实验三

实验任务一：

#include <iostream>
#include <string>

class Button {
public:
    Button(const std::string &label_);
    const std::string& get_label() const; //‘&’不是函数的引用，而是一个“返回值为const std::string&的成员函数”
    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";
}
button.hpp

#include <iostream>
#include <string>

class Button {
public:
    Button(const std::string &label_);
    const std::string& get_label() const; //‘&’不是函数的引用，而是一个“返回值为const std::string&的成员函数”
    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";
}
button.hpp

#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();
}

task1.cpp

运行结果为：

问题一：

是的

问题二：

（1）将 `has_button` 从私有改为公有接口的主要优点是增强了类的灵活性，允许外部代码在操作前检查按钮存在性，便于实现条件逻辑和测试验证。然而，这会破坏封装性原则，暴露内部状态细节，可能导致外部代码绕过设计意图直接依赖实现细节，增加维护负担，并在多线程环境下引入竞态条件风险。总体而言，这种改动在需要外部查询功能时提供便利，但需要权衡对软件设计质量和长期维护性的影响。

（2）设计类成员函数的公私性时，应遵循"最小暴露原则"：仅将类对外承诺的核心功能设为public，使用户能完成预期任务而不破坏对象状态；将内部实现细节、辅助方法或可能破坏对象一致性的操作设为private，防止用户依赖易变的实现细节。关键在于站在使用者角度思考——隐藏该函数是否影响类的正常使用？若不影响则应为private，以维护封装性和未来修改的灵活性。

问题三：

接口1性能更优但需注意对象生命周期，接口2安全性更高但性能有代价，应根据具体使用场景权衡选择。在Button生命周期可控且需要高效访问的场景下，接口1是更佳选择。

问题四：

`emplace_back` 与 `push_back` 的核心差别在于构造方式：`push_back` 需要先构造临时对象再拷贝/移动到容器，而 `emplace_back` 直接在容器内存中构造对象，避免了临时对象的创建和拷贝开销。在将 `push_back(Button(xxx))` 改为 `emplace_back(xxx)` 后程序正常运行，且性能更优，因为省去了临时 Button 对象的构造和拷贝步骤，特别对于自定义类对象这种改进能提升效率。

实验任务二：

#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);
}

task2.cpp

运行结果为：

问题一：

这行代码 `std::vector<int> v1(5,42);` 使用 vector 的填充构造函数创建了 v1，它包含 5 个元素，每个元素的值都是 42；随后通过拷贝构造函数 `const std::vector<int> v2(v1)` 创建 v2，它复制了 v1 的所有内容，因此 v2 同样包含 5 个值为 42 的元素。两者在构造完成后具有完全相同的数据。

问题二：

v1 和 v2 都是二维 vector，各包含 2 行，其中第一行有 3 个元素，第二行有 4 个元素。

问题三：

在当前代码中，由于索引 0 肯定在有效范围内，两种写法效果相同，但 at() 提供了更好的安全性保障。

问题四：

（1）通过 v1.at(0).push_back(-1) 已向v1的第一个子vector末尾添加了元素-1，而 v1.at(0) 返回的是该子vector的引用，因此用 std::vector<int> &r 接收后，r成为这个子vector的别名，r.at(r.size()-1) 自然能访问到最后一个元素-1，所以能够正确输出。

（2）使用const &接收返回值的主要优势是避免对象拷贝，节省内存和提高性能，同时提供只读安全保证防止意外修改；限制在于无法通过该引用修改对象内容，只能调用const成员函数，在需要修改操作的场景下会受到约束。这种用法在只需读取而不需修改数据时是最佳选择。

问题五：

（1）从程序运行结果可见，修改v1后v2保持不变，且向v1[0]添加元素不影响v2，这证明vector的复制构造函数实现的是深复制，会递归复制所有元素及其嵌套内容，创建完全独立的内存空间，而非共享数据的浅复制。

（2）at()必须提供const重载版本，因为当v是普通vector时at(0)返回int&允许修改，而当v是const vector时需返回const int&保证只读访问，这既符合const正确性要求，又能防止通过接口意外修改const对象内容，是C++语言规范的基本要求。

实验任务三：

#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;
}

vectorInt.hpp

#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';
}

task3.cpp

运行结果为：

问题一：

版本2的assign实现存在严重安全隐患：它未处理自赋值情况，当对象自我赋值时会立即删除自身数据导致后续访问已释放内存；同时缺乏异常安全保证，如果在new分配内存时失败，对象将处于资源泄漏的无效状态；此外直接删除原有资源而没有备份机制，违背了RAII原则和强异常安全要求，可能引发程序崩溃或数据损坏。

问题二：

（1）static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是将非 const 的 vectorInt* 类型 this 指针转换为 const 的 const vectorInt* 类型，目的是为了能够调用 const 重载版本的 at 方法，从而复用其实现逻辑，避免代码重复。

（2）const_cast<int&> 的作用是将 const 版本 at 方法返回的 const int& 类型去除 const 限定，转换为非 const 的 int& 类型，目的是满足非 const 版本 at 接口的契约要求，允许通过返回的引用修改元素值，同时保持与 const 版本实现的一致性。

问题三：

（1）编译器根据对象的const性质选择迭代器重载版本：非const对象v1调用非const版本的begin()，返回可修改的迭代器；const对象v2调用const版本的begin()，返回只读迭代器。非const版本适配需要修改元素的场景，const版本适配只读访问场景，共同保证了类型的const正确性和操作的安全性。

（2）vectorInt直接返回原始指针作为迭代器揭示了迭代器的核心本质是"泛化的指针"，它抽象了容器访问的统一接口而非强调实现复杂度。对于连续内存的vector，原始指针天然满足迭代器的所有操作要求，这让我理解到迭代器模式的关键在于提供一致的操作语义，而非实现的复杂性，指针本身就是最简单高效的迭代器实现。

问题四：

使用算法库的这三行更新代码完全可以替代原有实现，它们分别使用 `std::fill_n` 将指定值填充到内存块、使用 `std::copy_n` 复制指定数量的元素到目标内存，这种改写不仅使代码更简洁安全，避免了手写循环可能出现的边界错误，还通过标准库算法的优化提升了可读性和潜在性能，符合C++最佳实践。

实验任务四：

#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';
}

task4.cpp

#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
};

matrix.hpp

// matrix.cpp
#include "matrix.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <algorithm>

// 构造函数：rows_×cols_矩阵，初值value
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(cols_), ptr(new double[rows_ * cols_]) {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value);
}

// 构造函数：rows_×rows_方阵，初值value
Matrix::Matrix(int rows_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(rows_), ptr(new double[rows_ * rows_]) {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value);
}

// 拷贝构造函数：深复制
Matrix::Matrix(const Matrix &x) 
    : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(new double[x.n_rows * x.n_cols]) {
    std::copy_n(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
void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "Error: Size mismatch in Matrix::set\n";
        std::exit(1);
    }
    std::copy_n(pvalue, size, ptr);
}

// 矩阵对象数据项置0
void Matrix::clear() {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, 0.0);
}

// 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项const引用
const double& Matrix::at(int i, int j) const {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "Error: Index out of range in Matrix::at\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

// 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项引用
double& Matrix::at(int i, int j) {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "Error: Index out of range in Matrix::at\n";
        std::exit(1);
    }
    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) {
        std::cout << at(i, 0);
        for (int j = 1; j < n_cols; ++j) {
            std::cout << ", " << at(i, j);
        }
        std::cout << '\n';
    }
}

运行结果为：

实验任务五：

#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;
}

contact.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(int i = 0;i < contacts.size();i++)
    {
        std::string get_name = contacts[i].get_name();
        if(name == get_name)
        return 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(){
    //使用sort，内部使用lambda表达式对contact类自定义比较
    //lambda表达式：[capture](parameters) -> return_type{//函数体（执行逻辑}
    std::sort(contacts.begin(),contacts.end(),[](const Contact&a,const Contact&b){return a.get_name() < b.get_name();});
}

contactBook.hpp

#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();
}

task5.cpp

运行结果为：