实验三
任务一：
代码部分：
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_} { } inline const std::string& Button::get_label() const { return label; } inline void Button::click() { std::cout << "Button '" << label << "' clicked\n"; }
window.hpp：
#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; }
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(); }
结果截图：
问题回答：
问题一：是组合关系，window包含button对象，同时二者生命周期一致
问题二：
（1）：改为公有，会破坏window类的封装性，同时会存在window内部重复检查的问题，最后是混合动作型和查询型接口，职责不清晰
（2）：在设计类的过程中，默认设为 private，只有明确需要对外提供的功能才设为 public，也就是说客户需要的功能设置为public，符合自然行动处理流程的设置为public（涉及业务逻辑的完整性），public需要稳定和简洁的公共接口
问题三：
性能方面：
接口一const std::string& get_label() const; 0拷贝（直接返回内部字符串的引用，无额外内存分配），高性能（无论字符串多大，返回成本恒定（一个指针大小））
接口二const std::string get_label() const; 拷贝构造（返回时创建字符串副本，可能触发内存分配），性能损耗（字符串越大，拷贝成本越高）
安全方面：
接口一const std::string& get_label() const; 悬挂引用风险（如果Button对象被销毁，返回的引用将无效），线程安全（多线程环境下可能读取到正在修改的数据）
接口二const std::string get_label() const; 值语义安全（返回独立副本，生命周期与原始对象无关），线程安全（调用者获得完全独立的数据副本）
总结： Button生命周期通常由Window管理，悬挂引用风险可控； label在构造后通常不变，线程安全问题有限
问题四：
结果截图：
结果依然正常运行和输出，二者差异在于push_back是有一个临时对象进行拷贝或移动，但是emplace_back是直接在vector的内存空间中构造button对象（该代码使用完美转发技术）节省了内存分配并提高了性能
任务二：
代码部分：
#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); }
结果截图：
问题回答：
问题1：
std::vector<int> v1(5, 42); 完成的是带参数的构造函数
const std::vector<int> v2(v1); 完成的是拷贝构造函数（深拷贝）
v1 构造后包含 5 个值为 42 的数据项v，2 构造后也包含 5 个值为 42 的数据项
问题2：
v1.size() = 2 v2.size() = 2 v1[0].size() = 3
问题3：
能实现同等效果，区别在at（）有边界检查，但是性能上要更慢（但是安全性更高），operator[]没有边界检查，性能上更快
问题4：
（1）可以输出-1，执行 v1.at(0).push_back(-1); 后v1[0]的内容从【1,2,3】变成了【1,2,3，-1】
std::vector<1nt>&r = v1.at(0):执行引用绑定，r和v1[0]指向同一个vector对象，通过r访问就是直接访问v1[0]
std::cout << r.at(r.size()-1)，size是4,4-1=3，也就是通过r访问索引为3的元素，也就是最后一个元素-1所以能输出-1
（2）优势：零拷贝开销（不创建副本，直接引用原对象），避免不必要的构造/析构（没有临时对象产生）
限制：只能进行只读操作，没法通过r进行改动，需要注意生命周期
问题5：
（1）从第一个测试结果来看修改v1[0] 后，v2的内容保持不变说明v1和v2拥有独立的内存空间，是深复制
从第二个测试结果来看修改v1[0]后（即添加元素-1），v2[0]的内容保持不变说明内外层vector都是独立的，是深复制
（2）当 v 是 vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型是非常量引用int&
当 v 是 const vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型是常量引用const int&
据此推断 at() 必须提供带 const 修饰的重载版本以确保const对象的元素不被修改
任务三：
代码部分：
vectorInt.hpp：
#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; }
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); } // 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'; }
结果截图：
问题回答：
问题1：
对比1：
原版本：
if(this == &vi)
return *this; // 自赋值检查
版本2：
// 缺失自赋值检查
delete[] ptr;
n = vi.n; // vi.n 已经被破坏
ptr = new int[n]; // 分配新内存
for(int i = 0; i < n; ++i)
ptr[i] = vi.ptr[i]; // 从已删除的内存读取数据
对比2（包含两处对比，分别是内存释放的先后和是否采取临时变量）：
原版本：
int *ptr_tmp = new int[vi.n]; // 先分配新内存
for(int i = 0; i < vi.n; ++i) // 拷贝数据到临时内存
ptr_tmp[i] = vi.ptr[i];
ptr = ptr_tmp;//使用了临时变量
delete[] ptr; // 最后释放旧内存
版本2：
delete[] ptr; // 先释放旧内存
n = vi.n;
ptr = new int[n]; //直接更新，ptr变为野指针，n变为错误值
问题2：
（1）：static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是将非常量指针vectorInt*转化成常量指针const vectorInt*，目的是为了调用const版本的at()方法，将this从vectorInt* 转为const vectorInt*这样->at(index) 就会调用const int& at(int index) const 版本，避免在非const方法中直接实现相同逻辑
（2）：const_cast<int&> 的作用是将const版本at()的返回值const int&转换成非const版本at()需要的返回值int&，目的是为了移除const限定符，匹配返回类型
问题3：
（1）：
vectorInt v1(5);
const vectorInt v2(5);
auto it1 = v1.begin(); // 调用int* begin()
auto it2 = v2.begin(); // 调用const int* begin() const
int* begin()适用于修改元素，使用修改性算法，遍历并修改的场景
const int* begin() const适用于只读访问，常量对象遍历（只读遍历），使用只读算法的场景
问题4：可以
代码作用（截图中注释）：
vectorInt::vectorInt(int n_, int value): n{n_}, ptr{new int[n_]} { std::fill_n(ptr, n, value); // 功能：创建大小为n_的数组，并将所有元素初始化为value // 步骤： // 1. n{n_}: 设置元素个数为n_ // 2. ptr{new int[n_]}: 分配n_个int的内存块 // 3. std::fill_n: 将整个内存块填充为指定值value } vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi): n{vi.n}, ptr{new int[n]} { std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr); // 功能：深拷贝构造，创建vi的完整独立副本 // 步骤： // 1. n{vi.n}: 复制源对象的元素个数 // 2. ptr{new int[n]}: 分配相同大小的新内存块 // 3. std::copy_n: 将源对象的所有元素值复制到新内存块 // 效果：新对象与源对象数据相同但内存独立 } vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) { if(this == &vi) return *this;// 自赋值检查：源和目标相同则直接返回 int *ptr_tmp; ptr_tmp = new int[vi.n];// 步骤1：分配新内存块 std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp); // 步骤2：复制源数据到临时内存 delete[] ptr;// 步骤3：释放旧内存 n = vi.n;// 步骤4：更新元素个数 ptr = ptr_tmp;// 步骤5：指向新内存 return *this;// 功能：安全的赋值操作，实现深拷贝赋值 }
任务四：
代码部分：
matrix.hpp：
#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：
#include "matrix.hpp" #include <iostream> #include <algorithm> #include <cstdlib> // 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_), ptr(new double[rows_ * cols_]) { std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value); } // 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value Matrix::Matrix(int rows_, double value) : n_rows(rows_), n_cols(rows_), ptr(new double[rows_ * rows_]) { std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, value); } // 深复制 Matrix::Matrix(const Matrix &x) : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(new double[x.n_rows * x.n_cols]) { std::copy_n(x.ptr, n_rows * n_cols, ptr); } // 析构函数 Matrix::~Matrix() { delete[] ptr; } // 按行复制pvalue指向的数据，要求size=rows*cols,否则报错退出 void Matrix::set(const double *pvalue, int size) { if (size != n_rows * n_cols) { std::cerr << "SizeError: input size does not match matrix dimensions\n"; std::exit(1); } std::copy_n(pvalue, size, ptr); } // 矩阵对象数据项置0 void Matrix::clear() { std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, 0.0); } // 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） 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]; } // 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） double& Matrix::at(int i, int j) { 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]; } // 返回矩阵对象行数 int Matrix::rows() const { return n_rows; } // 返回矩阵对象列数 int Matrix::cols() const { return n_cols; } // 按行打印数据 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'; } }
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); // 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'; }
结果截图：
任务五：
代码部分：
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(); }
contact.hpp：
#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; }
contactBook.hpp：
# 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(); }); }
结果截图：
浙公网安备 33010602011771号