Test3

任务一

源代码

button.hpp

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#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

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#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

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#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();
}

实验结果

实验结论

问题1：这个范例中，Window和Button是组合关系吗？

答：是组合。

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：客户端可以显式查询某个按钮是否存在。
缺点：破环封装性，不够安全，客户端一般不需要去检查是否有按键，产生了逻辑错误。

（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：
用户是否需要：如果方法是用户需要在客户端使用，那它应被设为 public；否则保持私有来减少风险。
是否仅为内部实现细节：如果方法只是实现某个公有功能的过程步骤，那它应被设为 private，防止被他人非法使用。
是否易破坏对象状态：若方法调用会破坏对象状态，那应保持私有。若方法只读且安全，可以被设为 public。

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：接口1不会复制产生额外开销，而接口2会产生额外开销降低性能。
安全性：接口1返回是引用类型，指向某个对象，若对象销毁时，可能会产生悬空，不够安全；接口2返回是一个副本，不会产生悬空风险，有一定安全性。

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。
xx.push_back(Button(xxx))：先构造一个临时对象，然后将该临时对象拷贝或移动到容器，存在额外开销。
xx.emplace_back(xxx)：直接在容器末尾原位构造Button，直接调用Button的构造函数，通常能省去临时对象的移动/拷贝，性能更优。

任务二

源代码

task2.cpp

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#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);
}

实验结果

实验结论

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：分别使用了带参构造和复制构造。各包含了5个42。

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：2，2，3。

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：效果一致。v1.at(0) = -1会做范围检查，会产生错误信息，较为安全；v1[0] = -1不做范围检查，超界会产生崩溃。

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？

答：能。因为之前已经在第一行末尾加了-1，现在输出第一行末尾的数当然是-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：引用类型，减少复制，节省内存，减少开销。但也会产生依赖，两者会被操作同时影响。

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？

答：int& const int&;at()必须提供带 const 修饰的重载版本。

任务三

源代码

vectorInt.h

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#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

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#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';
}

实验结果

实验结论

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）

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) { 
delete[] ptr;
 n = vi.n;
 ptr = new int[n];
 for(int i = 0; i < n; ++i)
 ptr[i] = vi.ptr[i];
 return *this;
 }

答：
1.版本2没有检查this == &vi；若发生自赋值，会先执行 delete[] ptr,之后访问 vi.ptr[i] ,但vi.ptr已被释放，引发未定义行为。
2.在delete[] ptr后使用new抛出，而成员ptr仍然指向已释放的内存，后续任何访问都会是悬挂访问，导致错误产生。

问题二：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）。

int& vectorInt::at(int index) {
 return const_cast<int&>(static_cast<const vectorInt*>(this)->at(index));
 }

（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：转换作用。将vectorInt转换为const vectorInt。为了实现代码复用，避免代码重复。

（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：转换作用。将 const int& 转换为 int&。将不可变改用可写变的引用，实现允许调用者修改返回的元素的功能。

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。

 vectorInt v1(5);
 const vectorInt v2(5);
 auto it1 = v1.begin();    // 调用哪个版本？
auto it2 = v2.begin();    // 调用哪个版本?

答：对象 v1 是非const，编译器选择非const版本的begin()。
对象 v2 是const，编译器选择const版本的begin()。
非const 版本：修改容器内元素。
const 版本：只读场景。

（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：我认为标准迭代器的指针封装更加轻量而高效，拓展性更强。vectorInt直接返回原始指针作为迭代器，可以提高可维护性和安全性。各有各的优点，在不同的场景下选用最适用的就好。

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。

vectorInt::vectorInt(int n_, int value): n{n_}, ptr{new int[n_]} {
    std::fill_n(ptr, n, value);   // 更新1
 }
 vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi): n{vi.n}, ptr{new int[n]} {
    std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr); // 更新2
 }
 vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) { 
    if(this == &vi) 
        return *this;   
    int *ptr_tmp;
    ptr_tmp = new int[vi.n];
    std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp); // 更新3
    delete[] ptr;      
    n = vi.n;
    ptr = ptr_tmp;
    return *this;
 }

答：可以使用算法库<algorithm>改写。
功能：
更新1：把ptr的前n个元素设为value。
更新2：把vi.ptr指向的前 vi.n 个元素复制到ptr。
更新3：把vi.ptr的前 vi.n 个元素复制到ptr_tmp。

任务四

源代码

matrix.hpp

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#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

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#include "matrix.hpp"

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value)
{
    n_rows = rows_;
    n_cols = cols_;
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
Matrix::Matrix(int rows_, double value)
{
    n_rows = rows_;
    n_cols = rows_;
    ptr = new double[n_rows * n_cols];
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}
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);
}
Matrix::~Matrix()
{
    delete[] ptr;
}
void Matrix::set(const double *pvalue, int size)
{
    if (size != n_rows * n_cols)
    {
        std::cerr << "错误：大小不匹配" << std::endl;
        std::exit(EXIT_FAILURE);
    }
    std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}
void Matrix::clear()
{
    std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0);
}
const double &Matrix::at(int i, int j) const
{
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
    {
        std::cerr << "错误：索引越界" << std::endl;
        std::exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return ptr[i * n_cols + j];
}
double &Matrix::at(int i, int j)
{
    if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols)
    {
        std::cerr << "错误：索引越界" << std::endl;
        std::exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return ptr[i * n_cols + 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);
            if (j < n_cols - 1)
                std::cout << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

task4.cpp

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#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';
}

实验结果

任务五

源代码

contact.hpp

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#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

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#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(); });
}

task5.cpp

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#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();
}

实验结果