实验3

一、实验结论

1. 实验任务1

程序源代码

button.hpp

#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_} {}

window.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "button.hpp"

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;
};

inline const std::string& Button::get_label() const {
    return label;
}

inline void Button::click() {
    std::cout << "Button '" << label << "' clicked\n";
}

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;
}

task1.cpp

#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();
}

运行测试截图

问题1：这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

是。Window类包含vector成员，体现“has-a”关系，Button对象生命周期由Window管理。

问题2： bool has_button(...) 被设计为私有。思考并回答：

（1）改为公有的优点/风险：

优点：用户可直接查询按钮是否存在，灵活性高。

风险：暴露内部实现细节，可能被误用（如外部直接依赖按钮标签唯一性），破坏封装性。

（2）判断public/private的原则：

public：用户需直接调用的接口（如add_button、display），或类对外提供的核心服务。

private：仅为内部实现细节（如has_button用于辅助add_button）、可能破坏对象状态（如直接修改内部容器）、或用户无需知晓的逻辑。

问题4：push_back(Button(xxx)) 与 emplace_back(xxx) 的差别

push_back：先构造临时Button对象，再拷贝/移动到容器，多一次拷贝/移动开销。

emplace_back：直接在容器内存中构造对象，省去临时对象拷贝/移动，效率更高。

程序中两者均可正常运行，因Button构造简单，差异不明显。

2.实验任务2

程序源代码

task2.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>

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);
}

运行测试截图

问题1：测试模块1中两行代码的构造及v1、v2数据项​

v1(5, 42)：构造含5个值为42的元素的vector；v2(v1)：拷贝构造v2。

v1、v2均含5个值为42的数据项。

问题2：测试模块2中执行后v1.size()、v2.size()、v1[0].size()

v1.size()=2（外层vector含2个元素），v2.size()=2，v1[0].size()=3（内层第一个vector含3个元素）。

问题3：v1.at(0)=-1与v1[0]=-1的区别

能实现同等效果。at()会边界检查（越界抛out_of_range），[]不检查（越界行为未定义）。

问题4：v1.at(0).push_back(-1)后

（1）不能输出-1。因v2是v1的拷贝，修改v1[0]不影响v2，v2[0]仍为{1,2,3}。

（2）const &接收返回值可避免拷贝大对象，节省内存；限制是不能修改引用对象。



问题5：反向推断

（1）vector复制构造实现深复制（修改原对象副本不变）。

（2）v为vector时，v.at(0)返回int&；v为const vector时，返回const int&。因此at()必须提供const重载以支持const对象访问。

3.实验任务3

程序源代码

vectorInt.hpp

#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 = 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; }

task3.cpp

#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';
}

运行测试截图

问题回答

问题1：当前验证性代码中， vectorInt 接口 assign 实现是安全版本。如果把 assign 实现改成版本2，逐条指出版本 2存在的安全隐患和缺陷

版本2直接delete[] ptr后分配新内存，若new抛出异常（如内存不足），原ptr已被释放，对象处于无效状态（资源泄漏+野指针）。安全版本先分配tmp内存，成功后再释放原ptr，保证异常安全。

问题2：当前验证性代码中，重载接口 at 内部代码完全相同。若把非 const 版本改成如下实现，可消除重复并遵循“最小化接口”原则（未来如需更新接口，只更新const接口，另一个会同步）。

（1）static_cast<const vectorInt*>(this)：将当前对象指针转换为const指针。转换前this类型为vectorInt*，转换后为const vectorInt*。目的是复用const版本的at()实现，避免代码重复。

（2）const_cast<int&>：去除const属性。转换前返回类型为const int&，转换后为int&。目的是将const引用的返回值转为非const引用，供非const对象修改。

问题3：

（1)

v1.begin()（v1为非const）：调用非const版本int* begin()，返回可修改指针。

v2.begin()（v2为const）：调用const版本const int* begin() const，返回只读指针。

适配场景：非const对象需修改元素用非const迭代器，const对象只读访问用const迭代器。

问题4：以下两个构造函数及 assign 接口实现，都包含内存块的赋值/复制操作。使用算法库 改写是否可以？回答这3行更新代码的功能。

std::fill_n(ptr, n, value)：将ptr指向的内存块前n个元素赋值为value。

std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr)：将vi.ptr指向的前vi.n个元素复制到ptr指向的内存。

三行更新代码均通过算法库实现内存块复制/填充，替代手动循环，更简洁安全。

4.实验任务4

matrix.hpp

#pragma once

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

matrix.cpp

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

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value): n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    for(int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) ptr[i] = value;
}

Matrix::Matrix(int rows_, double value): Matrix(rows_, rows_, value) {}

Matrix::Matrix(const Matrix &x): n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols) {
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    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\n"; std::exit(1);
    }
    memcpy(ptr, pvalue, size * sizeof(double));
}

void Matrix::clear() {
    memset(ptr, 0, n_rows * n_cols * sizeof(double));
}

const double& Matrix::at(int i, int j) const {
    if(i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "IndexError: 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 << "IndexError: 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) {
        for(int j = 0; j < n_cols; ++j) {
            std::cout << at(i, j);
            if(j < n_cols - 1) std::cout << " ";
        }
        std::cout << '\n';
    }
}

task4.cpp

#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"; 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';
}

运行测试截图

拓展思考

用std::vector<double>替换double*ptr：无需手动管理内存（RAII自动释放），复制构造/赋值自动深拷贝，异常安全，代码更简洁（省去析构、拷贝构造手动实现），性能无损（连续内存），体现“零成本抽象”。

5.实验任务5

contact.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

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; }

contactBook.hpp

#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(); }

int ContactBook::index(const std::string &name) const {
    for(size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i)
        if(contacts[i].get_name() == name) return 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();
        });
}

task5.cpp

#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(); }

运行测试截图

拓展思考

后续迭代方向：增加修改联系人（update）、数据校验（手机号格式）、异常处理（如空姓名）、持久化（文件存储）、分组管理（嵌套vector）、模糊检索（字符串匹配算法）。扩展时需保持接口兼容（如新增update不影响原有add/remove），用继承或多态优化结构。