实验五

实验任务1

源代码publisher.hpp

#pragma once
#include <string>
// 发行/出版物类：Publisher （抽象类）
class Publisher {
public:
    Publisher(const std::string& name_ = ""); // 构造函数
    virtual ~Publisher() = default;
public:
    virtual void publish() const = 0; // 纯虚函数，作为接口继承
    virtual void use() const = 0; // 纯虚函数，作为接口继承
protected:
    std::string name; // 发行/出版物名称
};
// 图书类: Book
class Book : public Publisher {
public:
    Book(const std::string& name_ = "", const std::string& author_ = ""); // 构造函数
public:
    void publish() const override; // 接口
    void use() const override; // 接口
private:
    std::string author; // 作者
};
// 电影类: Film
class Film : public Publisher {
public:
    Film(const std::string& name_ = "", const std::string& director_ = ""); // 构造函数
public:
    void publish() const override; // 接口
    void use() const override; // 接口
private:
    std::string director; // 导演
};
// 音乐类：Music
class Music : public Publisher {
public:
    Music(const std::string& name_ = "", const std::string& artist_ = "");
public:
    void publish() const override; // 接口
    void use() const override; // 接口
private:
    std::string artist; // 音乐艺术家名称
};

源代码publisher.cpp

#include <iostream>
#include <string>
#include "publisher.hpp"
// Publisher类：实现
Publisher::Publisher(const std::string& name_) : name{ name_ } {
}
// Book类: 实现
Book::Book(const std::string& name_, const std::string& author_) : Publisher{ name_ },
author{ author_ } {
}
void Book::publish() const {
    std::cout << "Publishing book《" << name << "》 by " << author << '\n';
}
void Book::use() const {
    std::cout << "Reading book 《" << name << "》 by " << author << '\n';
}
// Film类：实现
Film::Film(const std::string& name_, const std::string
    & director_) :Publisher{ name_ }, director{ director_ } {
}
void Film::publish() const {
    std::cout << "Publishing film <" << name << "> directed by " << director << '\n';
}
void Film::use() const {
    std::cout << "Watching film <" << name << "> directed by " << director << '\n';
}
// Music类：实现
Music::Music(const std::string& name_, const std::string& artist_) : Publisher{ name_ },
artist{ artist_ } {
}
void Music::publish() const {
    std::cout << "Publishing music <" << name << "> by " << artist << '\n';
}
void Music::use() const {
    std::cout << "Listening to music <" << name << "> by " << artist << '\n';
}

源代码task1.cpp

#include <memory>
#include <iostream>
#include <vector>
#include "publisher.hpp"
void test1() {
    std::vector<Publisher*> v;
    v.push_back(new Book("Harry Potter", "J.K. Rowling"));
    v.push_back(new Film("The Godfather", "Francis Ford Coppola"));
    v.push_back(new Music("Blowing in the wind", "Bob Dylan"));
    for (Publisher* ptr : v) {
        ptr->publish();
        ptr->use();
        std::cout << '\n';
        delete ptr;
    }
}
void test2() {
    std::vector<std::unique_ptr<Publisher>> v;
    v.push_back(std::make_unique<Book>("Harry Potter", "J.K. Rowling"));
    v.push_back(std::make_unique<Film>("The Godfather", "Francis Ford Coppola"));
    v.push_back(std::make_unique<Music>("Blowing in the wind", "Bob Dylan"));
    for (const auto& ptr : v) {
        ptr->publish();
        ptr->use();
        std::cout << '\n';
    }
}
void test3() {
    Book book("A Philosophy of Software Design", "John Ousterhout");
    book.publish();
    book.use();
}
int main() {
    std::cout << "运行时多态：纯虚函数、抽象类\n";
    std::cout << "\n测试1: 使用原始指针\n";
    test1();
    std::cout << "\n测试2: 使用智能指针\n";
    test2();
    std::cout << "\n测试3: 直接使用类\n";
    test3();
}

运行测试结果截图

问题1：抽象类机制
（1）是什么决定了 Publisher 是抽象类？用一句话说明，并指出代码中的具体依据。
（2）如果在 main.cpp 里直接写 Publisher p; 能否编译通过？为什么

答：（1）Publisher 类包含纯虚函数，因此它是抽象类。具体依据如下：

virtual void publish() const = 0; // 纯虚函数，作为接口继承
virtual void use() const = 0; // 纯虚函数，作为接口继承

　　（2）不能编译通过，因为 Publisher 是一个抽象类，抽象类不能被实例化即不能拥有对象。

问题2：纯虚函数与接口继承
（1） Book 、 Film 、 Music 必须实现哪两个函数才能通过编译？请写出其完整函数声明。

（2） 在 publisher.cpp 的 Film 类实现中，把两个成员函数实现里的 const 去掉（保持函数体不变），重新编译，报错信息是什么？ 

答：(1) Book、Film、Music 都必须实现基类 Publisher 中的两个纯虚函数，完整函数声明如下

void publish() const override;    //override用于显式标记函数是重写基类虚函数的 
void use() const override;

　　（2）报错信息如下所示

这是因为去掉 const 后函数签名不匹配。基类函数有 const，派生类实现缺少 const，导致无法找到重载的成员函数

问题3：运行时多态与虚析构

（1）在 test1() 里， for (Publisher *ptr : v) 中 ptr 的声明类型是什么？
（2）当循环执行到 ptr->publish(); 时， ptr 实际指向的对象类型分别有哪些？（按循环顺序写出）
（3）基类 Publisher 的析构函数为何声明为 virtual ？若删除 virtual ，执行 delete ptr; 会出现什么问题？

答：（1）ptr 的声明类型是指向基类 Publisher 的指针。

　　（2）在循环中，ptr 实际依次指向的对象类型是：Book、Film、Music

　　（3）将基类的析构函数声明 virtual 的原因是确保通过基类指针删除派生类对象时，能正确调用派生类的析构函数。若不声明 virtual，那么用基类指针销毁对象时，只调用 Publisher 的析构函数，Book、Film、Music 的析构函数不会被调用，导致派生类特有的资源（如 author、director 等）不会被销毁，从而导致内存泄漏。

 

实验任务二

源代码book.hpp

#pragma once
#include <string>

// 图书描述信息类Book: 声明
class Book {
public:
    Book(const std::string& name_,
        const std::string& author_,
        const std::string& translator_,
        const std::string& isbn_,
        double price_);

    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Book& book);

private:
    std::string name;        // 书名
    std::string author;      // 作者
    std::string translator;  // 译者
    std::string isbn;        // isbn号
    double price;        // 定价
};

源代码book.cpp

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include "book.hpp"
// 图书描述信息类Book: 实现
Book::Book(const std::string& name_,
    const std::string& author_,
    const std::string& translator_,
    const std::string& isbn_,
    double price_) :name{ name_ }, author{ author_ }, translator{ translator_ },
    isbn{ isbn_ }, price{ price_ } {
}
// 运算符<<重载实现
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Book& book) {
    using std::left;
    using std::setw;
    out << left;
    out << setw(15) << "书名:" << book.name << '\n'
        << setw(15) << "作者:" << book.author << '\n'
        << setw(15) << "译者:" << book.translator << '\n'
        << setw(15) << "ISBN:" << book.isbn << '\n'
        << setw(15) << "定价:" << book.price;
    return out;
}

源代码booksale.hpp

#pragma once
#include <string>
#include "book.hpp"
// 图书销售记录类BookSales：声明
class BookSale {
public:
    BookSale(const Book& rb_, double sales_price_, int sales_amount_);
    int get_amount() const; // 返回销售数量
    double get_revenue() const; // 返回营收
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const BookSale& item);
private:
    Book rb;
    double sales_price; // 售价
    int sales_amount; // 销售数量
};

源代码booksale.cpp

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include "booksale.hpp"
// 图书销售记录类BookSales：实现
BookSale::BookSale(const Book& rb_,
    double sales_price_,
    int sales_amount_) : rb{ rb_ }, sales_price{ sales_price_ },
    sales_amount{ sales_amount_ } {
}
int BookSale::get_amount() const {
    return sales_amount;
}
double BookSale::get_revenue() const {
    return sales_amount * sales_price;
}
// 运算符<<重载实现
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const BookSale& item) {
    using std::left;
    using std::setw;
    out << left;
    out << item.rb << '\n'
        << setw(15) << "售价:" << item.sales_price << '\n'
        << setw(15) << "销售数量:" << item.sales_amount << '\n'
        << setw(15) << "营收:" << item.get_revenue();
    return out;
}

源代码task2.cpp

#include "booksale.hpp"
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
// 按图书销售数额比较
bool compare_by_amount(const BookSale& x1, const BookSale& x2) {
    return x1.get_amount() > x2.get_amount();
}
void test() {
    using namespace std;
    vector<BookSale> sales_lst; // 存放图书销售记录
    int books_number;
    cout << "录入图书数量: ";
    cin >> books_number;
    cout << "录入图书销售记录" << endl;
    for (int i = 0; i < books_number; ++i) {
        string name, author, translator, isbn;
        float price;
        cout << string(20, '-') << "第" << i + 1 << "本图书信息录入" << string(20, '-') <<
            endl;
        cout << "录入书名: "; cin >> name;
        cout << "录入作者: "; cin >> author;
        cout << "录入译者: "; cin >> translator;
        cout << "录入isbn: "; cin >> isbn;
        cout << "录入定价: "; cin >> price;
        Book book(name, author, translator, isbn, price);
        float sales_price;
        int sales_amount;
        cout << "录入售价: "; cin >> sales_price;
        cout << "录入销售数量: "; cin >> sales_amount;
        BookSale record(book, sales_price, sales_amount);
        sales_lst.push_back(record);
    }
    // 按销售册数排序
    sort(sales_lst.begin(), sales_lst.end(), compare_by_amount);
    // 按销售册数降序输出图书销售信息
    cout << string(20, '=') << "图书销售统计" << string(20, '=') << endl;
    for (auto& t : sales_lst) {
        cout << t << endl;
        cout << string(40, '-') << endl;
    }
}
int main() {
    test();
}

运行结果测试截图

问题1：重载运算符<<

（1）找出运算符 << 被重载了几处？分别用于什么类型？

（2）找出使用重载 << 输出对象的代码，写在下面。 

答：（1）共重载了 2 处，分别用于Book 类型和BookSale 类型，用来输出图书和图书销售记录的详细信息

　　（2）第一处（输出 Book 对象）：

// 在 booksale.cpp 中
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const BookSale& item) {
    // ...
    out << item.rb << '\n';  // 这里使用了重载的 << 输出 Book 对象
    // ...
}

　　　　第二处（输出 BookSale 对象）：

// 在 task2.cpp 中
for (auto& t : sales_lst) {
    cout << t << endl;  // 这里使用了重载的 << 输出 BookSale 对象
    cout << string(40, '-') << endl;
}

问题2：图书销售统计

（1）图书销售记录"按销售数量降序排序"，代码是如何实现的？

（2）拓展（选答*）：如果使用lambda表达式，如何实现"按销售数量降序排序"？ 

答：（1）代码通过 C++ 标准库中的 std::sort 函数，结合一个自定义比较函数来实现降序排序。

自定义比较函数：

bool compare_by_amount(const BookSale& x1, const BookSale& x2) {//接收两个 BookSale 对象 x1 和 x2
    return x1.get_amount() > x2.get_amount();//当 x1 的销售数量大于 x2 的销售数量时，函数返回 true
}

std::sort 使用 compare_by_amount 作为第三个参数，指导排序算法如何比较两个元素，从而按照销售数量进行降序排列。

// 按销售册数降序排序
sort(sales_lst.begin(), sales_lst.end(), compare_by_amount);

　　（2）使用lambda表达式实现

sort(sales_lst.begin(), sales_lst.end(), [](const BookSale& x1, const BookSale& x2) {return x1.get_amount() > x2.get_amount(); });

实验任务四

源代码pets.hpp

#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;

class MachinePet {
private:
    string nickname;
public:
    MachinePet(const string& name) :nickname(name) {}  //要const引用，支持字面值参数
    virtual ~MachinePet() = default;                    //析构函数要定义为虚函数
    string get_nickname()const { return nickname; }   // 添加const，支持const对象调用
    virtual string talk()const = 0;                      //定义为纯虚函数，使该类成为抽象类
};

class PetCat :public MachinePet {
public:
    PetCat(const string& name) :MachinePet(name) {}     
    string talk()const override {                    
        return "miao wu~";
    }
};

class PetDog :public MachinePet {
public:
    PetDog(const string& name) :MachinePet(name) {}    
    string talk()const override {                     
        return "wang wang~";
    }
};

源代码task4.cpp

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include "pet.hpp"
void test1() {
    std::vector<MachinePet*> pets;
    pets.push_back(new PetCat("miku"));
    pets.push_back(new PetDog("da huang"));
    for (MachinePet* ptr : pets) {
        std::cout << ptr->get_nickname() << " says " << ptr->talk() << '\n';
        delete ptr; // 须手动释放资源
    }
}
void test2() {
    std::vector<std::unique_ptr<MachinePet>> pets;
    pets.push_back(std::make_unique<PetCat>("miku"));
    pets.push_back(std::make_unique<PetDog>("da huang"));
    for (auto const& ptr : pets)
        std::cout << ptr->get_nickname() << " says " << ptr->talk() << '\n';
}
void test3() {
    // MachinePet pet("little cutie"); // 编译报错：无法定义抽象类对象
    const PetCat cat("miku");
    std::cout << cat.get_nickname() << " says " << cat.talk() << '\n';
    const PetDog dog("da huang");
    std::cout << dog.get_nickname() << " says " << dog.talk() << '\n';
}
int main() {
    std::cout << "测试1: 使用原始指针\n";
    test1();
    std::cout << "\n测试2: 使用智能指针\n";
    test2();
    std::cout << "\n测试3: 直接使用类\n";
    test3();
}

运行结果测试截图

实验任务五

源代码Complex.hpp

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
class Complex {
private:
    T real, imag;

public:
    Complex() : real(0), imag(0) {}
    Complex(T r, T i) : real(r), imag(i) {}
    Complex(const Complex& c) : real(c.real), imag(c.imag) {}
    T get_real() const {
        return real;
    }
    T get_imag() const {
        return imag;
    }
    Complex& operator+=(const Complex& c) {
        real += c.real;
        imag += c.imag;
        return *this;
    }
    Complex operator+(const Complex& c) const {
        return Complex(real + c.real, imag + c.imag);
    }
    bool operator==(const Complex& c) const {
        return real == c.real && imag == c.imag;
    }
    template<typename U>
    friend istream& operator>>(istream& in, Complex<U>& c);

    template<typename U>
    friend ostream& operator<<(ostream& out, const Complex<U>& c);
};


template<typename T>
istream& operator>>(istream& in, Complex<T>& c) {
    in >> c.real >> c.imag;  
    return in;
}

template<typename T>
ostream& operator<<(ostream& out, const Complex<T>& c) {
    out << c.real;
    if (c.imag > 0) {
        out << " + " << c.imag << "i";
    }
    else if (c.imag < 0) {
        out << " - " << -c.imag << "i";
    }
    return out;
}

源代码task5.cpp 

#include <iostream>
#include "Complex.hpp"
void test1() {
    using std::cout;
    using std::boolalpha;
    Complex<int> c1(2, -5), c2(c1);
    cout << "c1 = " << c1 << '\n';
    cout << "c2 = " << c2 << '\n';
    cout << "c1 + c2 = " << c1 + c2 << '\n';
    c1 += c2;
    cout << "c1 = " << c1 << '\n';
    cout << boolalpha << (c1 == c2) << '\n';
}
void test2() {
    using std::cin;
    using std::cout;
    Complex<double> c1, c2;
    cout << "Enter c1 and c2: ";
    cin >> c1 >> c2;
    cout << "c1 = " << c1 << '\n';
    cout << "c2 = " << c2 << '\n';
    const Complex<double> c3(c1);
    cout << "c3.real = " << c3.get_real() << '\n';
    cout << "c3.imag = " << c3.get_imag() << '\n';
}
int main() {
    std::cout << "自定义类模板Complex测试1: \n";
    test1();
    std::cout << "\n自定义类模板Complex测试2: \n";
    test2();
}

运行结果测试截图

 五、实验总结

在面向对象编程实验环节，遇到了多个典型的C++编程问题。抽象类与多态方面，首先遇到抽象类实例化错误，表现为尝试直接创建Publisher对象导致编译失败，核心在于包含纯虚函数的类无法实例化，必须通过指针或引用使用。派生类重写函数时出现了函数签名不匹配问题，特别是缺少const修饰符导致无法正确重写基类虚函数，这体现了const作为函数签名组成部分的重要性。多态对象析构时发现未声明虚析构函数可能导致内存泄漏，通过基类指针删除派生类对象时，派生类特有资源无法正确释放。

模板类与运算符重载部分问题较为集中。复制构造函数最初使用非常量引用，无法绑定临时对象，改为const引用后解决了兼容性问题。赋值运算符设计上，operator+=错误地返回了值而非引用，无法支持链式调用，修正为修改当前对象后返回*this引用。输入输出运算符设计为成员函数导致语法不自然，如c << cout，改为友元函数后恢复标准语法cin >> c。最复杂的错误出现在模板类友元声明，简单的friend声明无法匹配模板参数，需要额外声明template<typename U>友元函数。

基础语法设计上，构造函数参数使用string&无法接受字符串字面值，const string&提供了更好的灵活性。排序功能实现时，比较函数需要单独定义，使用lambda表达式可以直接内联实现，代码更简洁。头文件缺少包含保护可能导致重复定义问题，成员函数设计时未考虑const对象调用需求，为不修改成员的函数添加const修饰符确保了代码的常量正确性。

这些问题从基础语法到高级特性全面涵盖了C++面向对象编程的核心难点，包括封装、继承、多态、模板、运算符重载、内存管理等关键概念，通过逐步调试和修正加深了对这些机制的理解。