实验三

task1:

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();
}

运行结果：

编译、运行程序，结合运行结果，理解代码并回答问题：

  问题1：这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

是组合关系。

  问题2： bool has_button(const std::string &label) const; 被设计为私有。 思考并回答：

（1）若将其改为公有接口，有何优点或风险？

风险：破坏了代码的封装性，用户可以使用has_button函数来自行判断是否存在按钮，而不是由程序内部判断，可能造成数据泄露。

优点：用户可以在类外使用接口，有一定的便捷性。

（2）设计类时，如何判断一个成员函数应为 public 还是 private？（可从“用户是否需要”、“是否仅为内部实现

细节”、“是否易破坏对象状态”等角度分析。）

用户需要直接调用的核心功能应为public，而不需要用户清楚的内部操作以及内部实现细节应设为private；可能破坏对象一致性的函数设为private，而安全的、不会对类的其他成员进行修改的函数作为用户接口，设为public。

  问题3： Button 的接口 const std::string& get_label() const; 返回 const std::string& 。对比以下

两种接口设计在性能和安全性方面的差异并精炼陈述。

接口1： const std::string& get_label() const;

接口2： const std::string get_label() const;

性能方面，接口1 节省了内存空间，没有进行拷贝，而接口2进行拷贝操作，性能更差。安全性方面，接口1返回的是引用值，他指向label自身，不安全，接口2返回的是独立的const string对象，更安全。

  问题4：把代码中所有 xx.push_back(Button(xxx)) 改成 xx.emplace_back(xxx) ，观察程序是否正常运

行；查阅资料，回答两种写法的差别。

正常运行，push_back复制或移动一个已存在的对象，emplace_back直接在容器内部构造对象，使得临时对象的创建和析构得以避免。同时，emplace_back也能做到push_back能做到的一切。对于简单类型或者已有对象，使用push_back更佳，而对于复杂类型，使用emplace_back更佳。

task2:

 task2.cpp

#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);
}

运行结果：

编译、运行程序，结合运行结果，理解代码并回答问题：

问题1：测试模块1中这两行代码分别完成了什么构造？ v1 、 v2 各包含多少个值为 42 的数据项？

分别完成了带参数的构造函数以及复制构造函数。都包含5个。

问题2：测试模块2中这两行代码执行后, v1.size() 、 v2.size() 、 v1[0].size() 分别是多少？

v1.size() 、 v2.size() 为2， v1[0].size()为3

问题3：测试模块1中，把 v1.at(0) = -1; 写成 v1[0] = -1; 能否实现同等效果？两种用法有何区别？

可以。用.at()方法会进行边界检查，防止数组越界访问，更安全，但是v1[0] 这种方式不会进行越界检查，可能导致程序崩溃。

问题4：测试模块2中执行 v1.at(0).push_back(-1); 后

（1） 用以下两行代码，能否输出-1？为什么？

可以。因为r是v1[0]的引用，即数组{1，2，3，-1}的引用，所以可以通过引用r来访问数组，并输出-1.

（2）r定义成用 const & 类型接收返回值，在内存使用上有何优势？有何限制？

r只获取v1[0]的引用，而不是复制数据，节省了内存空间，限制是不可以通过r来修改数组的值。

问题5：观察程序运行结果，反向分析、推断：

（1） 标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制还是浅复制？

深复制。

（2） vector<T>::at() 接口思考： 当 v 是 vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型是什么？当 v 是 const vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型又是什么？据此推断 at() 是否必须提供带 const 修饰的重载版本？

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const int &。at() 必须提供带 const 修饰的重载版本。

 

task3:

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';
}

运行结果：

编译、运行程序，结合运行结果，理解代码并回答问题：

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。（提示：对比两个版本，找出差异化代码，加以分析）

首先，版本2没有检查vi是否为自身，若vi是对象本身，则会导致对象原有数据丢失。其次，版本2将ptr指向了一个未赋值的空间，安全性较差。

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）。查阅资料，回答：

（1） static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是什么？转换前后 this 的类型分别是什么？转换目的？

作用是将this指针转为const vectorInt*类型。转换前是vectorInt *，转换后是const vectorInt *。转换的目的是调用const版本的at函数，而不是调用自身。

（2） const_cast<int&> 的作用是什么？转换前后的返回类型分别是什么？转换目的？

将const版本返回的引用值转成int 型，转换前是const int &,转换后是int &，因为非const版本的at函数的返回值是int类型的引用，因此进行类型的转换。

问题3： vectorInt 类封装了 begin() 和 end() 的const/非const接口。

（1）以下代码片段，分析编译器如何选择重载版本，并总结这两种重载分别适配什么使用场景。

第一个调用非const版本，第二个调用const版本。

如果是非const对象，则调用非const版本；如果是const对象，则调用const版本。

（2）拓展思考（选答*）：标准库迭代器本质上是指针的封装。 vectorInt 直接返回原始指针作为迭代器，这

种设计让你对迭代器有什么新的理解？

说明迭代器可以使用指针来进行操作。

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和复制操作。使用算法库 <algorithm> 改成如下写法是否可以？回答这3行更新代码的功能。

 第1行:将value值填充到ptr所指向空间的前n个元素，进行初始化；第2行：从vi.ptr所指向的空间复制vi.n个元素到ptr所指向的空间，实现复制构造函数；第3行：从vi.ptr所指向的空间复制vi.n个元素到ptr_temp所指向的空间。

task4:

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"

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value):n_rows{rows_},n_cols{cols_},ptr{new double [rows_*cols_]}{
    for(auto i=0;i<n_rows*n_cols;i++)
        ptr[i]=value;
}
Matrix::Matrix(int rows_, double value):n_rows{rows_},n_cols{rows_},ptr{new double [rows_*rows_]}{
for(auto i=0;i<n_rows*n_cols;i++)
    ptr[i]=value;
}
Matrix::Matrix(const Matrix &x):n_rows{x.n_rows},n_cols{x.n_cols},ptr{new double [n_rows*n_cols]}{
for(auto i=0;i<n_rows*n_cols;i++)
ptr[i]=x.ptr[i];
}
Matrix::~Matrix(){
    delete [] ptr;
}
void Matrix::set(const double *pvalue, int size){
    if(size!=n_rows*n_cols)
    {
        std::cerr << "Error: Size mismatch in set()\n" << std::endl;
        std::exit(1);
    }
    for(auto i=0;i<n_rows*n_cols;i++)
    ptr[i]=pvalue[i];
}
void Matrix::clear() {
    for(auto i=0;i<n_rows*n_cols;i++)
    ptr[i]=0;
}
const double& Matrix::at(int i, int j) const{
    if(i<0||j<0||i>=n_rows||j>=n_cols){
        std::cerr << "Error: index out of range\n" << std::endl;
        std::exit(1);
    } 
    int index=i*n_cols+j;
    return ptr[index];
}
double& Matrix::at(int i, int j){
    if(i<0||j<0||i>=n_rows||j>=n_cols){
        std::cerr << "Error: index out of range\n" << std::endl;
        std::exit(1);
    } 
    int index=i*n_cols+j;
    return ptr[index];
}
int Matrix::rows() const{
    return n_rows;
}
int Matrix::cols() const{
    return n_cols;
}
void Matrix::print() const{
    for(auto i=0;i<n_rows;i++){
        for(auto j=0;j<n_cols;j++)
        {
            if(j==n_cols-1) 
            std::cout<<at(i,j);
            else
            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';
}

 运行结果截图：

 task5:

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();
}

int ContactBook::index(const std::string &name) const{
for(auto i=0;i<contacts.size();i++){
if(contacts[i].get_name()==name)
return i;
}
return -1;
}
// 返回联系人在contacts内索引; 如不存在，返回-1

void ContactBook::sort(){
std::sort(contacts.begin(), contacts.end(),
[](const Contact& a, const Contact& b) {
return a.get_name() < b.get_name();
});
}
// 按姓名字典序升序排序通讯录

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();
}

运行结果：