实验2 现代C++编程初体验

实验任务一

源代码

T.h

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#pragma once

#include <string>

// 类T: 声明
class T {
// 对象属性、方法
public:
    T(int x = 0, int y = 0);   // 普通构造函数
    T(const T &t);  // 复制构造函数
    T(T &&t);       // 移动构造函数
    ~T();           // 析构函数

    void adjust(int ratio);      // 按系数成倍调整数据
    void display() const;           // 以(m1, m2)形式显示T类对象信息

private:
    int m1, m2;

// 类属性、方法
public:
    static int get_cnt();          // 显示当前T类对象总数

public:
    static const std::string doc;       // 类T的描述信息
    static const int max_cnt;           // 类T对象上限

private:
    static int cnt;         // 当前T类对象数目

// 类T友元函数声明
    friend void func();
};

// 普通函数声明
void func();

T.cpp

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#include "T.h"
#include <iostream>
#include <string>

// 类T实现

// static成员数据类外初始化
const std::string T::doc{"a simple class sample"};
const int T::max_cnt = 999;
int T::cnt = 0;

// 类方法

// 对象方法
T::T(int x, int y): m1{x}, m2{y} { 
    ++cnt; 
    std::cout << "T constructor called.\n";
} 

T::T(const T &t): m1{t.m1}, m2{t.m2} {
    ++cnt;
    std::cout << "T copy constructor called.\n";
}

T::T(T &&t): m1{t.m1}, m2{t.m2} {
    ++cnt;
    std::cout << "T move constructor called.\n";
}    

T::~T() {
    --cnt;
    std::cout << "T destructor called.\n";
}           

void T::adjust(int ratio) {
    m1 *= ratio;
    m2 *= ratio;
}    

void T::display() const {
    std::cout << "(" << m1 << ", " << m2 << ")" ;
}     

// 普通函数实现
void func() {
    T t5(42);
    t5.m2 = 2049;
    std::cout << "t5 = "; t5.display(); std::cout << '\n';
}

int T::get_cnt() {
    return cnt;
}

task1.cpp

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#include "T.h"
#include <iostream>

void test_T();

int main() {
    std::cout << "test Class T: \n";
    test_T();

    std::cout << "\ntest friend func: \n";
    func();
}

void test_T() {
    using std::cout;
    using std::endl;

    cout << "T info: " << T::doc << endl;
    cout << "T objects'max count: " << T::max_cnt << endl;
    cout << "T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl << endl;

    T t1;
    cout << "t1 = "; t1.display(); cout << endl;

    T t2(3, 4);
    cout << "t2 = "; t2.display(); cout << endl;

    T t3(t2);
    t3.adjust(2);
    cout << "t3 = "; t3.display(); cout << endl;

    T t4(std::move(t2));
    cout << "t4 = "; t4.display(); cout << endl;

    cout << "test: T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl;
}

运行结果

问题1：

去掉line36，不能运行

根据图片可知编译器找不到fun()，因为类T内部的friend void func()仅声明其为友元，但不会自动在全局作用域中声明func()，导致编译器在调用func()时无法识别该标识符。

问题2：

第九行：普通构造函数
功能：用来初始化T的对象，为成员变量m1，m2赋初始值。
调用时机：在创建类T的对象时。

第十行：复制构造函数
功能：用一个已存在的T类对象，复制其成员变量值来初始化新的T类对象。
调用时机：用一个对象初始化另一个对象时。

第十一行：移动构造函数
功能：利用临时对象（右值）的资源来初始化新对象，避免不必要的拷贝开销。
调用时机：用右值初始化对象的时候。

第十二行：析构函数
功能：在对象生命周期结束时，执行资源清理操作。
调用时机：在对象生命周期结束时。

问题3：

T.cpp中，line8-10，剪切到T.h的末尾，不能编译运行。

原因是，把静态成员的“定义”（带初始化）从 T.cpp 剪到 T.h 后，T.h 被 T.cpp 与 task1.cpp 同时包含，两个目标文件各自生成一份定义。

doc 是非整型静态对象，必须且只能在一个翻译单元定义一次。cnt 是非常量静态，同样只能定义一次。max_cnt 虽是 const int，但当前写法需要一个唯一的定义；把定义放进头文件会在每个包含它的 .cpp 里各生成一份。

实验任务二

源代码

Complex.h

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#pragma once
#include <string>
class Complex {
private:
    double real;  // 实部
    double imag;  // 虚部

public:
    // 静态成员：类说明文档
    static const std::string doc;

    // 构造函数
    Complex();  // 无参构造（0+0i）
    Complex(double r);  // 单参构造（实部r，虚部0）
    Complex(double r, double i);  // 双参构造（实部r，虚部i）
    Complex(const Complex& other);  // 拷贝构造

    // 成员函数：获取实部和虚部（const成员，支持const对象调用）
    double get_real() const;
    double get_imag() const;

    // 成员函数：当前复数 += 另一个复数
    void add(const Complex& other);

    // 友元函数声明
    friend void output(const Complex& c);  // 输出复数
    friend double abs(const Complex& c);  // 计算模
    friend Complex add(const Complex& a, const Complex& b);  // 两复数相加（返回新对象）
    friend bool is_equal(const Complex& a, const Complex& b);  // 判断相等
    friend bool is_not_equal(const Complex& a, const Complex& b);  // 判断不等
};

Complex.cpp

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#include "Complex.h"
#include <iostream>
#include <cmath>

// 静态成员初始化
const std::string Complex::doc = "a simplified Complex class";

// 构造函数实现
Complex::Complex() : real(0.0), imag(0.0) {}

Complex::Complex(double r) : real(r), imag(0.0) {}

Complex::Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

Complex::Complex(const Complex& other) : real(other.real), imag(other.imag) {}

// 成员函数实现
double Complex::get_real() const {
    return real;  

double Complex::get_imag() const {
    return imag; 
}

void Complex::add(const Complex& other) {
    real += other.real;
    imag += other.imag;
}

// 友元函数实现
void output(const Complex& c) {
    if (c.imag >= 0) {
        std::cout << c.real << "+" << c.imag << "i";
    }
    else {
        std::cout << c.real << c.imag << "i";
    }
}

double abs(const Complex& c) {
    return std::sqrt(c.real * c.real + c.imag * c.imag);
}

Complex add(const Complex& a, const Complex& b) {
    return Complex(a.real + b.real, a.imag + b.imag);
}

bool is_equal(const Complex& a, const Complex& b) {
    return (a.real == b.real) && (a.imag == b.imag);
}

bool is_not_equal(const Complex& a, const Complex& b) {
    return !is_equal(a, b);
}

task2

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#include "Complex.h"
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <complex>
#include "../../../C语言代码/实验二.2/Complex.h"

void test_Complex();
void test_std_complex();

int main() {
    std::cout << "*******测试1: 自定义类Complex*******\n";
    test_Complex();

    std::cout << "\n*******测试2: 标准库模板类complex*******\n";
    test_std_complex();
}

void test_Complex() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    using std::boolalpha;

    cout << "类成员测试: " << endl;
    cout << Complex::doc << endl << endl;

    cout << "Complex对象测试: " << endl;
    Complex c1;
    Complex c2(3, -4);
    Complex c3(c2);
    Complex c4 = c2;
    const Complex c5(3.5);

    cout << "c1 = "; output(c1); cout << endl;
    cout << "c2 = "; output(c2); cout << endl;
    cout << "c3 = "; output(c3); cout << endl;
    cout << "c4 = "; output(c4); cout << endl;
    cout << "c5.real = " << c5.get_real() 
         << ", c5.imag = " << c5.get_imag() << endl << endl;

    cout << "复数运算测试: " << endl;
    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
    c1.add(c2);
    cout << "c1 += c2, c1 = "; output(c1); cout << endl;
    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << is_equal(c1, c2) << endl;
    cout << "c1 != c2 : " << is_not_equal(c1, c2) << endl;
    c4 = add(c2, c3);
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = "; output(c4); cout << endl;
}

void test_std_complex() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    using std::boolalpha;

    cout << "std::complex<double>对象测试: " << endl;
    std::complex<double> c1;
    std::complex<double> c2(3, -4);
    std::complex<double> c3(c2);
    std::complex<double> c4 = c2;
    const std::complex<double> c5(3.5);

    cout << "c1 = " << c1 << endl;
    cout << "c2 = " << c2 << endl;
    cout << "c3 = " << c3 << endl;
    cout << "c4 = " << c4 << endl;

    cout << "c5.real = " << c5.real() 
         << ", c5.imag = " << c5.imag() << endl << endl;

    cout << "复数运算测试: " << endl;
    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
    c1 += c2;
    cout << "c1 += c2, c1 = " << c1 << endl;
    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << (c1 == c2)<< endl;
    cout << "c1 != c2 : " << (c1 != c2) << endl;
    c4 = c2 + c3;
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = " << c4 << endl;
}

运行结果

问题1：

（1）在使用形式上，我觉得标准库更加简洁一些。
标准库内置所有复数核心运算符重载（+、-、*、/、==、!=等），直接按数学逻辑使用，无需手动实现，而自定义类Complex若需支持多种数值类型，需要手动实现模板或者多个重载类，较为繁琐。

（2）函数和运算两者，都是基于数学的定义，对于复数进行运算，内在运算规则相同。
设计的目的都是为了封装负数的数据，避免直接操作导致一些不必要的错误。

问题2：

（1）否。自定义Complex中, output/abs/add/ 等均设为友元，它们不是必须访问私有数据才能实现其功能。可以通过共有访问器get_real和get_imag来访问私有数据。

（2）标准库 std::complex 没有把 abs 设为友元。
该函数通过 std::complex 提供的公共接口获取实部和虚部，无需作为友元：
调用 z.real() 获取实部（返回 T 类型）；
调用 z.imag() 获取虚部（返回 T 类型）；

（3）使用友元
a.想要输出类的私有成员可以设为友元，但不是必须。
b.当外部函数功能实现需要依赖私有成员时，需要设为友元。

问题3：

将 Complex 类的拷贝构造函数声明为 explicit。例如：explicit Complex(const Complex& other)，其中explicit 关键字的作用是禁止构造函数被隐式调用，仅允许显式调用（如直接初始化 Complex c3(c2);）。

实验任务三

源代码

PlayerControl.h

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#pragma once
#include <string>

enum class ControlType {Play, Pause, Next, Prev, Stop, Unknown};

class PlayerControl {
public:
    PlayerControl();

    ControlType parse(const std::string& control_str);   // 实现std::string --> ControlType转换
    void execute(ControlType cmd) const;   // 执行控制操作（以打印输出模拟）       

    static int get_cnt();

private:
    static int total_cnt;   
};

PlayerControl.cpp

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#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>   

int PlayerControl::total_cnt = 0;

PlayerControl::PlayerControl() {}


ControlType PlayerControl::parse(const std::string& control_str) {
    //将大写字母转换为小写字母以实现不区分大小写的比较
    std::string lower_str = control_str;
    for (size_t i = 0; i < lower_str.size(); ++i) {
        if (lower_str[i] >= 'A' && lower_str[i] <= 'Z') {
            lower_str[i] = lower_str[i] + ('a' - 'A');
        }
    }

    ControlType type = ControlType::Unknown;
    if (lower_str == "play") type = ControlType::Play;
    else if (lower_str == "pause") type = ControlType::Pause;
    else if (lower_str == "next") type = ControlType::Next;
    else if (lower_str == "prev") type = ControlType::Prev;
    else if (lower_str == "stop") type = ControlType::Stop;

    ++total_cnt;
    return type;
};

void PlayerControl::execute(ControlType cmd) const {
    switch (cmd) {
    case ControlType::Play:  std::cout << "[play] Playing music...\n"; break;
    case ControlType::Pause: std::cout << "[Pause] Music paused\n";    break;
    case ControlType::Next:  std::cout << "[Next] Skipping to next track\n"; break;
    case ControlType::Prev:  std::cout << "[Prev] Back to previous track\n"; break;
    case ControlType::Stop:  std::cout << "[Stop] Music stopped\n"; break;
    default:                 std::cout << "[Error] unknown control\n"; break;
    }
}


int PlayerControl::get_cnt() {
    return total_cnt;
}

task3.cpp

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#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>

void test() {
    PlayerControl controller;
    std::string control_str;
    std::cout << "Enter Control: (play/pause/next/prev/stop/quit):\n";

    while(std::cin >> control_str) {
        if(control_str == "quit")
            break;
        
        ControlType cmd = controller.parse(control_str);
        controller.execute(cmd);
        std::cout << "Current Player control: " << PlayerControl::get_cnt() << "\n\n";
    }
}

int main() {
    test();
}

运行结果

实验任务四

源代码

Fraction.h

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#pragma once
#include <string>

namespace fraction {

    class Fraction {
    public:
        static std::string doc();

        Fraction(int a = 0, int b = 1);
        Fraction(const Fraction& other);

        int get_up() const;
        int get_down() const;
        Fraction negative() const;

    private:
        void simplify();
        int up, down;
    };

    // 工具函数声明
    void output(const Fraction& f);
    Fraction add(const Fraction& f1, const Fraction& f2);
    Fraction sub(const Fraction& f1, const Fraction& f2);
    Fraction mul(const Fraction& f1, const Fraction& f2);
    Fraction div(const Fraction& f1, const Fraction& f2);

}

Fraction.cpp

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#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include "Fraction.h"

namespace fraction {

    // 接口实现
    std::string Fraction::doc() {
        return "Fraction类 v0.01版.\n目前仅支持分数对象的构造、输出、加/减/乘/除运算.";
    }

    Fraction::Fraction(int a, int b) : up(a), down(b) {
        simplify();
    }

    Fraction::Fraction(const Fraction& other) : up(other.get_up()), down(other.get_down()) {
    }

    static int gcd(int a, int b) {
        a = std::abs(a);
        b = std::abs(b);
        while (b != 0) {
            int temp = a % b;
            a = b;
            b = temp;
        }
        return a;
    }

    void Fraction::simplify() {
        if (down == 0) {
            return;
        }
        int gcd_val = gcd(std::abs(up), std::abs(down));
        if (gcd_val != 0) {
            up /= gcd_val;
            down /= gcd_val;
        }
        if (down < 0) {
            up *= -1;
            down *= -1;
        }
    }

    int Fraction::get_up() const { return up; }
    int Fraction::get_down() const { return down; }

    Fraction Fraction::negative() const {
        return Fraction(-up, down);
    }

    // 工具函数实现
    void output(const Fraction& f) {
        const int u = f.get_up();
        const int d = f.get_down();
        if (d == 0) {
            std::cout << "分母不能为0";
        } else if (d == 1) {
            std::cout << u;
        } else {
            std::cout << u << "/" << d;
        }
    }

    Fraction add(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
        const int u = f1.get_up() * f2.get_down() + f2.get_up() * f1.get_down();
        const int d = f1.get_down() * f2.get_down();
        return Fraction(u, d);
    }

    Fraction sub(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
        const int u = f1.get_up() * f2.get_down() - f2.get_up() * f1.get_down();
        const int d = f1.get_down() * f2.get_down();
        return Fraction(u, d);
    }

    Fraction mul(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
        const int u = f1.get_up() * f2.get_up();
        const int d = f1.get_down() * f2.get_down();
        return Fraction(u, d);
    }

    Fraction div(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
        const int u = f1.get_up() * f2.get_down();
        const int d = f1.get_down() * f2.get_up(); 
        return Fraction(u, d);
    }

} 

task4

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#include "Fraction.h"
#include <iostream>

void test1();
void test2();

int main() {
    std::cout << "测试1: Fraction类基础功能测试\n";
    test1();

    std::cout << "\n测试2: 分母为0测试: \n";
    test2();
}

void test1() {
    using std::cout;
    using std::endl;

    cout << "Fraction类测试: " << endl;
    cout << fraction::Fraction::doc() << endl << endl;

    fraction::Fraction f1(5);
    fraction::Fraction f2(3, -4), f3(-18, 12);
    fraction::Fraction f4(f3);
    cout << "f1 = "; fraction::output(f1); cout << endl;
    cout << "f2 = "; fraction::output(f2); cout << endl;
    cout << "f3 = "; fraction::output(f3); cout << endl;
    cout << "f4 = "; fraction::output(f4); cout << endl;

    const fraction::Fraction f5(f4.negative());
    cout << "f5 = "; fraction::output(f5); cout << endl;
    cout << "f5.get_up() = " << f5.get_up()
        << ", f5.get_down() = " << f5.get_down() << endl;

    cout << "f1 + f2 = "; fraction::output(fraction::add(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 - f2 = "; fraction::output(fraction::sub(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 * f2 = "; fraction::output(fraction::mul(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 / f2 = "; fraction::output(fraction::div(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f4 + f5 = "; fraction::output(fraction::add(f4, f5)); cout << endl;
}

void test2() {
    using std::cout;
    using std::endl;

    fraction::Fraction f6(42, 55), f7(0, 3);
    cout << "f6 = "; fraction::output(f6); cout << endl;
    cout << "f7 = "; fraction::output(f7); cout << endl;
    cout << "f6 / f7 = "; fraction::output(fraction::div(f6, f7)); cout << endl;
}

运行结果

问题

我的选择：命名空间 + 自由函数。
（1）友元函数实现可直接访问私有成员，写法简洁，编译期内联优化空间大。但是破坏封装、增加耦合与重编译成本；一旦内部表示变化，友元实现易受影响。
（2）类+static方案二元运算的对称性差（调用写成Fraction::add(a,b)或a.add(b)，左边受限）。
（3）自由函数的方案对称性更好：二元运算不偏向任一操作数，支持两边隐式转换。但是在使用工具函数的时候可发现性差，用户不容易发现名字。而且可能出现命名冲突。

综上，我选择了命名空间 + 自由函数，保证封装性，工具函数放入fraction避免与全局add/sub/...冲突。