实验三 类和对象

实验1

1.源代码

#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";
}

#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 <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;
}

2.运行截图

 3.问题回答

问题1：这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

答:  是的，Window类直接包含Button对象。

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？

答:  优点是可以在类的外部直接调用该函数，方便验证；缺点是会破坏封装性，公有后会让外部代码依赖类的内部逻辑，既可能会使外部代码出错，也不方便修改。

（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。）

答:  如果这个函数是类的核心功能，用户需要直接调用，可以考虑设为public；如果这个函数是其他public方法的内部细节或者这个函数直接操作私有成员且使用起来不会破坏对象状态，可以考虑设为private。

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

要说明以下两种接口设计在性能和安全性方面的差异。

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

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

答:  性能上，接口一优于接口二，因为接口一返回的是const引用，不会生成新的字符串对象，而接口二返回的是拷贝，需要触发拷贝构造函数；   在安全性方面，接口二更安全，因为如果Button对象被销毁，接口一可能会发生悬空。

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。

答:可以运行。xx.emplace_back(xxx) 与xx.push_back(Button(xxx)) 相比，优势在于不需要构造临时对象也不需要移动对象。

实验2

1.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);
}

2.运行截图

 3.问题回答

 

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？

 std::vector<int> v1(5, 42);

const std::vector<int> v2(v1);

完成了两个int类型动态数组的构造；

v1,v2各包含5个值为42的数据项

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？

std::vector<std::vector<int>> v1{{1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}};

const std::vector<std::vector<int>> v2(v1);

v1.size() == 2;v2.size == 2;v1[0].size() == 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？

能；v1.at(0)有边界检查，更加安全，v1[0]没有边界检查，相对不安全

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？

std::vector<int> &r = v1.at(0);

std::cout << r.at(r.size()-1);

能输出；&r为引用类型，引用{1,2,3,-1},r.size()-1的位置即为新添加的-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？

优势：const修饰，不会修改数据，引用类型，不会拷贝副本，性能更高;

限制：不能调用push_back等非const函数

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 时，v.at(0)返回值类型是什么？当v是const vector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?

v.at(0)返回值类型：

vector：T&

const vector：const T&

at()必须提供带const的重载版本；const对象只能调用const成员函数

实验3

1.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';
}

2.运行截图

 3.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。（提示：对比两个版本，找出差异化代码，加以分析）

答:  缺少自赋值检查；先释放旧内存再分配新内存，如果new失败，原对象状态会失效；分配新内存前修改n，会使异常时n与ptr不匹配。

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?

答： 作用是将非const成员函数中的this指针转换为const指针。转换前是vectorInt类型，转换后是const vectorInt 类型。目的是复用const版本at函数的代码，避免重复实现。

(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？

答:   作用是将const版本at函数返回的const int 转换为int ,目的是让非const版本的at函数返回可修改的引用。

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

答:v1.begin()调用非const版本，适配非const对象，需要修改元素的场景；v2.begin()调用const版本，适配const对象或者指向const对象的指针，需要读取但不修改的场景。

(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？

答:我认识到了vectorInt作为连续存储的容器，其元素在内存中是连续排列的。这种结构下，指针的移动逻辑与迭代器的遍历逻辑完全一致，迭代器封装是为了统一接口。

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

<algorithm> 改写是否可以？回答这3行更新代码的功能

答:可以。std::fill_n(ptr, n, value)：从指针ptr开始，填充n个int元素，每个元素的值为value；std::copy_n(v1.ptr, vi.n, ptr)：从源指针vi.ptr开始，复制vi.n个int元素到目标指针，处理元素的复制时，对于自定义类型，会调用拷贝构造函数，对于内置类型，直接复制字节；ptr；std::copy_n(v1.ptr, vi.n, ptr_tmp)：从vi.ptr复制vi.n个元素到ptr_tmp，先复制再替换，避免自赋值问题。

实验4

1.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 "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';
}

#include "matrix.hpp"

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
    if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
        std::cout << "行数或列数必须为正\n";
        std::exit(1);
    }
    ptr = new double[rows_ * cols_];
    std::fill_n(ptr, rows_ * cols_, 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[x.n_rows * x.n_cols];
    std::copy_n(x.ptr, x.n_rows * x.n_cols, ptr);
}

Matrix::~Matrix() {
    delete[] ptr; 
    ptr = nullptr; 
}

void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cout << "矩阵大小不匹配\n" ;
        std::exit(1);
    }
    std::copy_n(pvalue, size, ptr);
}

void Matrix::clear() {
    std::fill_n(ptr, n_rows * n_cols, 0.0); 
}

const double& Matrix::at(int i, int j) const {
   if(i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
        std::cout << "索引越界\n";
        exit(1);  
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}

double& Matrix::at(int i, int j) {
    return const_cast<double&>(static_cast<const Matrix*>(this)->at(i, 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) << ", "; 
        }
        std::cout << "\n"; 
    }
}

2.运行截图

 实验5

1.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{
    auto it = std::find_if(contacts.rbegin(), contacts.rend(), 
        [&](const Contact& c) { return c.get_name() == name; });
    
    if (it != contacts.rend())
        return contacts.size() - 1 - std::distance(contacts.rbegin(), it);
    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(){
    auto name_less = [](const Contact &x, const Contact &y) {
        return x.get_name().compare(y.get_name()) < 0;
    };
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), name_less);
}

#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();
}

2.运行截图

 实验总结

1.功能相同的const与非const成员函数通过static_cast和const_cast可以用一个函数实现两个函数，减少接口。

2.通过这次实验，深入理解了组合关系has-a的应用场景，深入理解了在类的外部如何通过公有接口访问私有成员，加深了对深拷贝与浅拷贝的理解，对const有了更深的认识。