实验三
实验任务一
原代码
button.hpp
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#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";
}
window.hpp
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#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;//什么时候暴露为公有？
private:
std::string title;
std::vector<Button> buttons;
};
Window::Window(const std::string &title_): title{title_} {
buttons.emplace_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.emplace_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;
}
task1.cpp
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#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();
}
运行截图
问题
问题1：window 和 Button 是组合关系。Window类内部有一个名为buttons的成员变量，类型是std::vector Button。那么Window每一个实例都拥有一个Button对象的集合。
问题2：bool has_button(const std::string &label) const; 被设计为私有：
优点：用户可以通过这个接口查询某个按钮是否存在。
缺点：
1.has_button是一个内部实现细节，如果公开，会破坏封装。
2.click_button和 add_button已经处理了按钮存在/不存在的情况，所以用户并不真的需要has_button。
问题3：
接口1： const std::string& get_label() const;
接口2： const std::string get_label() const;
1.接口一直接引用get_label，不需要花费额外的空间。但是存在安全问题，如果调用者保存了这个引用但是原始的Button对象被销毁了，会出现未定义行为。
2.接口二创建一个label成员的副本，会带来额外的内存开销。但是非常安全，不会出现接口一的风险。
问题4：emplace_back与push_back的主要区别在于它们的实现机制。push_back在向vector尾部添加元素时，会先创建一个元素，然后将其拷贝或移动到容器中。如果是拷贝操作，之后会自动销毁创建的临时元素。而emplace_back则是直接在容器尾部创建元素，省去了这个中间步骤。
实验任务二
源代码
task2.cpp
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#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() {
//深复制会拷贝数据实体，两个对象完全独立；浅复制仅拷贝数据的 “引用 / 指针”，两个对象共享底层数据。
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);//创建一个向量，长度5，元素都是42
const std::vector<int> v2(v1);
std::cout << "v1 size: " << v1.size() << '\n';
std::cout << "**********拷贝构造后**********\n";
std::cout << "v1: "; output1(v1);
std::cout << "v2: "; output1(v2);
v1.at(0) = -1;//将第一个元素替换为-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 << "v1: " << v1.size() << "\n";
std::cout << "v2: " << v2.size() << "\n";
std::cout << "v1[0]: " << v1[0].size() << "\n";
std::cout << "**********拷贝构造后**********\n";
std::cout << "v1: "; output3(v1);
std::cout << "v2: "; output3(v2);
v1.at(0).push_back(-1);//在容器的末尾添加一个元素
std::vector<int>& r = v1.at(0);
std::cout << r.at(r.size() - 1) << '\n';
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);
}
运行截图
问题
问题1：分别是含参构造和复制构造。
v1、v2都含有5个值为42的数据。
问题2：v1.size() 、 v2.size() 、 v1[0].size()分别是2、2、3。v1是二维的，含有2个子vector，v2复制v1，也是2，v1[0]访问的是第一个子vector，有3个元素。
问题3：效果是等同的，将v1第一个元素变成-1。at()会进行边界检查，而通过下标不能进行边界检查，容易越界。
问题4：
1.可以输出-1.因为v1.at(0).push_back(-1)在第一个vector容器末尾添加-1，所以访问第一个容器的位置可以访问末尾的元素，是-1。
2.
优势：避免拷贝子vector，节省内存开销。
劣势：无法通过r修改其引用的子vector内容。
问题5：
1.标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制。根据输出结果v1，v2是独立的，修改v1不会改变v2。
2.当 v 是 vector
所以必须提供at()的重载版本。
实验任务三
源代码
vectorInt.hpp
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#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;
}
//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;
//}
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;
}
task3.cpp
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#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';
}
运行截图
问题
问题1：
1）第二个版本中未进行‘自复制’处理，也就是如果出现y.assign(y)情况，会出现问题（经过测试）。因为如果输入的参数是本身，那么assign内部就会出现把自身的数据删除，出现未定义行为。
（2）版本二先把ptr的内存释放在进行分分配，但是如果分配失败，ptr还会丢失原来的数据。
问题2：
（1）static_cast<const vectorInt>(this) 的作用是将this指针类型转换为const vectorint类型。
转换前 this 的类型：vectorInt（在非 const 成员函数里）。
转换后类型：const vectorInt。
（2）const_cast
那么这个函数可以实现根据调用at的成员的类型返回对应的类型，例如const类型的变量通过调用at()，返回的是const类型。相当于把原代码两个重载合并了
问题3：
（1）v1是非const类型的变量，所以调用非const类型的begin();v2是const类型的变量，调用const类型的变量。const类型的变量只能调用const类型的成员函数，而非const类型的变量都可以调用，但是优先调用非const类型的成员函数
（2）迭代器就是一组操作的抽象（解引用 *、前进 ++、比较 !=、随机访问 +/- 等）；指针恰好实现了这些操作，所以“指针就是最简单的随机访问迭代器”。
问题4：
使用
- std::fill_n(ptr, n, value);
功能：这个函数用来填充一个序列。它会从 ptr 指向的地址开始，将 n 个 int 元素都设置为 value。
作用：它替代了 vectorInt(int n_, int value) 构造函数中用于初始化的 for 循环，功能完全相同，但代码更简洁。
- std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr);
功能：这个函数用于复制一个序列。它会从源地址 vi.ptr 开始，复制 vi.n 个 int 元素到目标地址 ptr。
作用：它替代了拷贝构造函数 vectorInt(const vectorInt &vi) 中用于复制数据的 for 循环，功能一致，意图更明确。
- std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp);
功能：与上一个类似，它从源地址 vi.ptr 复制 vi.n 个元素到目标地址 ptr_tmp（一个临时缓冲区）。
作用：它替代了 assign 成员函数中用于将源数据复制到临时缓冲区的 for 循环。
实验任务四
源代码
matrix.hpp
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#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.cpp
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#include "matrix.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdlib> // For exit()
#include <algorithm> // For std::fill
// 构造函数：创建 rows_ x cols_ 矩阵，并用 value 初始化
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
std::cerr << "Error: 矩阵行和列必须是整数" << std::endl;
exit(1);
}
ptr = new double[n_rows * n_cols];
std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
// 构造函数：创建 rows_ x rows_ 方阵
Matrix::Matrix(int rows_, double value) : Matrix(rows_, rows_, value) {
// 委托构造
}
// 深复制构造函数
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;
}
// 按行设置矩阵元素
void Matrix::set(const double* pvalue, int size) {
if (size != n_rows * n_cols) {
std::cerr << "Error: size不符合矩阵的大小." << std::endl;
exit(1);
}
std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}
// 将矩阵所有元素清零
void Matrix::clear() {
std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0.0);
}
// 返回 (i, j) 处元素的 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: Matrix index (" << i << "," << j << ") is out of bounds." << std::endl;
exit(1);
}
return ptr[i * n_cols + j];
}
// 返回 (i, j) 处元素的引用
double& Matrix::at(int i, int j) {
if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
std::cerr << "Error: Matrix index (" << i << "," << j << ") is out of bounds." << std::endl;
exit(1);
}
return ptr[i * n_cols + j];
}
// 返回行数
int Matrix::rows() const {
return n_rows;
}
// 返回列数
int Matrix::cols() const {
return n_cols;
}
// 按行打印矩阵
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) << "\t";
}
std::cout << std::endl;
}
}
task4.cpp
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#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';
}
运行截图
拓展思考
1.std::vector 对象在创建时获取资源（内存），在其生命周期结束时自动释放资源。这使得资源管理变得自动化和确定化，从根本上消除了内存泄漏，使用起来更加安全。
2.修改后的版本将资源所有权交给了 std::vector，Matrix 类本身不再拥有资源。因此，它不需要任何特殊的成员函数，例如析构函数和构造函数，让代码变得极其简洁。
实验任务五
源代码
contact.hpp
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#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;
}
contackBook.hpp
点击查看代码
# 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();
}
// 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;
}
// 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();
});
}
task5.cpp
点击查看代码
#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();
}
运行截图
拓展思考
后续迭代1：修改联系人的功能
我在contact.hpp中，添加bool set_phone(const std::string &new_phone)这一个公有接口，将它进行封装，避免私有成员phone被修改。
后续迭代2：数据有效性校验
我将“电话号码是否有效”这个判断逻辑，抽象成一个独立的、可重用的静态方法。这个函数只做一件事，就是检验电话号码是否是规定的格式。如果规则改变只需要修改这段代码就可以了，不需要改动其他调用了这个函数的代码。
总结：对类进行拓展，保持接口稳定性就需要让新增功能不破坏现有接口，将新增功能拆分为独立模块（如工具类、私有成员函数），避免核心类（如ContactBook）代码膨胀。通过封装扩展逻辑，使核心类仅暴露必要接口，降低维护复杂度。
小结
收获：
1.理解深复制与浅复制的差别，也知道了标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制，编译器默认生成的拷贝构造函数为浅复制。
2.初步理解了迭代器：迭代器就是一组操作的抽象（解引用 *、前进 ++、比较 !=、随机访问 +/- 等）；指针恰好实现了这些操作，所以“指针就是最简单的随机访问迭代器”。
新的发现：
1.通过查阅资料，了解了const_cast
2.static_cast
点击查看代码
#include <iostream>
int main()
{
char c { 'a' };
std::cout << static_cast<int>(c) << '\n'; // prints 97 rather than a
return 0;
}
3.了解到自复制问题可能会带来安全问题，例如试验任务三额版本二代码，一开始释放ptr内存，如果变量调用自己，会出现未定义行为。
浙公网安备 33010602011771号