实验二 现代C++编程初体验

任务1：

源代码：

#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();

#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';
}

#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;
}

运行结果截图：

问题1：

原因：友元函数的声明只是告知编译器该函数是类的友元，但函数本身的定义（或声明）仍需在外部提供。如果去掉 T.h 中的 void func(); 声明，编译器在编译调用 func() 的代码（如 task1.cpp 中的 func(); ）时，会因找不到 func() 的声明而报错，提示“未声明的标识符”之类的编译错误。

问题2：

1.  line9（ T(int x = 0, int y = 0) ;）：
​
 功能：普通构造函数，创建 T 类对象时初始化成员变量 m1 和 m2 ，支持默认参数（无参或传参创建对象）。
​
 调用时机：当用 T t1; （无参）、 T t2(3,4); （传参）方式创建对象时调用。
​
2.  line10（ T(const T &t) ;）：
​
 功能：复制构造函数，用一个已存在的 T 类对象拷贝创建新的 T 类对象，复制成员变量的值。
​
 调用时机：当用已存在的对象初始化新对象时调用，例如 T t3(t2); （直接初始化）、按值传递对象参数、函数返回对象（某些情况）等。
​
3.  line11（ T(T &&t) ;）：
​
 功能：移动构造函数，用一个临时对象的资源“移动”创建新的 T 类对象，避免不必要的拷贝，提高效率。
​
 调用时机：当用临时对象（如 std::move(t2) 转换后的对象）初始化新对象时调用，例如 T t4(std::move(t2)); 。
​
4.  line12 析构函数（ ~T(); ）：
​
功能：析构函数，在 T 类对象生命周期结束时（如离开作用域），释放对象占用的资源（本题中主要是维护静态成员 cnt 的计数）。
​
 调用时机：对象销毁时自动调用，例如局部对象离开作用域、动态分配的对象被 delete 时。

问题三：

 

int T::get_cnt() 是类的静态成员函数，其实现依赖于类的静态成员 cnt 。静态成员函数的声明必须在类内部（ T.h 中 static int get_cnt(); ），而实现可以在类外。如果将 line13-15 （ get_cnt 的实现）剪切到 T.h 末尾，会导致：

1.类的声明和实现混杂；
2.get_cnt 函数内部访问了静态成员 cnt ，而 cnt 的定义在 T.cpp 中，若将 get_cnt 的实现移到 T.h ，会导致链接时找不到 cnt 的定义，出现“未定义的引用”错误。

 

任务2：

源代码：

//
#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();
    return 0;
}

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;
}

#pragma once
#include <string>
#include <cmath>

class Complex {
public:
    static const std::string doc;

    Complex(double real = 0.0, double imag = 0.0);
    Complex(const Complex &other);

    double get_real() const;
    double get_imag() const;
    void add(const Complex &other);

    friend void output(const Complex &c);
    friend double abs(const Complex &c);
    friend Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);

private:
    double m_real;
    double m_imag;
};

#include "Complex.h"
#include <iostream>
#include<cmath>
#include<string>

// 静态成员初始化
const std::string Complex::doc = "a simplified Complex class";

// 构造函数实现
Complex::Complex(double real, double imag) : m_real(real), m_imag(imag) {}
Complex::Complex(const Complex &other) : m_real(other.m_real), m_imag(other.m_imag) {}

// 成员函数实现
double Complex::get_real() const { return m_real; }
double Complex::get_imag() const { return m_imag; }
void Complex::add(const Complex &other) {
    m_real += other.m_real;
    m_imag += other.m_imag;
}

// 友元函数实现
void output(const Complex &c) {
    std::cout << c.m_real << (c.m_imag >= 0 ? " + " : " - ") 
              << std::abs(c.m_imag) << "i";
}

double abs(const Complex &c) {
    return std::sqrt(c.m_real * c.m_real + c.m_imag * c.m_imag);
}

Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2) {
    return Complex(c1.m_real + c2.m_real, c1.m_imag + c2.m_imag);
}

bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2) {
    return (c1.m_real == c2.m_real) && (c1.m_imag == c2.m_imag);
}

bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2) {
    return !is_equal(c1, c2);
}

问题1：标准库模板类 complex 更简洁。函数和运算内在有关联，标准库通过运算符重载、内置函数等方式，让复数操作更贴近数学直觉，而自定义类需通过成员函数或全局函数间接实现，形式上更繁琐。

问题2：1.是，output 需要访问 m_real 和 m_imag 来格式化输出； abs 需要访问实部和虚部计算模长； add 需要访问两个复数的实部、虚部来做加法。这些函数若不设为友元，无法直接访问类的私有成员。    ​

2.否，标准库 std::complex 的 abs 是通过全局函数实现的，它不需要成为友元，因为 std::complex 的实部和虚部可以通过 real() 和 imag() 成员函数公开获取， abs 函数通过这两个公开接口即可计算模长。​

3.当外部函数（或类）需要直接访问类的私有成员，且这种访问是必要且合理的（如运算符重载、格式化输出、数学运算等场景），才考虑使用 friend 。

问题3：若要禁用 Complex c4 = c2; 形式的拷贝（即禁用拷贝构造函数），可以将拷贝构造函数设为私有且不实现，或者使用C++11及以上特性将其删除（ = delete ）。

 

任务3：

源代码：

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
void test() {
    PlayerControl controller;
    std::string control_str;
    std::cout << "Enter Control: (play/pause/next/prev/stop/quit):\n";
    while(std::cin >> control_str) {
        if(control_str == "quit")
            break;
        ControlType cmd = controller.parse(control_str);
        controller.execute(cmd);
        std::cout << "Current Player control: " << PlayerControl::get_cnt() << "\n\n";
    }
}

int main() {
    test();
}

#pragma once
#include <string>
enum class ControlType {Play, Pause, Next, Prev, Stop, Unknown};
class PlayerControl {
public:
    PlayerControl();
    ControlType parse(const std::string& control_str); // 实现std::string -->ControlType转换
    void execute(ControlType cmd) const; // 执行控制操作（以打印输出模拟）
    static int get_cnt();
    private:
    static int total_cnt;
};

#include "PlayerControl.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
int PlayerControl::total_cnt = 0;
PlayerControl::PlayerControl() {}
// 待补足
// 1. 将输入字符串转为小写，实现大小写不敏感
// 2. 匹配"play"/"pause"/"next"/"prev"/"stop"并返回对应枚举
// 3. 未匹配的字符串返回ControlType::Unknown
// 4. 每次成功调用parse时递增total_cnt
ControlType PlayerControl::parse(const std::string& control_str) {
    // xxx
    // 1. 将输入字符串转为小写，实现大小写不敏感
     std::string lower_str = control_str;
     std::transform(lower_str.begin(), lower_str.end(), lower_str.begin(),
                    [](unsigned char c) { return std::tolower(c); });
     
     // 2. 匹配命令并返回对应枚举值
     ControlType cmd = ControlType::Unknown;
     if (lower_str == "play") {
         cmd = ControlType::Play;
     } else if (lower_str == "pause") {
         cmd = ControlType::Pause;
     } else if (lower_str == "next") {
         cmd = ControlType::Next;
     } else if (lower_str == "prev") {
         cmd = ControlType::Prev;
     } else if (lower_str == "stop") {
         cmd = ControlType::Stop;
     }
     
     // 3. 每次成功调用parse时递增total_cnt（Unknown类型不计数）
     if (cmd != ControlType::Unknown) {
         total_cnt++;
     }
     return cmd;
 
}
void PlayerControl::execute(ControlType cmd) const {
    switch (cmd) {
        case ControlType::Play: std::cout << "[play] Playing music...\n"; break;
        case ControlType::Pause: std::cout << "[Pause] Music paused\n"; break;
        case ControlType::Next: std::cout << "[Next] Skipping to next track\n"; break;
        case ControlType::Prev: std::cout << "[Prev] Back to previous track\n"; break;
        case ControlType::Stop: std::cout << "[Stop] Music stopped\n"; break;
        default: std::cout << "[Error] unknown control\n"; break;
    }
}
int PlayerControl::get_cnt() {
    return total_cnt;
}

运行结果截图：

思考：

把[play]换成音乐符号；

把[Pause]换成暂停符号；

把[Next]换成块快进符号；

把[Prev]换成缩进符号；

把[Stop]换成暂停符号；

 

 

 

任务4

源代码：

#include "Fraction.h"
#include <iostream>
void test1();
void test2();
int main() {
    std::cout << "测试1: Fraction类基础功能测试\n";
    test1();
    std::cout << "\n测试2: 分母为0测试: \n";
    test2();
}
void test1() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    cout << "Fraction类测试: " << endl;
    cout << Fraction::doc << endl << endl;
    Fraction f1(5);
    Fraction f2(3, -4), f3(-18, 12);
    Fraction f4(f3);
    cout << "f1 = "; output(f1); cout << endl;
        cout << "f2 = "; output(f2); cout << endl;
    cout << "f3 = "; output(f3); cout << endl;
    cout << "f4 = "; output(f4); cout << endl;
    const Fraction f5(f4.negative());
    cout << "f5 = "; output(f5); cout << endl;
    cout << "f5.get_up() = " << f5.get_up()
    << ", f5.get_down() = " << f5.get_down() << endl;
    cout << "f1 + f2 = "; output(add(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 - f2 = "; output(sub(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 * f2 = "; output(mul(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f1 / f2 = "; output(div(f1, f2)); cout << endl;
    cout << "f4 + f5 = "; output(add(f4, f5)); cout << endl;
}
void test2() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    Fraction f6(42, 55), f7(0, 3);
    cout << "f6 = "; output(f6); cout << endl;
    cout << "f7 = "; output(f7); cout << endl;
    cout << "f6 / f7 = "; output(div(f6, f7)); cout << endl;
}

#include "Fraction.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <stdexcept>

const std::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.";

int gcd(int a, int b) {
    a = std::abs(a);
    b = std::abs(b);
    while (b != 0) {
        int temp = b;
        b = a % b;
        a = temp;
    }
    return a;
}

Fraction::Fraction(int up, int down) : m_up(up), m_down(down) {
    if (down == 0) {
        throw std::invalid_argument("分母不能为0");
    }
    reduce();
}

Fraction::Fraction(const Fraction &other) : m_up(other.m_up), m_down(other.m_down) {}

int Fraction::get_up() const { return m_up; }
int Fraction::get_down() const { return m_down; }

Fraction Fraction::negative() const {
    return Fraction(-m_up, m_down);
}

void Fraction::reduce() {
    if (m_down < 0) {
        m_up = -m_up;
        m_down = -m_down;
    }
    int g = gcd(m_up, m_down);
    if (g != 0) {
        m_up /= g;
        m_down /= g;
    }
}

void output(const Fraction &f) {
    if (f.m_down == 1) {
        std::cout << f.m_up;
    } else {
        std::cout << f.m_up << "/" << f.m_down;
    }
}

Fraction add(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
    int up = f1.m_up * f2.m_down + f2.m_up * f1.m_down;
    int down = f1.m_down * f2.m_down;
    return Fraction(up, down);
}

Fraction sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
    int up = f1.m_up * f2.m_down - f2.m_up * f1.m_down;
    int down = f1.m_down * f2.m_down;
    return Fraction(up, down);
}

Fraction mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
    int up = f1.m_up * f2.m_up;
    int down = f1.m_down * f2.m_down;
    return Fraction(up, down);
}

Fraction div(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
    if (f2.m_up == 0) {
        std::cout << "分母不能为" ;
        return Fraction(0,1);
    }
    int up = f1.m_up * f2.m_down;
    int down = f1.m_down * f2.m_up;
    return Fraction(up, down);
}

#pragma once
#include <string>

class Fraction {
public:
    static const std::string doc;

    Fraction(int up = 0, int down = 1);
    Fraction(const Fraction &other);

    int get_up() const;
    int get_down() const;
    Fraction negative() const;

    friend void output(const Fraction &f);
    friend Fraction add(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    friend Fraction sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    friend Fraction mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
    friend Fraction div(const Fraction &f1, const Fraction &f2);

private:
    void reduce();
    int m_up;
    int m_down;
};

运行结果截图：

问题回答：

友元方案：

原因：友元函数可直接访问 Fraction 类的私有成员（分子 m_up 、分母 m_down ），无需通过 getter 函数间接获取，既能保证代码简洁性，又能高效实现分数的约分、运算及异常处理（如分母为0的校验）。这种设计在维持类封装性的同时，让外部函数能灵活操作内部数据，非常适配分数运算的场景。

实验总结

本次4个实验，涵盖类的设计与实现，封装性，静态成员，友元函数，多文件组织等知识，让我对面向对象程序设计有了一个更好的认识。