实验3

任务1：
源代码：

#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 <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";
}

#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;
}

截图：

 

Q1：是组合关系。Button 的创建和销毁均由 Window 控制。

Q2：

（1）允许外部代码直接查询窗口中是否存在某个按钮，增加了类的灵活性。同时暴露了类的内部实现细节，降低了封装性。

（2）仅用于类内部协作的函数应设为private，避免暴露实现细节。若函数是类对外提供的核心功能，需设为 public。

Q3：接口1不复制字符串，仅返回引用，效率高由于返回 const 引用，外部无法修改内部字符串，安全性有保障；

接口2返回字符串副本，会触发拷贝构造函数，性能较低，返回副本，外部修改副本不影响内部状态，安全性更高。

Q4：修改后程序可正常运行。两种写法均能向容器中添加 Button 对象，最终功能一致。

push_back(Button(xxx))先通过 Button(xxx) 显式构造一个临时 Button 对象，再调用 vector 的 push_back，将临时对象拷贝或移动到容器中；

emplace_back(xxx)直接在 vector 的内存空间中原地构造 Button 对象，仅调用一次 Button 的构造函数（参数为 xxx），无需创建临时对象和拷贝 / 移动操作，效率更高

 

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);
}

// 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);
}

截图：

 

Q1：td::vector<int> v1(5, 42); 调用了带两个参数的构造函数，用于初始化一个包含 5 个元素且每个元素值均为 42 的向量；const std::vector<int> v2(v1); 调用了复制构造函数，通过拷贝 v1 的内容创建 v2。v1 和 v2 均包含 5 个值为 42 的数据项。

Q2：2,2,3

Q3：能实现同等效果。区别在于：at()会进行边界检查，若索引越界会抛出out_of_range异常；[]不进行边界检查，访问效率更高，但索引越界时会导致未定义行为。

Q4：

（1）能输出 - 1。因为v1.at(0)返回 v1 第一个内层向量的引用，push_back(-1)已将该内层向量的末尾添加 - 1，r作为该内层向量的引用，r.size()-1指向末尾元素，通过r.at(r.size()-1)可正确访问到 - 1；

（2）const &类型接收返回值的内存优势是无需拷贝原向量元素，仅建立引用关联，节省内存开销且避免拷贝带来的性能损耗；限制是通过该引用无法修改所指向的向量内容，只能进行读取等操作。

Q5：

（1）深复制

（2）当 v 是vector<int>时，v.at(0)返回值类型是int&；当 v 是const vector<int>时，v.at(0)返回值类型是const int&；据此可推断at()必须提供带 const 修饰的重载版本。

 

任务3：

源代码：

#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;
}

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);
}

// 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';
}

截图：

 

Q1：当对象自我赋值时，代码会直接删除ptr指向的内存。

如果new失败，对象原有的ptr已被删除，但n还未更新，对象处于破坏状态。

Q2：

（1）static_cast<const vectorInt*>(this)将非const的this指针转换为const版本，以调用const重载的at函数，避免代码重复。

（2）const_cast<int&>则用于移除const限定符，将const版本返回的const int&转换为非const的int&，使非const版本的at能返回可修改的引用。这种设计遵循了"const优先"原则，将核心逻辑置于const函数中，非const函数通过类型转换复用其实现。

Q3：

（1）对于非const对象调用begin()时，编译器会选择返回int*的非const重载版本，允许通过迭代器修改元素；而对于const对象，则选择返回const int*的const版本，确保元素不可被修改。

（2）对于连续内存容器，指针本身已满足迭代器的所有操作要求，无需额外封装。

Q4：使用std::fill_n和std::copy_n替代手动循环的改写是可行且更优的。std::fill_n直接表达"填充n个相同值"的语义，比显式循环更简洁；std::copy_n则明确表达数据复制操作，可读性更强。

任务4：

源代码：

#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
};

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

// 构造rows_*cols_矩阵对象, 初值value
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
    if (n_rows <= 0 || n_cols <= 0) {
        std::cerr << "非法行列数\n";
        exit(1);
    }

    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}

// 构造函数：rows_ * rows_ 方阵，初始值为value
Matrix::Matrix(int rows_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(rows_) {
    if (n_rows <= 0) {
        std::cerr << "非法行列数\n";
        exit(1);
    }
    
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}

// 拷贝构造函数（深拷贝）
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;
}

// 设置矩阵值，按行优先顺序
void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cerr << "size不匹配\n";
        exit(1);
    }
    
    std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}

// 清空矩阵（所有元素设为0）
void Matrix::clear() {
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0.0);
}

// 常量版本的元素访问（带边界检查）
const double& Matrix::at(int i, int j) const {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "溢出边界\n";
        exit(1);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

// 非常量版本的元素访问（带边界检查）
double& Matrix::at(int i, int j) {
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cerr << "溢出边界\n";
        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;
}

// 打印矩阵（按行打印）
void Matrix::print() const {
    for (int i = 0; i < n_rows; ++i) {
        std::cout << at(i, 0);
        for (int j = 1; j < n_cols; ++j) {
            std::cout << ", " << at(i, j);
        }
        std::cout << '\n';
    }
}

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';
}

截图：

 

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;    // 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;
}

#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();
}

// 待补足1：int index(const std::string &name) const;实现
// 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;
}


// 待补足2：void ContactBook::sort();实现
// 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();
        });
}

#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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