实验3 类和对象_基础编程2

实验任务1

源代码

#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

 

问题1：

答：是组合关系。Window类成员包含vector，Button的生命周期由Window管理（Window创建时自动创建Button，销毁时自动销毁Button），符合“has-a”组合特性。

问题2：

答：

(1) 优点：允许外部判断按钮是否存在，增加接口灵活性；风险：暴露内部实现细节，破坏封装性，外部不当调用可能导致逻辑不一致（如依赖该接口做非法操作）。
(2) 判断标准：① 若用户（类的使用者）需要该功能则设为public；② 仅为类内部逻辑服务、不对外暴露实现细节则设为private；③ 若函数可能破坏对象状态（如修改私有成员），优先设为private。

问题3：

答：

性能：

接口1（返回const引用）无拷贝开销，性能更优。

接口2（返回值）需拷贝字符串，开销较大。

安全性：

接口1防止外部修改成员变量，安全性更高。

接口2返回拷贝，外部修改不影响内部状态，但拷贝本身有性能成本。

问题4：

答：程序可正常运行。

差别：push_back需先创建临时Button对象再拷贝/移动到容器；emplace_back直接在容器内存中构造Button对象，避免临时对象开销，效率更高，且语法更简洁。

 

实验任务2

源代码：

#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);
}


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';  
}


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';
}


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：

 

问题1：

答：第一行是带参数构造（创建5个值为42的int元素）；第二行是拷贝构造（用v1拷贝构造v2）。v1和v2各包含5个值为42的数据项。

问题2：

答：v1.size()=2（外层vector有2个元素），v2.size()=2（拷贝后外层元素数一致），v1[0].size()=3（第一个内层vector有3个元素）

问题3：

答：能实现同等效果。区别：at()会做越界检查，越界时抛出异常；[]不做越界检查，越界访问会导致未定义行为（如内存错乱），但效率略高。

问题4：

答：

(1) 能输出-1（假设代码中v1.at(0)修正后）。因为v1.at(0)返回vector的引用，修改该引用指向的vector会直接改变v1[0]的内容，r作为引用共享该内存。
(2) 优势：避免拷贝vector，节省内存开销；限制：r为const引用，无法通过r修改所指向vector的内容。

问题5：

答：

(1) 深复制。修改v1后v2不受影响，说明两者独立存储数据，而非共享同一块内存。

(2) 非const vector的at()返回int&；const vector的at()返回const int&。必须提供const重载，否则const对象无法调用at()（或调用后可能通过引用修改const对象，破坏常量性）。

 

实验任务3

源代码：

#pragma once

#include <iostream>


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;     
    int *ptr;  
};

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);
}


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';
}


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：

 

问题1：

答：版本2的安全隐患：① 无自赋值检查（若vi是当前对象，delete[] ptr后会访问已释放内存，导致崩溃）；② 先delete再new，若new失败（如内存不足），ptr会指向已释放内存，对象状态异常（悬空指针）。

问题2：

答：

(1) 作用：将当前this指针转换为const vectorInt类型。转换前this类型是vectorInt（非const），转换后是const vectorInt*。目的：调用const版本的at()接口，确保在非const版本中也遵循const接口的逻辑。
(2) 作用：去除const修饰符，将const int&转换为int&。转换前返回类型是const int&，转换后是int&。目的：让非const版本的at()能返回可修改的引用，同时复用const版本的代码。

问题3：

答：

(1) it1调用非const版本begin()（v1是non-const对象，优先匹配非const接口）；it2调用const版本begin()。场景：non-const对象需修改元素时用非const迭代器；const对象或无需修改元素时用const迭代器，确保安全性。
(2) 迭代器的核心是提供“遍历容器元素”的统一接口，本质是对“访问元素的指针/逻辑”的封装。vectorInt直接用指针作为迭代器，说明当容器存储是连续内存时，指针可直接满足迭代器的核心需求，简化设计。

问题4：

答：可以。

功能：

① std::fill_n(ptr, n, value)：将ptr指向的n个int元素赋值为value；

② std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr)：将vi.ptr指向的vi.n个元素拷贝到ptr指向的内存；

③ std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp)：同上，将vi的数据拷贝到临时指针指向的内存，确保赋值过程安全。

 

实验任务4

源代码：

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

// 构造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_]) {
    if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
        std::cerr << "Error: Invalid matrix size\n";
        std::exit(1);
    }
    for (int i = 0; i < rows_ * cols_; ++i) {
        ptr[i] = value;
    }
}

// 构造rows_*rows_方阵，初值value
Matrix::Matrix(int rows_, double value) 
    : Matrix(rows_, rows_, value) {}

// 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[x.n_rows * x.n_cols]) {
    for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) {
        ptr[i] = x.ptr[i];
    }
}

// 析构函数
Matrix::~Matrix() {
    delete[] ptr;
}

// 按行复制数据，size不匹配则报错
void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "Error: Size mismatch in set()\n";
        std::exit(1);
    }
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        ptr[i] = pvalue[i];
    }
}

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

// const版本at()，越界报错
const double& Matrix::at(int i, int j) const {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "IndexError: Matrix index out of range\n";
        std::exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

// 非const版本at()，越界报错
double& Matrix::at(int i, int j) {
    return const_cast<double&>(static_cast<const Matrix*>(this)->at(i, 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) {
            if (j > 0) std::cout << ",";
            std::cout << ptr[i * n_cols + j];
        }
        std::cout << "\n";
    }
}

#pragma once

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>

class Matrix {
public:
    Matrix(int rows_, int cols_, double value = 0); 
    Matrix(int rows_, double value = 0);    
    Matrix(const Matrix &x);    

    void set(const double *pvalue, int size);   
    void clear();   
    
    const double& at(int i, int j) const;   
    double& at(int i, int j);   
    
    int rows() const;   
    int cols() const;   

    void print() const;  

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);     

    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);
}


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';
}

运行结果：

实验任务5

源代码：

#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;    
   std::string phone;   
};

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"

class ContactBook {
public:
    void add(const std::string &name, const std::string &phone); 
    void remove(const std::string &name); 
    void find(const std::string &name) const; 
    void display() const; 
    size_t size() const;
    
private:
    int index(const std::string &name) const;  
    void sort(); 

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: 查找联系人索引
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: 按姓名字典序升序排序
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();
}

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