实验1 现代C++编程初体验
实验1 现代C++编程初体验
实验结论
实验任务1
验证性实验：输入、运行并观察代码，体验用 C++ 标准库编程的便捷性，体会封装与基于接口编程的意义。
源代码 task1.cpp
// 现代C++标准库、算法库体验
// 本例用到以下内容:
// 1. 字符串string, 动态数组容器类vector、迭代器
// 2. 算法库：反转元素次序、旋转元素
// 3. 函数模板、const引用作为形参
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
// 模板函数声明
template<typename T>
void output(const T &c);
void test1();
void test2();
void test3();
int main() {
std::cout << "测试1: \n";
test1();
std::cout << "\n测试2: \n";
test2();
std::cout << "\n测试3: \n";
test3();
}
// 输出容器对象c中的元素
template <typename T>
void output(const T &c) {
for(auto &i : c)
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
}
// 测试1：组合使用算法库、迭代器、string反转字符串
void test1() {
using namespace std;
string s0{"0123456789"};
cout << "s0 = " << s0 << endl;
string s1(s0);
// 反转s1自身
reverse(s1.begin(), s1.end());
cout << "s1 = " << s1 << endl;
string s2(s0.size(), ' ');
// 将s0反转后结果拷贝到s2, s0自身不变
reverse_copy(s0.begin(), s0.end(), s2.begin());
cout << "s2 = " << s2 << endl;
}
// 测试2：组合使用算法库、迭代器、vector反转动态数组对象vector内数据
void test2() {
using namespace std;
vector<int> v0{2, 0, 4, 9};
cout << "v0: "; output(v0);
vector<int> v1{v0};
reverse(v1.begin(), v1.end());
cout << "v1: "; output(v1);
vector<int> v2{v0};
reverse_copy(v0.begin(), v0.end(), v2.begin());
cout << "v2: "; output(v2);
}
// 测试3：组合使用算法库、迭代器、vector实现元素旋转移位
void test3() {
using namespace std;
vector<int> v0{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
cout << "v0: "; output(v0);
vector<int> v1{v0};
// 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环左移1位
rotate(v1.begin(), v1.begin()+1, v1.end());
cout << "v1: "; output(v1);
vector<int> v2{v0};
// 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环左移2位
rotate(v2.begin(), v2.begin()+2, v2.end());
cout << "v2: "; output(v2);
vector<int> v3{v0};
// 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环右移1位
rotate(v3.begin(), v3.end()-1, v3.end());
cout << "v3: "; output(v3);
vector<int> v4{v0};
// 将[v1.begin(), v1.end())区间内元素循环右移2位
rotate(v4.begin(), v4.end()-2, v4.end());
cout << "v4: "; output(v4);
}
运行结果截图
思考题回答
-
reverse 和 reverse_copy 有什么区别？
reverse(begin, end)是"原地反转"：直接在区间[begin, end)内反转元素，会改变原容器中元素的顺序；reverse_copy(begin, end, dest)是"拷贝反转"：不改动原区间，而是把反转后的结果依次写入以dest为起点的目标区间。任务1中：reverse(s1.begin(), s1.end())直接反转了 s1 自身；reverse_copy(s0.begin(), s0.end(), s2.begin())保持 s0 不变，把反转结果写入 s2，所以 s0 与 s2 结果相同、s0 自身未被修改。 -
rotate 算法是如何改变元素顺序的？它的三个参数分别代表什么？
rotate(first, middle, last)把区间[first, last)内的元素按"循环左移"方式重新排列：使middle指向的元素成为新区间的首元素，原[first, middle)区间内的元素依次拼接到尾部，元素间的相对循环次序保持不变。三个参数：first为区间起始迭代器，middle为旋转后将成为新首元素的位置，last为区间结束迭代器（区间为左闭右开[first, last)）。rotate(v1.begin(), v1.begin()+1, v1.end())：middle 指向第 2 个元素，整体循环左移 1 位，得到1 2 3 ... 9 0；rotate(v2.begin(), v2.begin()+2, v2.end())：循环左移 2 位，得到2 3 4 ... 0 1；rotate(v3.begin(), v3.end()-1, v3.end())：middle 指向最后一个元素，相当于把最后 1 个元素移到最前，等价于循环右移 1 位，得到9 0 1 ... 8；rotate(v4.begin(), v4.end()-2, v4.end())：等价于循环右移 2 位，得到8 9 0 ... 7。
实验任务2
验证性实验：体验使用 C++ 标准库高效完成数据赋值、排序和基本统计。
源代码 task2.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <iomanip>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
// 模板函数声明
template<typename T>
void output(const T &c);
int generate_random_number();
void test1();
void test2();
int main() {
std::srand(std::time(0)); // 添加随机种子
std::cout << "测试1: \n";
test1();
std::cout << "\n测试2: \n";
test2();
}
// 输出容器对象c中的元素
template <typename T>
void output(const T &c) {
for(auto &i: c)
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
}
// 返回[0, 100]区间内的一个随机整数
int generate_random_number() {
return std::rand() % 101;
}
// 测试1：对容器类对象指定迭代器区间赋值、排序
void test1() {
using namespace std;
vector<int> v0(10); // 创建一个动态数组对象v0, 对象大小为10
generate(v0.begin(), v0.end(), generate_random_number); // 生成随机数填充v0
cout << "v0: "; output(v0);
vector<int> v1{v0};
sort(v1.begin(), v1.end()); // 对整个vector排序
cout << "v1: "; output(v1);
vector<int> v2{v0};
sort(v2.begin()+1, v2.end()-1); // 只对中间部分排序，不包含首尾元素
cout << "v2: "; output(v2);
}
// 测试2：对容器类对象指定迭代器区间赋值、计算最大值/最小值/均值
void test2() {
using namespace std;
vector<int> v0(10);
generate(v0.begin(), v0.end(), generate_random_number);
cout << "v0: "; output(v0);
// 求最大值和最小值
auto min_iter = min_element(v0.begin(), v0.end());
auto max_iter = max_element(v0.begin(), v0.end());
cout << "最小值: " << *min_iter << endl;
cout << "最大值: " << *max_iter << endl;
// 同时求最大值和最小值
auto ans = minmax_element(v0.begin(), v0.end());
cout << "最小值: " << *(ans.first) << endl;
cout << "最大值: " << *(ans.second) << endl;
// 求平均值
double avg1 = accumulate(v0.begin(), v0.end(), 0.0) / v0.size();
cout << "均值: " << fixed << setprecision(2) << avg1 << endl;
sort(v0.begin(), v0.end());
double avg2 = accumulate(v0.begin()+1, v0.end()-1, 0.0) / (v0.size()-2);
cout << "去掉最大值、最小值之后，均值: " << avg2 << endl;
}
运行结果截图
思考题回答
-
generate 算法的作用是什么？
generate(first, last, f)对区间[first, last)内的每一个元素依次调用函数f，并把返回值赋给该位置的元素，常用于批量填充容器。任务2中用generate(v0.begin(), v0.end(), generate_random_number)以[0, 100]区间内的随机数填充 vector。 -
minmax_element 和分别调用 min_element、max_element 相比，有什么优势？
minmax_element在一次遍历中同时找出最小值和最大值，返回pair（first指向最小值位置，second指向最大值位置）；而分别调用min_element、max_element需要两次遍历。因此minmax_element效率更高（一趟遍历中每处理 2 个元素约比较 3 次，总比较次数约为 1.5n，而两次遍历约为 2n），代码也更简洁。 -
lambda 表达式与自定义函数 generate_random_number 相比，其适用场景是什么？
把函数声明、定义注释掉后，将两处调用改为
generate(v0.begin(), v0.end(), [](){ return std::rand() % 101; });，运行效果与原来完全相同。lambda 表达式（匿名函数）可以在需要函数对象的地方就地定义，无需单独声明和定义命名函数，代码紧凑、作用域局部化；适合"一次性使用、逻辑简单"的场景，如这里作为 generate 的第 3 个参数。而自定义函数generate_random_number可以被多个地方重复调用，适合逻辑较复杂、需要复用或单独测试维护的场景。
实验任务3
验证性实验：体验用 C++ 标准库高效变换字符串。
源代码 task3.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cctype>
unsigned char func(unsigned char c);
void test1();
void test2();
int main() {
std::cout << "测试1: 字符串大小写转换\n";
test1();
std::cout << "\n测试2: 字符变换\n";
test2();
}
unsigned char func(unsigned char c) {
if(c == 'z')
return 'a';
if(c == 'Z')
return 'A';
if(std::isalpha(c))
return static_cast<unsigned char>(c+1);
return c;
}
void test1() {
std::string s1{"Hello World 2049!"};
std::cout << "s1 = " << s1 << '\n';
std::string s2;
for(auto c: s1)
s2 += std::tolower(c);
std::cout << "s2 = " << s2 << '\n';
std::string s3;
for(auto c: s1)
s3 += std::toupper(c);
std::cout << "s3 = " << s3 << '\n';
}
void test2() {
std::string s1{"I love cosmos!"};
std::cout << "s1 = " << s1 << '\n';
std::string s2(s1.size(), ' ');
std::transform(s1.begin(), s1.end(),
s2.begin(),
func);
std::cout << "s2 = " << s2 << '\n';
}
运行结果截图
思考题回答
-
自定义函数 func 功能是什么？
func 把字母字符替换为其后一个字母（a→b，b→c，…，y→z），并做回绕处理（z→a、Z→A），即实现凯撒密码式的"字母 +1 移位加密"；对非字母字符（数字、空格、标点等）原样返回。
-
tolower 和 toupper 功能分别是什么？
std::tolower(c)把大写字母转换为对应的小写字母，其他字符保持不变；std::toupper(c)把小写字母转换为对应的大写字母，其他字符保持不变。任务1 中利用它们把 "Hello World 2049!" 分别转换为全小写和全大写。 -
transform 的 4 个参数意义分别是什么？如果把第 3 个参数 s2.begin() 改成 s1.begin()，有何区别？
transform(first, last, result, op)的 4 个参数：first、last为输入区间[first, last)的起止迭代器；result为目标区间的起始迭代器，变换结果写入以它为起点的目标区间；op为变换函数（或函数对象），对每个元素施加变换。即把[first, last)内每个元素经op变换后写入目标区间。如果把第 3 个参数由
s2.begin()改成s1.begin()，目标区间就变成了 s1 自身，transform 会把 s1 的每个字符经 func 变换后原地写回 s1（s1 被修改成变换后的结果，输出变成 "J mpwf dptnpt!" 覆盖原串）；而 s2 保持初始构造时的全空格串不变。即由"拷贝变换"变为"原地变换"。
实验任务4
编写函数实现判断回文串，支持多组输入，并区分大小写/不区分大小写两种情况。
源代码 task4.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cctype>
bool is_palindrome(const std::string &s);
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s);
int main() {
using namespace std;
string s;
// 多组输入，直到按下Ctrl+Z结束测试
while(cin >> s) {
cout << boolalpha
<< "区分大小写: " << is_palindrome(s) << "\n"
<< "不区分大小写: " << is_palindrome_ignore_case(s) << "\n\n";
}
}
// 函数is_palindrome定义
// 用两个下标从两端向中间逐一比较字符，一旦发现不等即返回false
bool is_palindrome(const std::string &s) {
std::size_t i = 0, j = s.size();
while (i < j) {
--j; // j先自减，指向当前最右端尚未比较的字符
if (s[i] != s[j])
return false;
++i;
}
return true;
}
// 函数is_palindrome_ignore_case定义
// 思路：利用transform把字符串统一转为小写，再调用is_palindrome判断
bool is_palindrome_ignore_case(const std::string &s) {
std::string t(s);
std::transform(t.begin(), t.end(), t.begin(),
[](unsigned char c) { return std::tolower(c); });
return is_palindrome(t);
}
运行结果截图
思考题回答
使用 cin >> s 输入时，输入的字符串中不能包含空格。如果希望测试含空格的字符串（如 "hello oop"），应改用 std::getline(std::cin, s) 读取整行——getline 会读取包括空格在内的整行内容。需要注意两点：① 如果程序此前用过 >> 输入，缓冲区中会残留换行符，应先调用 std::cin.ignore() 丢弃残留字符，再使用 getline；② 循环结束条件仍为读到文件结束（Ctrl+Z 产生 EOF）时 getline 返回 false，与 cin >> s 一致。
实验任务5
编写函数实现十进制数到 n 进制数的转换，支持多组输入。
源代码 task5.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
std::string dec2n(int x, int n = 2);
int main() {
int x;
while(std::cin >> x) {
std::cout << "十进制: " << x << '\n'
<< "二进制: " << dec2n(x) << '\n'
<< "八进制: " << dec2n(x, 8) << '\n'
<< "十二进制: " << dec2n(x, 12) << '\n'
<< "十六进制: " << dec2n(x, 16) << '\n'
<< "三十二进制: " << dec2n(x, 32) << "\n\n";
}
}
// 函数dec2n定义
// 思路：短除法。反复用x除以n取余数，把余数映射为对应的进制字符，
// 收集完所有余数后反转字符串，即得到x的n进制表示
std::string dec2n(int x, int n) {
const std::string digits = "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
if (x == 0)
return "0";
std::string result;
while (x > 0) {
result += digits[x % n]; // 余数 -> 对应的进制字符
x /= n;
}
std::reverse(result.begin(), result.end());
return result;
}
运行结果截图
说明：函数采用"短除法"，用字符串 digits 实现 0-9、A-Z 共 36 个进制字符的映射；当进制数超过 10 时（如 16 进制、32 进制），10~35 分别对应 A~Z；x 为 0 时直接返回 "0"。
实验任务6
编写程序，在屏幕上打印字母密文对照表（首行为小写字母表，其后 26 行依次把大写字母表循环右移 1~26 位）。
源代码 task6.cpp
// 任务6：在屏幕上打印字母密文对照表
// 首行为小写字母表，其后26行依次为：行号 + 大写字母表循环右移1~26位的结果
#include <iostream>
int main() {
// 第一行：小写字母表，作为明文字母对照
std::cout << "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz\n";
// 第k行：把大写字母表循环右移k位（k = 1..26）
for (int k = 1; k <= 26; ++k) {
std::cout << k << ' ';
for (int i = 0; i < 26; ++i) {
char c = static_cast<char>('A' + (i + k) % 26);
std::cout << c;
}
std::cout << '\n';
}
return 0;
}
运行结果截图
说明：利用 (i + k) % 26 计算循环右移 k 位后当前位置的字母；第 k 行即"明文字母表循环右移 k 位"的密文行，第 26 行移回原位，即字母表本身。
实验任务7
编写程序，自动生成 10 道 10 以内的算术运算题并自动评测，最后输出正确率。
源代码 task7.cpp
// 任务7：自动生成10道10以内算术运算题并自动评测
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <iomanip>
int main() {
std::srand(std::time(0)); // 随机种子，保证每次运行生成的题目不同
const int TOTAL = 10; // 题目总数
int correct = 0; // 答对题数
for (int i = 0; i < TOTAL; ++i) {
int a, b, ans;
char op;
// 随机选择运算符：0加 1减 2乘 3除
switch (std::rand() % 4) {
case 0: // 加法：两个操作数均为[1,10]内的整数
a = std::rand() % 10 + 1;
b = std::rand() % 10 + 1;
op = '+';
ans = a + b;
break;
case 1: // 减法：保证第一个操作数 >= 第二个操作数
a = std::rand() % 10 + 1;
b = std::rand() % 10 + 1;
if (a < b) {
int t = a;
a = b;
b = t;
}
op = '-';
ans = a - b;
break;
case 2: // 乘法
a = std::rand() % 10 + 1;
b = std::rand() % 10 + 1;
op = '*';
ans = a * b;
break;
default: // 除法：保证第一个操作数能整除第二个操作数
b = std::rand() % 10 + 1;
int q = std::rand() % (10 / b) + 1; // 商限定在[1, 10/b]，保证a不超过10
a = b * q;
op = '/';
ans = q;
break;
}
std::cout << a << op << b << '=';
int user_ans;
std::cin >> user_ans;
if (user_ans == ans)
++correct;
}
// 输出正确率：以百分号形式输出，保留小数点后两位
double rate = correct * 100.0 / TOTAL;
std::cout << "正确率：" << std::fixed << std::setprecision(2)
<< rate << "%" << std::endl;
return 0;
}
运行结果截图（两次运行）
说明：减法通过"a < b 时交换"保证第一个操作数不小于第二个操作数；除法采用"先生成除数 b 与商 q，再令 a = b*q"的方式，天然保证整除且操作数不超过 10；srand(time(0)) 使不同时刻运行时随机种子不同，题目随之变化。
实验总结（选）
本次实验让我系统体验了现代 C++ 标准库的高效与便捷：任务 1-3 中，通过 string、vector 与 algorithm 算法的配合（reverse/reverse_copy、rotate、generate、sort、minmax_element、transform 等），直观感受到"封装"与"基于接口编程"的意义——使用者只需理解算法的参数语义即可高效完成任务，无需关心底层实现；任务 4-7 则综合运用分支、循环、函数和标准库解决实际问题，其中"不区分大小写回文"借助 transform + tolower 统一字符串大小写的思路非常巧妙，进制转换用"短除法 + 字符串反转"实现也很简洁。
同时我也注意到一些编码细节：tolower/toupper 的参数应转换为 unsigned char 以避免负值带来的未定义行为；用 srand(time(0)) 设置随机种子可以保证每次运行的随机结果不同；cin >> 与 getline 混用时要处理缓冲区残留的换行符。通过亲手编写并调试这些程序，我对函数模板、lambda 表达式以及"先设计再编码"的编程习惯有了更深的体会。
浙公网安备 33010602011771号