实验3

task1：

#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";
 }
 

#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();
 }

#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;
 }

运行结果截图：

问题1：是组合关系

问题2 (1)：优点是增加灵活性，外部可以查询窗口是否包含特定按钮，缺点是暴露内部实现细节，破坏封装性

　　　(2)：如果函数是类的主要功能，用户需要直接调用，应为 public，如果函数仅用于辅助内部实现，应为 private

问题3：接口1性能更优，接口2安全性更优。由于 label 在 Button 对象生命周期内保持不变，接口1是更好的选择

问题4：能正常运行。

　　　  差别：push_back(Button(label))：先构造一个临时 Button 对象然后将其拷贝或移动到 vector 中涉及两次对象构造（可能有一次优化）

　　　  emplace_back(label)：直接在 vector 的存储空间中构造 Button 对象只涉及一次构造，效率更高使用完美转发，直接传递参数给 Button 构造函数

　　　  优势：emplace_back 避免了临时对象的创建和拷贝/移动操作，在性能上更优，特别是在对象构造成本较高时。

task2：

#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);
}

运行结果截图：

问题1：std::vector<int> v1(5, 42);  创建包含5个值为42的元素的vector，const std::vector<int> v2(v1); 是拷贝构造函数，用v1拷贝构造v2。v1包含5个值为42的数据项，v2也

包含5个值为42的数据项。

问题2：v1.size()=2，v2.size()=2，v1[0].size()=3。


问题3：能实现同等效果。at() 会进行边界检查，如果索引越界会抛出std::out_of_range异常，[] 不进行边界检查，访问越界是未定义行为，at() 更安全但性能稍差

问题4 (1)：能输出-1，r引用v1的第一个内层vector

　　   (2)：优势：避免不必要的拷贝，提高性能，保证不会意外修改原数据。限制：不能通过该引用修改vector的内容。

问题5：是深复制。当v是vector<int>时，v.at(0)返回int&，当v是const vector<int>时，v.at(0)返回const int&。因此at()必须提供const重载版本。

task3：

#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;
}

#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';
}

运行结果截图：

问题1：没有检查 this == &vi，如果自赋值会导致访问已释放的内存。如果 new 失败抛出异常，对象将处于无效状态。在异常情况下无法恢复原有数据。

问题2 (1)：static_cast(this) 的作用是将当前对象转换为const版本，转换前this的类型是vectorInt* 转换后this的类型是const vectorInt* 。目的是便于调用const重载的at函数

　　   (2)：const_cast<int&> 的作用是移除const限定符。转换前返回类型是const int& ，转换后返回类型是int& 。目的是返回可修改的引用，满足非const接口的语义。

问题3 (1)：非const对象调用非const版本，const对象调用const版本。非const版本：用于需要修改容器内容的场景，返回可修改的迭代器。const版本：用于只读访问，保证容器内容不被意外修改。

问题4：可以。

std::fill_n(ptr, n, value)：从ptr开始，填充n个元素，每个元素值为value

std::copy_n(v1.ptr, v1.n, ptr)：从v1.ptr复制v1.n个元素到ptr

std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp)：从源数组 vi.ptr 开始，连续复制 vi.n 个 int 元素到目标数组 ptr_tmp 中

task4：

#include "matrix.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(cols_), ptr(nullptr) {
    if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
        std::cerr << "Error: Invalid matrix dimensions\n";
        std::exit(1);
    }
    
    ptr = new double[rows_ * cols_];
    for (int i = 0; i < rows_ * cols_; ++i) {
        ptr[i] = value;
    }
}

Matrix::Matrix(int rows_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(rows_), ptr(nullptr) {
    if (rows_ <= 0) {
        std::cerr << "Error: Invalid matrix dimensions\n";
        std::exit(1);
    }
    
    ptr = new double[rows_ * rows_];
    for (int i = 0; i < rows_ * rows_; ++i) {
        ptr[i] = value;
    }
}

Matrix::Matrix(const Matrix &x) 
    : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(nullptr) {
    if (x.ptr != nullptr) {
        ptr = new double[n_rows * n_cols];
        std::memcpy(ptr, x.ptr, n_rows * n_cols * sizeof(double));
    }
}

Matrix::~Matrix() {
    delete[] ptr;
}

void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "Error: Size mismatch in set operation\n";
        std::exit(1);
    }
    
    if (pvalue != nullptr) {
        std::memcpy(ptr, pvalue, size * sizeof(double));
    }
}

void Matrix::clear() {
    for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) {
        ptr[i] = 0.0;
    }
}

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\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

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\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

int Matrix::rows() const {
    return n_rows;
}

int Matrix::cols() const {
    return n_cols;
}

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';
    }
}

#pragma once
 // 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);    
~Matrix();
 // 深复制
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;      
int n_cols;       
double *ptr;    
};

#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);    
m1.set(x, n*m);     
Matrix m2(m, n);    
m2.set(x, m*n);     
Matrix m3(n);       
m3.set(x, n*n);     
// 创建矩阵对象m1, 大小n×m
 // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值
// 创建矩阵对象m2, 大小m×n
 // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值
// 创建一个n×n方阵对象
// 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";
 std::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';
 }

运行结果截图:

task5：

#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;
}

#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();
}
 
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;
}
 
void ContactBook::sort() {
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), 
        [](const Contact &a, const Contact &b) {
            return a.get_name() < b.get_name();
        });
}

#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();
}

运行结果截图：