实验三

实验任务一：

#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";
}

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "button.hpp"

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;
    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;
}

#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：

问题一：是组合关系。

问题二：

   （1）：优点：外部可直接查询按钮是否存在；更方便，更便捷；

         　  风险：暴露内部实现细节；违背 “封装原则”：类的设计应隐藏内部状态和辅助逻辑，仅暴露必要的功能接口。 

   （2）：1.是否为外部必需的功能：若函数是类对外提供的核心服务，需设为 public；若仅为类内部其他成员函数提供辅助，则设为 private；

　　　　2.是否涉及内部实现细节：若函数依赖类的内部存储结构、逻辑，设为 private，避免外部依赖导致内部实现无法灵活修改；

问题三：

接口 1：无拷贝，性能高；const限制不可改，安全性高。

接口 2：值返回需拷贝，性能低；仅不影响原对象，安全性一般。

问题四：能正常运行，差别：push_back先创临时对象再拷贝，有额外步骤和空间；emplace_back直接在容器内构造，无临时对象，性能更优。

实验任务二：

#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);
}

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';
}

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';
}

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：第一行调用 vector 的 “带大小和初值” 的构造函数，创建含 5 个元素的 vector，每个元素初值为 42，v1含 5 个 42。

　　　　第二行调用 vector 的拷贝构造函数，用v1的值创建v2，v2同样含 5 个 42。

问题2：v1.size()=2；v2.size()=2；v1[0].size()=3。

问题3：能，at()会做越界检查，[ ]不做检查。

问题4：（1）：能。v1.at(0)返回内层 vector 的引用，r绑定该引用，r.size()-1对应-1的索引，可输出。

　 　   （2）：优势：无需拷贝内层 vector，节省内存；限制：仅能读取r指向的内容，无法修改。

问题5：（1）：深复制。修改v1（或嵌套 vector）不影响v2，两者数据独立。

　　    （2）：非 constvector<int>的at()返回int&，constvector<int>的at()返回const int&；必须提供 const 重载，否则 const 对象无法调用at()读取元素。

实验任务三：

#pragma once
#include <iostream>
#include <algorithm>

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;
    int* ptr;
};

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_]} {
    std::fill_n(ptr, n, value);
}
vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi) : n{vi.n}, ptr{new int[n]} {
    std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr);
}
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) {
    return const_cast<int&>(static_cast<const vectorInt*>(this)->at(index));
}

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) {
    if (this == &vi) return *this;
    int* ptr_tmp = new int[vi.n];
    std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp);
    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; }

#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);
}

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';
}

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：差异化代码：1.安全版本有自赋值检查：if (this == &vi) return *this;另一个无。当调用obj.assign(obj)（自赋值）时，版本 2 会直接执行delete[] ptr;，释放当前对象的内存。后续执行ptr = new int[n];时，虽然能分配新内存，但vi.ptr（即obj.ptr）已被释放，属于访问无效内存，会导致程序崩溃或数据乱码；而安全版本通过if (this == &vi)直接返回，完全规避该问题

　　　　                    2.版本1先分配新内存：int* ptr_tmp = new int[vi.n]; → 复制数据 → 再释放旧内存：delete[] ptr; 版本2先释放旧内存：delete[] ptr; → 再分配新内存：ptr = new int[n];先释放旧内存再分配新内存：若新内存分配失败，会造成内存泄漏，且 ptr 变为野指针；无临时内存缓冲：数据复制过程中出现异常会导致数据丢失，安全版本通过先分配临时内存、复制数据后释放旧内存，避免上述问题。

问题2：（1）：这步转换将当前对象的指针（this，类型为 vectorInt*）强制转换为指向const对象的指针（类型为 const vectorInt*）。这里的目的就是为了复用 const 版本的 at() 方法中的核心逻辑（主要是越界检查），避免在非const版本中重复编写相同的代码。

          （2）：这步转换将 const int& 类型（const版本at()的返回值）“去除const属性”，转换成 int& 类型。用const_cast来移除const限制，以满足非const版本at()的功能需求，同时又能复用const版本的代码。

问题3：（1）：v1：int* begin();v2：const int* begin() const;对于非 const 对象（如vectorInt v1(5);）：调对于非 const 对象（如vectorInt v1(5);）：调用int* begin();。适配场景：外部需要修改元素（如*v1.begin() = 10;），返回的非 const 指针支持读写操作；对于 const 对象（如const vectorInt v2(5);）：调用const int* begin() const;。适配场景：外部仅需读取元素（如std::cout << *v2.begin();），返回的 const 指针仅支持读操作，避免 const 对象被意外修改，符合 “const 正确性” 原则。

问题4：

　　  1.std::fill_n(ptr, n, value);

　　   功能：从ptr指向的内存开始，连续填充n个int类型元素，每个元素的值均为value；

　　　替代的手动循环：for(auto i = 0; i < n; ++i) ptr[i] = value;；

 　  　优势：代码更简洁，避免手动循环的索引管理错误，且标准库算法经过优化，效率更高。

　　　2.std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr);

　　　功能：从vi.ptr指向的内存开始，复制vi.n个int类型元素，将其依次存储到ptr指向的内存中；

　　　替代的手动循环：for(int i = 0; i < vi.n; ++i) ptr[i] = vi.ptr[i];；

　　　优势：自动处理元素复制，支持任意连续内存的拷贝，扩展性更强（如后续将int改为其他类型，无需修改循环逻辑）。

　　　3.std::copy_n(vi.ptr, vi.n, ptr_tmp);

　　　功能：与拷贝构造中的std::copy_n一致，从vi.ptr复制vi.n个元素到ptr_tmp（临时内存）；

　　　作用：确保新内存中的数据与vi完全一致后，再替换旧内存的ptr，保证赋值过程中数据的完整性，同时避免手动循环的冗余代码。

实验任务四：

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdlib>

class Matrix {
public:
    Matrix(int rows_, int cols_, double value = 0) : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
        if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
            std::cerr << "Error: Invalid matrix size\n";
            exit(1);
        }
        ptr = new double[rows_ * cols_];
        for (int i = 0; i < rows_ * cols_; ++i) {
            ptr[i] = value;
        }
    }

    Matrix(int rows_, double value = 0) : n_rows(rows_), n_cols(rows_) {
        if (rows_ <= 0) {
            std::cerr << "Error: Invalid square matrix size\n";
            exit(1);
        }
        ptr = new double[rows_ * rows_];
        for (int i = 0; i < rows_ * rows_; ++i) {
            ptr[i] = value;
        }
    }

    Matrix(const Matrix &x) : n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols) {
        ptr = new double[n_rows * n_cols];
        for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) {
            ptr[i] = x.ptr[i];
        }
    }

    ~Matrix() {
        delete[] ptr;
    }

    void set(const double *pvalue, int size) {
        if (size != n_rows * n_cols) {
            std::cerr << "Error: Size mismatch\n";
            exit(1);
        }
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            ptr[i] = pvalue[i];
        }
    }

    void clear() {
        for (int i = 0; i < n_rows * n_cols; ++i) {
            ptr[i] = 0.0;
        }
    }

    const double& at(int i, int j) const {
        if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
            std::cerr << "Error: Index out of range\n";
            exit(1);
        }
        return ptr[i * n_cols + j];
    }

    double& at(int i, int j) {
        if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {
            std::cerr << "Error: Index out of range\n";
            exit(1);
        }
        return ptr[i * n_cols + j];
    }

    int rows() const { return n_rows; }

    int cols() const { return n_cols; }

    void print() const {
        for (int i = 0; i < n_rows; ++i) {
            for (int j = 0; j < n_cols; ++j) {
                std::cout << ptr[i * n_cols + j];
                if (j != n_cols - 1) std::cout << ", ";
            }
            std::cout << "\n";
        }
    }

private:
    int n_rows;
    int n_cols;
    double *ptr;
};

#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();
    return 0;
}

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);
    m1.set(x, n*m);

    Matrix m2(m, n);
    m2.set(x, m*n);

    Matrix m3(n);
    m3.set(x, n*n);

    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);
}

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：

实验任务五：

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

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;
    std::string phone;
};

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;
}

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "contact.hpp"

class ContactBook {
public:
    void add(const std::string &name, const std::string &phone);
    void remove(const std::string &name);
    void find(const std::string &name) const;
    void display() const;
    size_t size() const;

private:
    int index(const std::string &name) const;
    void sort();
    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();
}

// 补足1：实现index函数，查找姓名对应的索引
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;
}

// 补足2：实现sort函数，按姓名字典序升序排序
void ContactBook::sort() {
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), 
        [](const Contact &a, const Contact &b) {
            return a.get_name() < b.get_name();
        }
    );
}

#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();
    return 0;
}

 

运行结果：