实验3

任务1

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

问题1：这个范例中，Window和Button是组合关系吗？

　　答：是

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：调用范围更广泛，使用更方便：风险：破坏了类的封装性

（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。）

　　答：如果仅涉及到类内的算法及数据处理，则可设为private；如果类内的成员函数需要频繁从外部调用，则应设为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;

　　答：接口1：直接返回引用，无需进行拷贝，较为高效，但需注意出现悬空引用的情况；接口2：有拷贝开销，效率较低，但无悬空引用风险

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：能正常运行。前者先创建了临时对象再将其拷贝，后者直接在内存空间中构造

任务2

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：

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？

　　答：第一行为填充构造函数，包含5个；第二行为拷贝构造函数，也有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？

　　答：v1.size()为2，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？

　　答：能。前者会做下标合法性检查，后者不会。

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？

　　能，执行后v1[0]的vector的size值会加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？

　　答：优势：节省了拷贝元素的内存；限制：只能进行只读操作。

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？ 

　　答：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constvector<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？

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

任务3

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：

 

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：可能出现访问空指针的问题；没有判断自赋值；返回值类型错误；可能出现内存泄漏和悬挂指针的问题。

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 的 this 指针强制转换成const vectorInt* 类型的指针，从而让当前对象可以调用const 版本的 at 成员函数。转换前 this 的类型是 vectorInt*，转换后的类型是 const vectorInt*。转换目的：强制触发 const 版本 at 函数的调用，实现代码复　　　　用，保证逻辑一致性：让非 const 版本的 at 完全复用 const 版本的索引检查、元素访问逻辑，避免两处代码重复维护，符合“最小化接口”原则。

（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 int&类型的返回值转换为int&类型，匹配非 const 版本 at 的返回值要求。转换前const 版本 at 的返回类型是 const int&，转换后返回类型是 int&。目的：使之能够进行修改操作。

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：会优先选择非const对象。非const对象适配需要对其本身数据进行操作的场景，const对象适配只读操作。

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。

　　答：可以。fill_n(ptr, n, value)函数能将值value批量赋值给ptr指向的连续内存块中前n个int元素，实现了动态数组的初始化填充；copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr)函数能将vi.ptr指向的内存块中拷贝前n个元素到新内存块中；copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp)将vi.ptr指向的内存块中拷贝前n个元素到临时内存块中。

 任务4

matrix.hpp

#pragma once
// 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 <iostream>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <algorithm>
#include "matrix.hpp"
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value){
    n_rows=rows_,n_cols=cols_;
    ptr=new double[n_rows*n_cols];
    int i;
    for(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[n_rows*n_cols];
    int i;
    for(i=0;i<n_rows*n_cols;i++){
        ptr[i]=value;
    }
}
Matrix::Matrix(const Matrix &x){
    n_rows=x.rows(),n_cols=x.cols();
    ptr=new double[n_rows*n_cols];
    int i;
    for(i=0;i<n_rows*n_cols;i++){
        ptr[i]=x.ptr[i];
    }
}
Matrix::~Matrix(){};
void Matrix::set(const double *pvalue, int size){
    if(size!=n_rows*n_cols){
        std::cout<<"错误\n";
    }
    else{
        int i;
        for(i=0;i<size;i++){
            ptr[i]=pvalue[i];
        }
    }
}
void Matrix::clear(){
    for(int i=0;i<n_rows*n_cols;i++){
        ptr[i]=0;
    }
}
const double& Matrix::at(int i, int j) const{
    if((i*n_cols+j)>=n_rows*n_cols){
        std::cout<<"错误\n"; 
    }
    else{
        return ptr[i*n_cols+j];
    }
    
}
double& Matrix::at(int i, int j){
    if((i*n_cols+j)>=n_rows*n_cols){
        std::cout<<"错误\n"; 
    }
    else{
        return ptr[i*n_cols+j];
    }
}
int Matrix::rows() const{
    return n_rows;
}
int Matrix::cols() const{
    return n_cols;
}
void Matrix::print() const{
    int i,j;
    for(i=0;i<n_rows;i++){
        for(j=0;j<n_cols;j++){
            std::cout<<ptr[i*n_cols+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";
        std::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

任务5

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 &c1, const Contact &c2) {
                  return c1.get_name() < c2.get_name();
              });
}

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