实验4

任务1：

源代码：

GradeCalc.hpp

#pragma once

#include <vector>
#include <array>
#include <string>

class GradeCalc {
public:
    GradeCalc(const std::string &cname);      
    void input(int n);                         // 录入n个成绩
    void output() const;                      // 输出成绩
    void sort(bool ascending = false);        // 排序 (默认降序)
    int min() const;                          // 返回最低分（如成绩未录入，返回-1)
    int max() const;                          // 返回最高分 （如成绩未录入，返回-1)
    double average() const;                   // 返回平均分 （如成绩未录入，返回0.0)
    void info();                      // 输出课程成绩信息 

private:
    void compute();     // 成绩统计

private:
    std::string course_name;     // 课程名
    std::vector<int> grades;     // 课程成绩
    std::array<int, 5> counts;      // 保存各分数段人数（[0, 60), [60, 70), [70, 80), [80, 90), [90, 100]
    std::array<double, 5> rates;    // 保存各分数段人数占比 
    bool is_dirty;      // 脏标记，记录是否成绩信息有变更
};

GradeCalc.cpp

#pragma once

#include <vector>
#include <array>
#include <string>

class GradeCalc {
public:
    GradeCalc(const std::string &cname);      
    void input(int n);                         // 录入n个成绩
    void output() const;                      // 输出成绩
    void sort(bool ascending = false);        // 排序 (默认降序)
    int min() const;                          // 返回最低分（如成绩未录入，返回-1)
    int max() const;                          // 返回最高分 （如成绩未录入，返回-1)
    double average() const;                   // 返回平均分 （如成绩未录入，返回0.0)
    void info();                      // 输出课程成绩信息 

private:
    void compute();     // 成绩统计

private:
    std::string course_name;     // 课程名
    std::vector<int> grades;     // 课程成绩
    std::array<int, 5> counts;      // 保存各分数段人数（[0, 60), [60, 70), [70, 80), [80, 90), [90, 100]
    std::array<double, 5> rates;    // 保存各分数段人数占比 
    bool is_dirty;      // 脏标记，记录是否成绩信息有变更
};

demo1.cpp

#include <iostream>
#include <string>
#include "GradeCalc.hpp"

void test() {
    GradeCalc c1("OOP");

    std::cout << "录入成绩:\n";
    c1.input(5);

    std::cout << "输出成绩:\n";
    c1.output();

    std::cout << "排序后成绩:\n";
    c1.sort(); c1.output();

    std::cout << "*************成绩统计信息*************\n";
    c1.info();

}

int main() {
    test();
}

运行结果截图：

问题1：组合关系识别

GradeCalc 类声明中，逐行写出所有体现"组合"关系的成员声明，并用一句话说明每个被组合对象的功能。

　　std::vector<int> grades;　　存储课程的成绩；

　　std::array<int, 5> counts;　　分别存储各个分数段的人数；

　　std::array<double, 5> rates;　　分别存储各个分数段的人数所占的百分比；

问题2：接口暴露理解

如在 test 模块中这样使用，是否合法？如不合法，解释原因。

　　不合法，GradeCalc类中没有定义push_back函数；

问题3：架构设计分析

当前设计方案中， compute 在 info 模块中调用：

（1）连续打印3次统计信息， compute 会被调用几次？标记 is_dirty 起到什么作用？

　　只会调用一次，is_dirty用来记录信息是否改变，若改变，compute才会被调用；

（2）如新增 update_grade(index, new_grade) ,这种设计需要更改 compute 调用位置吗？简洁说明理由。

　　不需要，update_grade(index, new_grade) 会改变统计数据，只要在该函数的实现中修改is_dirty即可，输出info函数调用时会判断是否调用compute函数；

问题4：功能扩展设计

要增加"中位数"统计，不新增数据成员怎么做？在哪个函数里加？写出伪代码。

　　可以在info函数中实现；

　　void GradeCalc::info（）{

　　　　if(is_dirty)　　compute();

　　　　输出数据；

　　　　sort（）；

　　　　if(n%2 == 0)

　　　　std：：cout << grades[grades.size()/2];

　　　　else

　　　　std：：cout << ( grades[grades.size()/2-1]  + grades[grades.size()/2] ) / 2.0;

　　}

问题5：数据状态管理

GradeCalc 和 compute 中都包含代码： counts.fill(0); rates.fill(0); 。

compute 中能否去掉这两行？如去掉，在哪种使用场景下会引发统计错误？

　　不能，如果没有成绩会报错；

问题6：内存管理理解

input 模块中代码 grades.reserve(n); 如果去掉：

（1）对程序功能有影响吗？（去掉重新编译、运行，观察功能是否受影响）　　没有；

（2）对性能有影响吗？如有影响，用一句话陈述具体影响。　　有，可能会频繁的扩容容器；

 

任务2：

源代码：

GradeCalc.hpp

#pragma once

#include <array>
#include <string>
#include <vector>

class GradeCalc: private std::vector<int> {
public:
    GradeCalc(const std::string &cname);      
    void input(int n);                        // 录入n个成绩
    void output() const;                      // 输出成绩
    void sort(bool ascending = false);        // 排序 (默认降序)
    int min() const;                          // 返回最低分
    int max() const;                          // 返回最高分
    double average() const;                   // 返回平均分
    void info();                              // 输出成绩统计信息 

private:
    void compute();               // 计算成绩统计信息

private:
    std::string course_name;     // 课程名
    std::array<int, 5> counts;   // 保存各分数段人数（[0, 60), [60, 70), [70, 80), [80, 90), [90, 100]
    std::array<double, 5> rates; // 保存各分数段占比
    bool is_dirty;      // 脏标记，记录是否成绩信息有变更
};

GradeCalc.cpp

#include <algorithm>
#include <array>
#include <cstdlib>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <numeric>
#include <string>
#include <vector>
#include "GradeCalc.hpp"


GradeCalc::GradeCalc(const std::string &cname): course_name{cname}, is_dirty{true}{
    counts.fill(0);
    rates.fill(0);
}   

void GradeCalc::input(int n) {
    if(n < 0) {
        std::cerr << "无效输入! 人数不能为负数\n";
        return;
    }

    this->reserve(n);

    int grade;

    for(int i = 0; i < n;) {
        std::cin >> grade;
        if(grade < 0 || grade > 100) {
            std::cerr << "无效输入! 分数须在[0,100]\n";
            continue;
        }

        this->push_back(grade);
        ++i;
    } 

    is_dirty = true;
}  

void GradeCalc::output() const {
    for(auto grade: *this)
        std::cout << grade << ' ';
    std::cout << std::endl;
} 

void GradeCalc::sort(bool ascending) {
    if(ascending)
        std::sort(this->begin(), this->end());
    else
        std::sort(this->begin(), this->end(), std::greater<int>());
}  

int GradeCalc::min() const {
    if(this->empty())
        return -1;

    return *std::min_element(this->begin(), this->end());
}  

int GradeCalc::max() const {
    if(this->empty())
        return -1;

    return *std::max_element(this->begin(), this->end());
}    

double GradeCalc::average() const {
    if(this->empty())
        return 0.0;

    double avg = std::accumulate(this->begin(), this->end(), 0.0) / this->size();
    return avg;
}   

void GradeCalc::info() {
    if(is_dirty) 
        compute();

    std::cout << "课程名称:\t" << course_name << std::endl;
    std::cout << "平均分:\t" << std::fixed << std::setprecision(2) << average() << std::endl;
    std::cout << "最高分:\t" << max() << std::endl;
    std::cout << "最低分:\t" << min() << std::endl;

    const std::array<std::string, 5> grade_range{"[0, 60) ", 
                                           "[60, 70)", 
                                           "[70, 80)",
                                           "[80, 90)", 
                                           "[90, 100]"};
    
    for(int i = static_cast<int>(grade_range.size())-1; i >= 0; --i)
        std::cout << grade_range[i] << "\t: " << counts[i] << "人\t"
                  << std::fixed << std::setprecision(2) << rates[i]*100 << "%\n";
}

void GradeCalc::compute() {
    if(this->empty())
        return;
    
    counts.fill(0);
    rates.fill(0);

    // 统计各分数段人数
    for(int grade: *this) {
        if(grade < 60)
            ++counts[0];        // [0, 60)
        else if (grade < 70)
            ++counts[1];        // [60, 70)
        else if (grade < 80)
            ++counts[2];        // [70, 80)
        else if (grade < 90)
            ++counts[3];        // [80, 90)
        else
            ++counts[4];        // [90, 100]
    }

    // 统计各分数段比例
    for(size_t i = 0; i < rates.size(); ++i)
        rates[i] = counts[i] * 1.0 / this->size();
    
    is_dirty = false;
}

demo2.cpp

#include <iostream>
#include <string>
#include "GradeCalc.hpp"

void test() {
    GradeCalc c1("OOP");

    std::cout << "录入成绩:\n";
    c1.input(5);

    std::cout << "输出成绩:\n";
    c1.output();

    std::cout << "排序后成绩:\n";
    c1.sort(); c1.output();

    std::cout << "*************成绩统计信息*************\n";
    c1.info();

}

int main() {
    test();
}

运行结果截图：

 

问题1：继承关系识别

写出 GradeCalc 类声明体现"继承"关系的完整代码行。

　　class GradeCalc: private std::vector<int> 

问题2：接口暴露理解

当前继承方式下，基类 vector<int> 的接口会自动成为 GradeCalc 的接口吗？　　不会；

如在 test 模块中这样用，能否编译通过？用一句话解释原因。

　　不能，私有继承基类的公有成员和保护成员都会变成私有成员；

问题3：数据访问差异

对比继承方式与组合方式内部实现数据访问的一行典型代码。说明两种方式下的封装差异带来的数据访问接口差异。

　　继承：通过vector的接口访问，组合：通过私有成员变量访问；

问题4：组合 vs. 继承方案选择

你认为组合方案和继承方案，哪个更适合成绩计算这个问题场景？简洁陈述你的结论和理由。

　　组合，组合的封闭性比较好，操作也比较简单；

 

任务3：

源代码：

Graph.hpp

#pragma once

#include <string>
#include <vector>

enum class GraphType {circle, triangle, rectangle};

// Graph类定义
class Graph {
public:
    virtual void draw() {}
    virtual ~Graph() = default;
};

// Circle类声明
class Circle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Triangle类声明
class Triangle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Rectangle类声明
class Rectangle : public Graph {
public:
    void draw();
};

// Canvas类声明
class Canvas {
public:
    void add(const std::string& type);   // 根据字符串添加图形
    void paint() const;                  // 使用统一接口绘制所有图形
    ~Canvas();                           // 手动释放资源

private:
    std::vector<Graph*> graphs;          
};

// 4. 工具函数
GraphType str_to_GraphType(const std::string& s);  // 字符串转枚举类型
Graph* make_graph(const std::string& type);  // 创建图形，返回堆对象指针

Graph.cpp

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <iostream>
#include <string>

#include "Graph.hpp"

// Circle类实现
void Circle::draw()     { std::cout << "draw a circle...\n"; }

// Triangle类实现
void Triangle::draw()   { std::cout << "draw a triangle...\n"; }

// Rectangle类实现
void Rectangle::draw()  { std::cout << "draw a rectangle...\n"; }

// Canvas类实现
void Canvas::add(const std::string& type) {
    Graph* g = make_graph(type);
    if (g) 
        graphs.push_back(g);
}

void Canvas::paint() const {
    for (Graph* g : graphs) 
        g->draw();   
}

Canvas::~Canvas() {
    for (Graph* g : graphs) 
        delete g;
}

// 工具函数实现
// 字符串 → 枚举转换
GraphType str_to_GraphType(const std::string& s) {
    std::string t = s;
    std::transform(s.begin(), s.end(), t.begin(),
                   [](unsigned char c) { return std::tolower(c);});

    if (t == "circle")   
        return GraphType::circle;

    if (t == "triangle") 
        return GraphType::triangle;

    if (t == "rectangle")
        return GraphType::rectangle;

    return GraphType::circle;   // 缺省返回
}

// 创建图形，返回堆对象指针
Graph* make_graph(const std::string& type) {
    switch (str_to_GraphType(type)) {
    case GraphType::circle:     return new Circle;
    case GraphType::triangle:   return new Triangle;
    case GraphType::rectangle:  return new Rectangle;
    default: return nullptr;
    }
}

demo3.cpp

#include <string>
#include "Graph.hpp"

void test() {
    Canvas canvas;

    canvas.add("circle");
    canvas.add("triangle");
    canvas.add("rectangle");
    canvas.paint();
}

int main() {
    test();
}

运行结果截图：

问题1：对象关系识别

（1）写出Graph.hpp中体现"组合"关系的成员声明代码行，并用一句话说明被组合对象的功能。

　　 std::vector<Graph*> graphs; 　　存储Graph子类对象的地址；

（2）写出Graph.hpp中体现"继承"关系的类声明代码行。

　　class Circle : public Graph

　　class Triangle : public Graph

　　class Rectangle : public Graph

问题2：多态机制观察

（1） Graph 中的 draw 若未声明成虚函数， Canvas::paint() 中 g->draw() 运行结果会有何不同？

　　会调用Graph中的draw函数，没有输出；

（2）若 Canvas 类 std::vector<Graph*> 改成 std::vector<Graph> ，会出现什么问题？

　　只能存进属于基类的内容，派生类的特有内容会被丢弃；

（3）若 ~Graph() 未声明成虚函数，会带来什么问题？

　　无法释放graphs的内存；

问题3：扩展性思考

若要新增星形 Star ，需在哪些文件做哪些改动？逐一列出。

　　在Graph.hpp中新申明star类，在Graph.cpp中实现该类，test测试要新增测试star类；

问题4：资源管理

观察 make_graph 函数和 Canvas 析构函数：

（1） make_graph 返回的对象在什么地方被释放？

　　会在Canvas 析构函数中释放；

（2）使用原始指针管理内存有何利弊？

　　方便直接，但容易发生内存泄漏；

 

任务4：

源代码：

Toy.hpp

# pragma once
#include <array>
#include <string>
#include <iomanip>
#include <vector>

class Toy{
    public:
        Toy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec);
        
        virtual void showIn() const;
        virtual void func() const = 0;
    protected:
        std::string Tname;
        std::string Ttype;
        double Tcost;
        int Telec;
}; 

class singtoy : public Toy{
    public:
        singtoy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec,
                const std::string& Sname, const std::string& vgender);
        
        void func() const override;
        void showIn() const override;
    
    private:
        std::string Singname;
        std::string Voice;
};

class cartoy : public Toy{
    public:
        cartoy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec,
                const std::string& color, double speed);
        void func() const override;
        void showIn() const override;
        
    private:
        std::string Tcolor;
        double Tspeed;
};

class aoteman : public Toy{
    public:
        aoteman(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec
                ,const std::string& word, const std::string& light);
        void func() const override;
        void showIn() const override;
        
    private:
        std::string Tword;
        std::string Tlight;
};

class educationtoy: public Toy{
    public:
        educationtoy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec
                    ,const std::string& story, const std::string& voice, int volum);
        void func() const override;
        void showIn() const override;
    
    private:
        std::string Tstory;
        std::string Tvoice;
        int v;
};


class ToyFactory{
    public:
        ToyFactory(); 
        ~ToyFactory();
        
        void add(Toy* T);
        void showall() const;
        void testall() const;
    
    private:
        std::vector<Toy*> toys;
};

Toy.cpp

#include "Toy.h"
#include <array>
#include <string>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <vector>

Toy::Toy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec){
    Tname = name;
    Ttype = type;
    Tcost = cost;
    Telec = elec; 
}

void Toy::showIn() const{
    std::cout << "名称：" << Tname << "    "
            << "类型：" << Ttype << "    "
            << "成本：" << Tcost << "    "
            << "电量：" << Telec << std::endl;
}

singtoy::singtoy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec,
                const std::string& Sname, const std::string& vgender): Toy(name,type,cost,elec),Singname(Sname),Voice(vgender){}
                
void singtoy::func() const{
    std:: cout << Tname << "开始工作\n" << Tname << "使用" << Voice << "的声音演唱歌曲《" << Singname << "》\n" ; 
}

void singtoy:: showIn() const{
    std:: cout << "名称：" << Tname << "    "
            << "类型：" << Ttype << "    "
            << "成本：" << Tcost << "    "
            << "电量：" << Telec << "mAh\n"
            << "歌曲名：" << Singname << "    "
            << "嗓音：" << Voice << "\n"; 
}

cartoy::cartoy(const std:: string& name, const std::string& type, double cost, int elec,
                const std::string& color, double speed):Toy(name,type,cost,elec),Tcolor(color),Tspeed(speed){}
                
void cartoy::func() const{
    std:: cout << Tname << "开始工作\n" << Tname << "发出" << Tcolor << "的光芒，并以" << Tspeed 
                << "m/s的速度移动车轮\n"; 
}


void cartoy::showIn() const{
    std:: cout << "名称：" << Tname << "    "
            << "类型：" << Ttype << "    "
            << "成本：" << Tcost << "    "
            << "电量：" << Telec << "\n"
            << "LED色彩：" << Tcolor << "    "
            << "移动速度：" << Tspeed << "\n"; 
}

aoteman ::aoteman(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec
                ,const std::string& word, const std::string& light):Toy(name,type,cost,elec),Tword(word),Tlight(light){}
                
void aoteman ::func() const{
    std:: cout << Tname << "开始工作\n" << Tname << "的特效灯开启，发出" << Tlight << "色彩的光，语音开启，“" 
                <<  Tword << "”\n";
}

void aoteman ::showIn() const{
    std:: cout << "名称：" << Tname << "    "
            << "类型：" << Ttype << "    "
            << "成本：" << Tcost << "    "
            << "电量：" << Telec << "\n"
            << "特效语音：" << Tword << "    "
            << "特效灯色彩：" << Tlight << "\n"; 
}

educationtoy:: educationtoy(const std::string& name, const std::string& type, double cost, int elec
                    ,const std::string& story, const std::string& voice, int volum):Toy(name,type,cost,elec),Tstory(story),Tvoice(voice),v(volum){}
                    
void educationtoy:: func() const{
    std:: cout << Tname << "开始工作\n" << Tname << "以" << Tvoice << "的声音开始教学" << Tstory << "，音量为" << v << "\n";
}

void educationtoy:: showIn() const{
    std:: cout << "名称：" << Tname << "    "
            << "类型：" << Ttype << "    "
            << "成本：" << Tcost << "    "
            << "电量：" << Telec << "\n"
            << "教学内容：" << Tstory << "    "
            << "声音：" << Tvoice << "    "
            << "音量：" << v << "\n";
}

ToyFactory::ToyFactory(){}

ToyFactory::~ToyFactory() {
    for (const Toy* toy : toys) {
        delete toy;
    }
}

void ToyFactory::add(Toy* T) {
    toys.push_back(T);
}

void ToyFactory::showall() const {
    int count = 1;
    std:: cout << "*************显示所有玩具信息***************\n";
    for (const Toy* toy : toys) {
        std:: cout << "第" << count << "种：\n\n"; 
        toy->showIn();
        count++;
        std:: cout << "\n";
    }
}

void ToyFactory::testall() const {
    std:: cout << "*************测试所有玩具功能***************\n";
    for (const Toy* toy : toys) {
        toy->func();
        std :: cout << "\n"; 
    }
}

demo4.cpp

#include "Toy.h"
#include <array>
#include <string>
#include <iomanip>

void test(){
    ToyFactory TF;
    TF.add(new singtoy("八音盒","音乐玩具",21,500,"告白气球","钢琴"));
    TF.add(new cartoy("电动小卡车","电动玩具",50,1000,"红色",0.5));
    TF.add(new aoteman("迪迦召唤器","特摄周边",15,800,"你相信光吗！","黄色")); 
    TF.add(new educationtoy("拼音教学盒","学前教育玩具",45,1000,"拼音表","温柔女生",3));
    
    TF.showall() ;
    TF.testall() ;   
}

int main(){
    test();
    return 0;
}

方案确定　　继承

运行结果截图：