
回答：这说明迭代器也可以使用指针的操作。
-
问题4：以下两个构造函数及
assign接口实现，都包含内存块的赋值和复制操作。使用算法库<algorithm>改成如下写法是否可以？回答这3行更新代码的功能。
vectorInt::vectorInt(int n_, int value) : n{n_}, ptr{new int[n_]}
{
std::fill_n(ptr, n, value); // 更新
}
vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi) : n{vi.n}, ptr{new int[n]}
{
std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr); // 更新
}
vectorInt &vectorInt::assign(const vectorInt &vi)
{
if (this == &vi)
return *this;
int *ptr_tmp;
ptr_tmp = new int[vi.n];
std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp); // 更新
delete[] ptr;
n = vi.n;
ptr = ptr_tmp;
return *this;
}
- 回答：可以。第一个函数实现大小为
n，值均为value的vectorInt对象初始化；第二个函数实现拷贝构造函数的操作；第三个函数实现已有对象的拷贝操作。
实验任务4
源代码 matrix.hpp,task4.cpp
点击查看代码 matrix.hpp
#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
};
// 构造rows_*cols_矩阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value)
: n_rows(rows_), n_cols(cols_)
{
ptr = new double[n_rows * n_cols];
std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
// 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, double value)
: n_rows(rows_), n_cols(rows_)
{
ptr = new double[n_rows * n_cols];
std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
// 深复制
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);
}
// 析构函数
Matrix::~Matrix()
{
delete[] ptr;
}
// 按行复制pvalue指向的数据，要求size=rows*cols,否则报错退出
void Matrix::set(const double *pvalue, int size)
{
if (size != n_rows * n_cols)
{
std::cerr << "Error: Size mismatch in set method." << std::endl;
std::exit(EXIT_FAILURE);
}
std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}
// 矩阵对象数据项置0
void Matrix::clear()
{
std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0);
}
// 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）
const double &Matrix::at(int i, int j) const
{
if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
{
std::cerr << "IndexError: Index out of range." << std::endl;
std::exit(EXIT_FAILURE);
}
return ptr[i * n_cols + 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）
double &Matrix::at(int i, int j)
{
if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
{
std::cerr << "IndexError: Index out of range." << std::endl;
std::exit(EXIT_FAILURE);
}
return ptr[i * n_cols + j];
}
// 返回矩阵对象行数
int Matrix::rows() const
{
return n_rows;
}
// 返回矩阵对象列数
int Matrix::cols() const
{
return n_cols;
}
// 按行打印数据
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;
}
}
点击查看代码 task4.cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include "matrix.hpp"
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';
}
运行测试截图
实验任务5
源代码 contact.hpp,contactBook.hpp,task5.cpp
点击查看代码 contact.hpp
#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;
}
点击查看代码 contactBook.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "contact.hpp"
// 通讯录类
class ContactBook
{
public:
void add(const std::string &name, const std::string &phone); // 添加联系人
void remove(const std::string &name); // 移除联系人
void find(const std::string &name) const; // 查找联系人
void display() const; // 显示所有联系人
size_t size() const;
private:
int index(const std::string &name) const; // 返回联系人在contacts内索引，如不存在，返回-1
void sort(); // 按姓名字典序升序排序通讯录
private:
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();
}
// 待补足1：int index(const std::string &name) const;实现
// 返回联系人在contacts内索引; 如不存在，返回-1
int ContactBook::index(const std::string &name) const
{
for (size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i)
{
if (contacts[i].get_name() == name)
{
return static_cast<int>(i);
}
}
return -1;
}
// 待补足2：void ContactBook::sort();实现
// 按姓名字典序升序排序通讯录
void ContactBook::sort()
{
std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), [](const Contact &a, const Contact &b)
{ return a.get_name() < b.get_name(); });
}
点击查看代码 task5.cpp
#include "contactBook.hpp"
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();
}
运行测试截图
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