实验二

实验任务一

T.h

#pragma once

#include<string>

//类T:声明
class T{
//对象属性、方法
public:
    T(int x=0,int y=0);  //普通构造函数 
    T(const T &t);  //复制构造函数 
    T(T &&t);       //移动构造函数 
    ~T();           //析构函数 
    
    void adjust(int ratio);   //按系数成倍调整数据
    void display() const;       //以(m1,m2)形式显示T类对象信息
    
private:
    int m1,m2;
    
//类属性、方法
public:
    static int get_cnt();   //显示当前T类对象总数
     
public:
    static const std::string doc;   //类T的描述信息
    static const int max_cnt;       //类T对象上限
    
private:
    static int cnt;   //当前T类对象数目
    
//类T友元函数声明
   friend void func();      
};
 
 //普通函数声明
    void func();
    
 

T.cpp

#include "T.h"
#include<iostream>
#include<string>

//类T实现

//static成员数据类外初始化
const std::string T::doc{"a simple class sample"};
const int T::max_cnt=999;
int T::cnt=0;

//类方法
   int T::get_cnt(){
    return cnt;
}

//对象方法
T::T(int x,int y):m1{x},m2{y} {
   ++cnt;
   std::cout<<"T constructor called.\n";
} 

T::T(const T &t):m1{t.m1},m2{t.m2} {
    ++cnt;
    std::cout<<"T copy constructor called.\n";
}

T::T(T &&t): m1{t.m1}, m2{t.m2} {
    ++cnt;
    std::cout << "T move constructor called.\n";
}

T::~T() {
    --cnt;
    std::cout << "T destructor called.\n";
}

void T::adjust(int ratio){
    m1*=ratio;
    m2*=ratio;
}

void T::display() const{
    std::cout<<"("<<m1<<","<<m2<<")";
}

//普通函数实现
void func(){
    T t5(42);
    t5.m2=2049;
    std::cout<<"t5=";t5.display();std::cout<<'\n';
} 

 

task2.1.cpp

#include"T.h"
#include<iostream>

void test_T();

int main() {
    std::cout<<"test Class T: \n";
    test_T();
    
    std::cout<<"\ntest friend func: \n";
    func(); 
}

void test_T() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    
    cout<<"T info:"<<T::doc<<endl;
    cout<<"T objects'max count:"<<T::max_cnt<<endl;
    cout<<"T objects'current count:"<<T::get_cnt()<<endl<<endl;
    
    T t1;
    cout<<"t1=";t1.display();cout<<endl;
    
    T t2(3,4);
    cout<<"t2=";t2.display();cout<<endl;
    
    T t3(t2);
    t3.adjust(2);
    cout<<"t3=";t3.display();cout<<endl;
    
    T t4(std::move(t2));
    cout<<"t4=";t4.display();cout<<endl;
    
    cout<<"test:T objects'current count:"<<T::get_cnt()<<endl;
}

运行结果

 

问题1

不能

在 C++ 中，友元函数的声明只是表明该函数是类的友元，可以访问类的私有成员，但友元函数本身并不是类的成员函数。如果在类外部去掉对  func  函数的声明  void func(); ，那么当程序中其他地方调用  func  函数时，编译器无法找到  func  函数的声明，会报“未定义的标识符”之类的错误，因为编译器不知道  func  函数的存在，无法进行正确的编译链接。

问题2

普通构造函数  T(int x = 0, int y = 0); 

功能：用于创建  T  类的对象，在创建对象时初始化对象的成员变量。可以接受 0、1 或 2 个参数，若不传入参数则使用默认值 0 初始化  x  和  y 
调用时机：当用以下方式创建对象时调用：

 T t1; （无参，使用默认值初始化）

T t2(5); （单参， x = 5 ， y  使用默认值 0）
T t3(3, 4); （双参， x = 3 ， y = 4 ）

复制构造函数  T(const T &t); 

功能：用一个已存在的  T  类对象  t  来初始化一个新的  T  类对象，实现对象的“深拷贝”（若有动态内存等需要深拷贝的成员时，需在复制构造函数中处理，这里假设是普通成员）。
调用时机：
用一个已有的  T  类对象初始化另一个新对象时，如  T t4 = t3; 
当函数以值传递的方式传递  T  类对象参数时
 当函数返回  T  类对象（值返回）时

移动构造函数  T(T &&t); 
功能：利用右值引用，将一个临时的、即将被销毁的  T  类对象（右值）的资源“移动”到新创建的对象中，避免不必要的拷贝，提高性能。
调用时机：当用右值（如临时对象、 std::move  转换后的对象）初始化新的  T  类对象时，例如  T t5 = std::move(t4); 。
析构函数  ~T(); 
功能：在  T  类对象的生命周期结束时，执行清理工作，如释放对象所占用的动态内存、关闭文件等资源（若有相关资源需要释放）。
调用时机：当  T  类对象的作用域结束（如局部对象离开其定义的代码块），或者动态创建的对象被  delete  时，析构函数会被自动调用。

问题3

不能

 

类的静态成员变量的定义（即分配内存并初始化）应该放在  .cpp  文件中。如果将  T.cpp  中  line13 - 15 （静态成员  doc 、 max_cnt 、 cnt  的定义）剪切到  T.h  的末尾，当多个源文件包含  T.h  时，会导致这些静态成员被多次定义，违反了 C++ 的“单定义规则（ODR）”，编译器会报“多重定义”的错误，因为头文件会被多个源文件包含，从而导致静态成员的定义重复

实验任务二

Complex.h

#ifndef COMPLEX_H  // 头文件保护宏：防止头文件被重复包含
#define COMPLEX_H
#include <string>   // 引入string类型的头文件（因为要定义doc属性）
#include <iostream> // 引入输入输出头文件（因为要输出复数）
using namespace std; // 使用std命名空间，简化代码（避免写std::string、std::cout）
class Complex {  // 定义Complex类
public:
    //类属性：公有静态常量doc
    static const string doc;  
    //static：表示这是“类的属性”（所有Complex对象共享，不需要创建对象就能访问）
    //const：表示这个属性的值不能被修改
    //作用：存储类的说明信息（实验要求的“类属性”）
    //构造函数声明（用于创建对象）
    Complex(double real = 0.0, double imag = 0.0);  // 普通构造函数
    //形参带默认值：
    //无参调用（Complex c1;）：real=0.0、imag=0.0 → 构造0+0i
    //单参调用（Complex c2(3.5);）：real=3.5、imag=0.0 → 构造3.5+0i
    //双参调用（Complex c3(3, -4);）：real=3、imag=-4 → 构造3-4i
    Complex(const Complex& other);  // 复制构造函数
    //形参是“const Complex&”：表示传入一个已存在的Complex对象的“只读引用”
    //作用：用已有的对象构造新对象（比如Complex c4(c2); 或 Complex c5 = c2;）
    //接口方法声明（类的“功能函数”）
    double get_real() const;  // 返回实部
    double get_imag() const;  // 返回虚部
    //const：表示这个函数不会修改对象的成员变量（只读操作）
    void add(const Complex& other);  // 自身累加另一个复数
    //作用：把other的实部/虚部加到当前对象上（比如c1.add(c2) → c1 = c1 + c2）
    //友元函数声明（友元可以直接访问类的私有成员）
    friend void output(const Complex& c);          // 输出复数（a+bi格式）
    friend double abs(const Complex& c);           // 复数取模
    friend Complex add(const Complex& c1, const Complex& c2);  // 两个复数相加
    friend bool is_equal(const Complex& c1, const Complex& c2); // 判断复数相等
    friend bool is_not_equal(const Complex& c1, const Complex& c2); // 判断不相等
    //friend：表示这些函数不是类的成员，但可以直接访问Complex的私有成员（real、imag）
 private:  //私有成员：只有类内部和友元能访问
    double real;  //存储复数的实部
    double imag;  //存储复数的虚部
};
#endif  //结束头文件保护宏

 

Complex.cpp

#include "Complex.h"  // 包含头文件，让编译器知道Complex类的结构
#include <cmath>      // 引入数学头文件（因为要计算平方根sqrt，用于取模）
//初始化类的静态常量doc
const string Complex::doc = "a simplified complex class";
//静态成员必须在“类外”初始化（因为它是“类的属性”，不是对象的属性）
//这里给doc赋值为实验要求的说明信息
//普通构造函数的实现
Complex::Complex(double real, double imag) : real(real), imag(imag) {}
//Complex::：表示这是Complex类的成员函数
//real(real), imag(imag)：初始化列表（高效初始化成员变量）
//把形参real的值赋给类的私有成员real
//把形参imag的值赋给类的私有成员imag
//复制构造函数的实现
Complex::Complex(const Complex& other) : real(other.real), imag(other.imag) {}
//other是传入的已有对象
//把other的real和imag的值，赋给新对象的real和imag
//作用：保证新对象和原对象的内容完全一致
//get_real()的实现：返回实部
double Complex::get_real() const {
    return real;  // 直接返回私有成员real
}
//get_imag()的实现：返回虚部
double Complex::get_imag() const {
    return imag;  // 直接返回私有成员imag
}
//add()的实现：自身累加另一个复数
 void Complex::add(const Complex& other) {
    this->real += other.real;  // 当前对象的real = 当前real + other的real
    this->imag += other.imag;  // 当前对象的imag = 当前imag + other的imag
    //this：指向当前对象的指针（表示“自己”）
}
 //友元函数output()的实现：输出复数（a+bi格式）
 void output(const Complex& c) {
    cout << c.real;  // 先输出实部
    if (c.imag >= 0) {  // 如果虚部是正数，输出“+ 虚部i”
        cout << " + " << c.imag << "i";
    } else {  // 如果虚部是负数，输出“- 绝对值i”（比如imag=-4 → 输出“- 4i”）
        cout << " - " << -c.imag << "i";
    }
}
 //友元函数abs()的实现：计算复数的模
 double abs(const Complex& c) {
    // 复数的模公式：√(实部2 + 虚部2)
    return sqrt(c.real * c.real + c.imag * c.imag);
}
 //友元函数add()的实现：两个复数相加，返回新的复数
 Complex add(const Complex& c1, const Complex& c2) {
    // 新复数的实部 = c1实部 + c2实部
    // 新复数的虚部 = c1虚部 + c2虚部
    return Complex(c1.real + c2.real, c1.imag + c2.imag);
}
 //友元函数is_equal()的实现：判断两个复数是否相等
 bool is_equal(const Complex& c1, const Complex& c2) {
    // 复数相等的条件：实部相等 且 虚部相等
    return (c1.real == c2.real) && (c1.imag == c2.imag);
}
 // 11. 友元函数is_not_equal()的实现：判断两个复数是否不相等
 bool is_not_equal(const Complex& c1, const Complex& c2) {
    // 直接复用is_equal的结果，取反即可
    return !is_equal(c1, c2);
}

 

task2.2.cpp

#include"Complex.h"
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <complex>

void test_Complex();
void test_std_complex();

int main() {
    std::cout << "*******测试1: 自定义类Complex*******\n";
    test_Complex();
    
    std::cout << "\n*******测试2: 标准库模板类complex*******\n";
    test_std_complex();
}

void test_Complex() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    using std::boolalpha;
    
    cout << "类成员测试: " << endl;
    cout << Complex::doc << endl << endl;
    
    cout << "Complex对象测试: " << endl;
    Complex c1;
    Complex c2(3, -4);
    Complex c3(c2);
    Complex c4 = c2;
    const Complex c5(3.5);
    
    cout << "c1 = "; output(c1); cout << endl;
    cout << "c2 = "; output(c2); cout << endl;
    cout << "c3 = "; output(c3); cout << endl;
    cout << "c4 = "; output(c4); cout << endl;
    cout << "c5.real = " << c5.get_real()
    << ", c5.imag = " << c5.get_imag() << endl << endl;
    
    cout << "复数运算测试: " << endl;
    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
    c1.add(c2);
    cout << "c1 += c2, c1 = "; output(c1); cout << endl;
    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << is_equal(c1, c2) << endl;
    cout << "c1 != c2 : " << is_not_equal(c1, c2) << endl;
    c4 = add(c2, c3);
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = "; output(c4); cout << endl;
}

void test_std_complex() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    using std::boolalpha;
    
    cout << "std::complex<double>对象测试: " << endl;
    std::complex<double> c1;
    std::complex<double> c2(3, -4);
    std::complex<double> c3(c2);
    std::complex<double> c4 = c2;
    const std::complex<double> c5(3.5);
    
    cout << "c1 = " << c1 << endl;
    cout << "c2 = " << c2 << endl;
    cout << "c3 = " << c3 << endl;
    cout << "c4 = " << c4 << endl;
    
    cout << "c5.real = " << c5.real()
    << ", c5.imag = " << c5.imag() << endl << endl;
    
    cout << "复数运算测试: " << endl;
    cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
    c1 += c2;
    cout << "c1 += c2, c1 = " << c1 << endl;
    cout << boolalpha;
    cout << "c1 == c2 : " << (c1 == c2)<< endl;
    cout << "c1 != c2 : " << (c1 != c2) << endl;
    c4 = c2 + c3;
    cout << "c4 = c2 + c3, c4 = " << c4 << endl;
}

 

运行结果

 

问题1

使用形式简洁性：标准库模板类  std::complex  更简洁。从表格中可以看到，自定义类需要通过函数名（如  add 、 is_equal ）来进行运算和比较，而标准库类可以直接使用熟悉的运算符（ += 、 + 、 == 、 != ）以及流操作（ cout << ），更符合 C++ 常规的编程习惯，书写更简洁直观。
函数和运算内在关联：有内在关联。标准库  std::complex  通过运算符重载等方式，将复数的运算（加、减、乘、除等）和比较等操作与对应的运算符关联起来，使得使用方式和内置类型（如  int 、 double ）类似，而自定义类需要自己定义函数来模拟这些操作，本质上都是为了实现复数的各种数学运算和功能，只是标准库的实现更贴合语言的原生语法。

问题2

2 - 1：是。因为  output  需要访问复数的实部和虚部来进行输出； abs  需要根据实部和虚部计算复数的模； add  需要访问两个复数的实部和虚部来进行加法运算，所以它们都需要访问私有数据  real  和  imag ，将其设为友元是合理的。​

2 - 2：标准库  std::complex  中， abs  不是  std::complex  类的友元。 std::abs  是一个非成员函数（通过函数重载来支持  std::complex  类型），它可以通过  std::complex  类的公有接口（如  real()  和  imag()  成员函数）来获取实部和虚部，进而计算模，不需要成为友元。

2 - 3：当一个函数需要访问类的私有成员，且这个函数不适合作为类的成员函数（比如运算符重载的非成员函数、一些工具函数等）时，考虑使用  friend 。例如，双目运算符（如  + ，两个操作数类型相同或不同）如果要支持更灵活的操作数顺序，作为非成员函数实现时，若需要访问类的私有成员，就需要声明为友元；还有一些外部工具函数，需要操作类的内部私有数据来完成特定功能，也可以声明为友元。

问题3

如果要禁用  Complex c4 = c2;  这种拷贝初始化形式（即禁用复制构造函数），可以将复制构造函数声明为私有，或者使用  = delete  来显式删除复制构造函数。

实验任务三

PlayerControl.h

#pragma once  // 头文件保护（等价于#ifndef...#define...#endif）
#include <string>
 // 枚举类型：表示播放控制指令
 enum class ControlType { Play, Pause, Next, Prev, Stop, Unknown };
 class PlayerControl {
 public:
    // 构造函数
    PlayerControl();
    // 接口1：将用户输入的字符串（如"play"）转换为枚举值
    ControlType parse(const std::string& control_str);
    // 接口2：执行控制指令（模拟播放行为）
    void execute(ControlType cmd) const;
    // 类方法：获取操作总次数
    static int get_cnt();
 private:
    // 类属性：静态变量，记录所有对象的操作总次数
    static int total_cnt;
 };

 

PlayerControl.cpp

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>  // 用于字符串大小写转换
#include <cctype>     // 用于字符大小写判断
// 初始化静态成员：操作总次数初始为0
int PlayerControl::total_cnt = 0;
// 构造函数：无额外逻辑，仅初始化对象
PlayerControl::PlayerControl() {}
// 接口1：字符串转枚举值（忽略大小写）
ControlType PlayerControl::parse(const std::string& control_str) {
    // 步骤1：将输入字符串转为小写（统一处理）
    std::string lower_str = control_str;
    std::transform(lower_str.begin(), lower_str.end(), lower_str.begin(),
                    [](unsigned char c) { return std::tolower(c); });
    // 步骤2：根据小写字符串匹配枚举值
    if (lower_str == "play") {
        total_cnt++;  // 操作次数+1
        return ControlType::Play;
    } else if (lower_str == "pause") {
        total_cnt++;
        return ControlType::Pause;
    } else if (lower_str == "next") {
        total_cnt++;
        return ControlType::Next;
    } else if (lower_str == "prev") {
        total_cnt++;
        return ControlType::Prev;
    } else if (lower_str == "stop") {
        total_cnt++;
        return ControlType::Stop;
    } else {
        // 未知指令
        return ControlType::Unknown;
    }
}
// 接口2：执行控制指令（模拟输出）
void PlayerControl::execute(ControlType cmd) const {
    // 根据枚举值输出对应的控制行为
    switch (cmd) {
        case ControlType::Play:
            std::cout << "[Play] 播放音乐..." << std::endl;
            break;
        case ControlType::Pause:
            std::cout << "[Pause] 音乐已暂停" << std::endl;
            break;
        case ControlType::Next:
            std::cout << "[Next] 切换到下一首" << std::endl;
            break;
        case ControlType::Prev:
            std::cout << "[Prev] 回到上一首" << std::endl;
            break;
        case ControlType::Stop:
            std::cout << "[Stop] 音乐已停止" << std::endl;
            break;
        default:
            std::cout << "[Error] 未知控制指令" << std::endl;
            break;
    }
}
// 类方法：返回操作总次数
int PlayerControl::get_cnt() {
    return total_cnt;
 }

 

task2.3.cpp

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
void test() {
    PlayerControl controller;  // 创建播放控制对象
    std::string control_str;   // 存储用户输入的指令
    std::cout << "Enter Control: (play/pause/next/prev/stop/quit):\n";
    while (std::cin >> control_str) {  // 循环读取用户输入
        if (control_str == "quit") {   // 输入quit则退出
            break;
        }
        // 步骤1：将用户输入的字符串转为枚举指令
        ControlType cmd = controller.parse(control_str);
        // 步骤2：执行指令
        controller.execute(cmd);
        // 步骤3：输出当前操作总次数
        std::cout << "Current Player control: " << PlayerControl::get_cnt() << "\n\n";
    }
}
int main() {
    test();  // 运行测试
    return 0;
}

运行结果

 

实验任务四

Fraction.h

#pragma once  // 头文件保护：防止同一文件被重复包含（等价于#ifndef+#define+#endif）
#include <string>  // 引入string类型的头文件（因为要定义类属性doc）
using namespace std;  // 使用std命名空间，简化代码（避免写std::string）
class Fraction {  // 定义分数类Fraction
public:
    // 类属性：公有静态常量，用于类说明
    static const string doc;  // static表示“类的属性”（所有对象共享），const表示不可修改
    // 构造函数声明
    Fraction(int up = 0, int down = 1);  // 普通构造：默认分子0、分母1（支持无参/单参/双参构造）
    Fraction(const Fraction& other);     // 复制构造：用已有对象构造新对象
    // 接口方法声明（类的功能函数）
    int get_up() const;  // 返回分子，const表示函数不修改对象成员
    int get_down() const;  // 返回分母，const表示函数不修改对象成员
    Fraction negative() const;  // 求负：返回新分数对象，原对象不变
    // 友元工具函数声明（友元可直接访问类的私有成员）
    friend void output(const Fraction& f);  // 输出分数
    friend Fraction add(const Fraction& f1, const Fraction& f2);  // 分数相加
    friend Fraction sub(const Fraction& f1, const Fraction& f2);  // 分数相减
    friend Fraction mul(const Fraction& f1, const Fraction& f2);  // 分数相乘
    friend Fraction div(const Fraction& f1, const Fraction& f2);  // 分数相除
private:  // 私有成员：仅类内部和友元能访问
    int up;    // 存储分数的分子
    int down;  // 存储分数的分母
    void reduce();  // 内部工具函数：分数化简（约分）
    int gcd(int a, int b) const;  // 内部工具函数：求最大公约数（用于约分）
};

 

Fraction.cpp

#include "Fraction.h"  // 包含头文件，让编译器知道Fraction类的结构
#include <iostream>    // 引入输入输出头文件（用于输出错误信息）
#include <cstdlib>     // 引入stdlib头文件（用于abs()函数，求绝对值）
// 初始化类的静态常量doc（静态成员必须在类外初始化）
const string Fraction::doc = "Fraction类v0.01版.\n目前仅支持分数对象的构造、输出、加减乘除运算";
// 普通构造函数：初始化分子、分母，并处理异常、化简分数
Fraction::Fraction(int up, int down) : up(up), down(down) {
    // 处理分母为0的错误：直接终止程序并提示
    if (down == 0) {
        cerr << "错误：分母不能为0！" << endl;  // cerr：输出错误信息
        exit(1);  // 终止程序（返回1表示异常退出）
    }
    // 确保分母为正：若分母是负数，将符号转移到分子
    if (down < 0) {
        up = -up;    // 分子取反
        down = -down;  // 分母取反（转为正数）
    }
    reduce();  // 调用内部工具函数，化简分数（约分）
}
// 复制构造函数：用已有对象other构造新对象
Fraction::Fraction(const Fraction& other) : up(other.up), down(other.down) {}
//other是已有对象的“只读引用”
//用other的up和down初始化新对象的up和down
// 返回分子（接口方法）
int Fraction::get_up() const {
    return up;  // 直接返回私有成员up
}
// 返回分母（接口方法）
int Fraction::get_down() const {
    return down;  // 直接返回私有成员down
}
// 求负：返回新的分数对象（原对象不变）
Fraction Fraction::negative() const {
    return Fraction(-up, down);  // 构造新分数，分子取反、分母不变
}
// 内部工具函数：求a和b的最大公约数（用于约分）
int Fraction::gcd(int a, int b) const {
    a = abs(a);  // 转为绝对值（避免负数影响计算）
    b = abs(b);
    while (b != 0) {  // 辗转相除法求最大公约数
        int temp = b;
        b = a % b;
        a = temp;
    }
    return a;  // a是最大公约数
}
// 内部工具函数：分数化简（约分）
void Fraction::reduce() {
    int common = gcd(up, down);  // 求分子和分母的最大公约数
    up /= common;    // 分子除以最大公约数
    down /= common;  // 分母除以最大公约数
}
// 友元函数：输出分数（化简后的格式）
void output(const Fraction& f) {
    if (f.down == 1) {  // 若分母是1，直接输出分子（如2/1 → 2）
        cout << f.up;
    } else {  // 否则输出“分子/分母”格式（如-2/3）
        cout << f.up << "/" << f.down;
    }
}
// 友元函数：分数相加
Fraction add(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
    // 分数加法公式：f1 + f2 = (f1.up*f2.down + f2.up*f1.down) / (f1.down*f2.down)
    int new_up = f1.up * f2.down + f2.up * f1.down;  // 新分子
    int new_down = f1.down * f2.down;  // 新分母
    return Fraction(new_up, new_down);  // 构造新分数（自动化简）
}
// 友元函数：分数相减
Fraction sub(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
    // 分数减法公式：f1 - f2 = (f1.up*f2.down - f2.up*f1.down) / (f1.down*f2.down)
    int new_up = f1.up * f2.down - f2.up * f1.down;
    int new_down = f1.down * f2.down;
    return Fraction(new_up, new_down);
}
// 友元函数：分数相乘
Fraction mul(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
    // 分数乘法公式：f1 * f2 = (f1.up*f2.up) / (f1.down*f2.down)
    int new_up = f1.up * f2.up;
    int new_down = f1.down * f2.down;
    return Fraction(new_up, new_down);
}
// 友元函数：分数相除
Fraction div(const Fraction& f1, const Fraction& f2) {
    // 分数除法公式：f1 / f2 = (f1.up*f2.down) / (f1.down*f2.up)（等价于乘以f2的倒数）
    int new_up = f1.up * f2.down;
    int new_down = f1.down * f2.up;
    return Fraction(new_up, new_down);
}

 

task2.4.cpp

#include "Fraction.h"  // 包含Fraction类的头文件
#include <iostream>     // 引入输入输出头文件
void test1();  // 声明测试函数1（基础功能测试）
void test2();  // 声明测试函数2（分母为0测试）
int main() {  // 程序入口
    std::cout << "测试1：Fraction类基础功能测试\n";  // 输出测试标题
    test1();  // 调用测试函数1
    std::cout << "\n测试2：分母为0测试：\n";  // 输出测试标题
    test2();  // 调用测试函数2
}
void test1() {  // 测试函数1：基础功能
    using std::cout;  // 简化cout的写法（避免写std::cout）
    using std::endl;  // 简化endl的写法
    cout << "Fraction类测试：" << endl;
    cout << Fraction::doc << endl << endl;  // 输出类的说明信息
    // 构造分数对象
    Fraction f1(5);  // 单参构造：分子5，分母默认1 → 5/1
    Fraction f2(3, -4), f3(-18, 12);  // f2:3/-4→-3/4；f3:-18/12→-3/2
    Fraction f4(f3);  // 复制构造：f4和f3相同→-3/2
    // 输出各个分数
    cout << "f1 = "; output(f1); cout << endl;  // 输出f1:5
    cout << "f2 = "; output(f2); cout << endl;  // 输出f2:-3/4
    cout << "f3 = "; output(f3); cout << endl;  // 输出f3:-3/2
    cout << "f4 = "; output(f4); cout << endl;  // 输出f4:-3/2
    // 测试求负功能
    const Fraction f5(f4.negative());  // f4求负→3/2
    cout << "f5 = "; output(f5); cout << endl;  // 输出f5:3/2
    // 测试get_up/get_down
    cout << "f5.get_up() = " << f5.get_up()
        << ", f5.get_down() = " << f5.get_down() << endl;  // 输出3和2
    // 测试分数运算
    cout << "f1 + f2 = "; output(add(f1, f2)); cout << endl;  // 5 + (-3/4) = 17/4
    cout << "f1 - f2 = "; output(sub(f1, f2)); cout << endl;  // 5 - (-3/4) = 23/4
    cout << "f1 * f2 = "; output(mul(f1, f2)); cout << endl;  // 5 * (-3/4) = -15/4
    cout << "f1 / f2 = "; output(div(f1, f2)); cout << endl;  // 5 / (-3/4) = -20/3
    cout << "f4 + f5 = "; output(add(f4, f5)); cout << endl;  // (-3/2) + 3/2 = 0
}
void test2() {  // 测试函数2：分母为0的情况
    using std::cout;
    using std::endl;
    Fraction f6(42, 55), f7(0, 3);  // f7:0/3→0/1
    cout << "f6 = "; output(f6); cout << endl;  // 输出f6:42/55
    cout << "f7 = "; output(f7); cout << endl;  // 输出f7:0
    cout << "f6 / f7 = "; 
    // f6/f7 → 42/55 ÷ 0 → 分母为0，触发构造函数的错误提示
    output(div(f6, f7)); cout << endl;
}

 

运行结果

问题

选择友元函数方案来实现  output 、 add 、 sub 、 mul 、 div 。
决策理由
友元方案的优缺点
优点：
友元函数可以直接访问类的私有成员（如分子  numerator  和分母  denominator ），在实现分数的输出和运算时，无需通过类的公有接口间接获取数据，代码实现更加简洁高效。例如在  add  函数中，能直接使用  frac1.numerator 、 frac1.denominator  等进行计算，不需要调用  getNumerator  和  getDenominator  方法。
对于二元操作（如两个分数相加、相减等），友元函数的参数传递方式更灵活，可以自然地处理两个操作数的关系，语法上也更接近普通的数学运算表达式。
缺点：
友元函数破坏了类的封装性，因为它可以直接访问类的私有成员，使得类的内部实现对友元函数可见，降低了类的封装程度。
友元函数的数量过多时，会使得类的接口不够清晰，难以维护和管理。
静态成员函数方案的适用场景
静态成员函数属于类本身，而不是类的实例。适用于操作与类的所有实例相关的静态数据成员，或者执行的操作不需要访问特定实例的私有成员（只需要类级别的信息）的场景。例如，统计类的对象个数的函数，或者根据类的一些静态配置信息进行计算的函数。但对于分数的输出和运算，每个操作都需要针对具体的分数实例（访问实例的分子和分母），所以不适合用静态成员函数。
命名空间方案的考虑因素
命名空间主要用于组织代码，避免命名冲突。如果有多个与分数相关的函数，将它们放在同一个命名空间（如  namespace FractionOps ）中，可以使代码的逻辑更加清晰，便于管理。但命名空间本身并不能解决函数访问类私有成员的问题，如果使用命名空间中的普通自由函数，仍然需要通过类的公有接口来访问私有成员，会增加代码的复杂度和开销。而友元函数可以在使用命名空间的同时，直接访问类的私有成员，结合了命名空间的组织性和友元函数的便利性。在本题中，虽然也可以使用命名空间，但友元函数能更直接地实现功能，所以优先选择友元。