实验三

1 试验任务一

代码组织

·button.hpp Button类定义

·window.hpp Window类定义

·task1.cpp 测试模块、main

#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"

// 窗口类
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;

private:
    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();
}

 

问题1：这个范例中， Window 和 Button 是组合关系吗？

　　是的，window包含button。Window类的buttons成员是std::vector<Button>类型的，window创建则button创建，销毁时同理。

 

问题2： bool has_button(const std::string &label) const; 被设计为私有。 思考并回答：

（1）若将其改为公有接口，有何优点或风险？

　　 优点：可以从外部直接调用来判断window中是否有button，更加灵活。

　　 风险：破坏window封装性

 

（2）设计类时，如何判断一个成员函数应为 public 还是 private？（可从“用户是否需要”、“是否仅为内部实现细节”、“是否易破坏对象状态”等角度分析。）

 　　当用户需要时（即是面向用户窗口需要交互的服务功能）应该设置成public；

　　如果是内部实现细节（即在类内部实现逻辑检查、完善类功能，不涉及类外部的功能）设置成private；

　　如果该函数容易破坏对象状态（可能被外部调用之后破坏类内部状态）设置成private。

 

问题3： Button 的接口 const std::string& get_label() const; 返回 const std::string& 。对比以下

两种接口设计在性能和安全性方面的差异并精炼陈述。

接口1： const std::string& get_label() const;

　　性能高，直接返回引用对象，不用拷贝；相对不安全，当对象不存在时会出现错误。

接口2： const std::string get_label() const;

 　　性能低，返回时需要重新拷贝到一个新的对象；安全，返回的是独立副本，不会出现返回不存在的错误。

 

问题4：把代码中所有 xx.push_back(Button(xxx)) 改成 xx.emplace_back(xxx) ，观察程序是否正常运行；查阅资料，回答两种写法的差别。

　　可以正常运行，区别: xx.push_back(Button(xxx))：先创建临时对象，再把临时对象拷贝到vector之重；xx.emplace_back(xxx) ：直接在vector中构造对象，无需拷贝。

　　

2.试验任务2

 

#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);
}

// 使用xx.at()+循环输出vector<int>数据项
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';  
}

// 使用迭代器+循环输出vector<int>数据项
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';
}

// 使用auto for分行输出vector<vector<int>>数据项
void output3(const std::vector<std::vector<int>>& v) {
    if(v.size() == 0) {
        std::cout << '\n';
        return;
    }

    for(auto &i: v)
        output2(i);
}

 

问题1：测试模块1中这两行代码分别完成了什么构造？ v1 、 v2 各包含多少个值为 42 的数据项？

　　v1普通构造，5个；v2复制构造，5个。

 

 

问题2：测试模块2中这两行代码执行后, v1.size() 、 v2.size() 、 v1[0].size() 分别是多少？

 　　v1.size()：2个；v2.size()：2个；v1[0].size()：3个

 

问题3：测试模块1中，把 v1.at(0) = -1; 写成 v1[0] = -1; 能否实现同等效果？两种用法有何区别？

　　能，区别：v1.at(0) = -1 会做数组越界检查，v1[0] = -1不做数组越界检查，当数组越界时返回值为异常乱码。

 

问题4：测试模块2中执行 v1.at(0).push_back(-1); 后

（1） 用以下两行代码，能否输出-1？为什么？

 能，v1.at(0).push_back(-1);将-1加到v1末尾，输出r.size()-1就是输出v1最后一个元素就是-1.

（2）r定义成用 const & 类型接收返回值，在内存使用上有何优势？有何限制？

　　优势：const避免被修改返回值，&引用类型避免拷贝，增加性能。

 　　限制：无法更改所引用的vector数组

问题5：观察程序  运行结果，反向分析、推断：

（1） 标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制还是浅复制？

　　深复制，两者存储的是独立数据，不会互相影响

 

（2） vector<T>::at() 接口思考： 当 v 是 vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型是什么？当 v 是 const vector<int> 时， v.at(0) 返回值类型又是什么？据此推断 at() 是否必须提供带 const 修饰的重载版本？

　　int&;const int&;

　　必须带const 修饰的重载版本，因为这样才能保证 const 对象只能通过at()获取 const 引用

 

3.试验任务3

代码组织：

　·vectorInt.hpp vectorInt类定义

　·task3.cpp 普通函数、测试模块、main

#pragma once

#include <iostream>

// 动态int数组对象类
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;     // 当前数据项个数
    int *ptr;  // 数据区
};

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_]} {
    for(auto i = 0; i < n; ++i)
        ptr[i] = value;
}

vectorInt::vectorInt(const vectorInt &vi): n{vi.n}, ptr{new int[n]} {
    for(auto i = 0; i < n; ++i)
        ptr[i] = vi.ptr[i];
}

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) {
    if(index < 0 || index >= n) {
        std::cerr << "IndexError: index out of range\n";
        std::exit(1);
    }

    return ptr[index];
}

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &vi) { 
    if(this == &vi) 
        return *this;

    int *ptr_tmp;
    ptr_tmp = new int[vi.n];
    for(int i = 0; i < vi.n; ++i)
        ptr_tmp[i] = vi.ptr[i];
    
    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);
}

// 使用xx.at()+循环输出vectorInt对象数据项
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';
}

// 使用迭代器+循环输出vectorInt对象数据项
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';
}

 

问题1：当前验证性代码中， vectorInt 接口 assign 实现是安全版本。如果把 assign 实现改成版本2，逐条指出版本 2存在的安全隐患和缺陷。（提示：对比两个版本，找出差异化代码，加以分析）

 　　安全隐患及缺陷：  分配新内存和赋值数据过程当中如果出现异常由于原来的ptr 已经被释放，会出现error

问题2：当前验证性代码中，重载接口 at 内部代码完全相同。若把非 const 版本改成如下实现，可消除重复并遵循“最小化接口”原则（未来如需更新接口，只更新const接口，另一个会同步）。

查阅资料，回答：

（1） static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是什么？转换前后 this 的类型分别是什么？转换目的？

 　　作用：j将this转换成const 类型；

　　类型：vectorInt* -> const vectorInt*

　　目的：转换类型来调用const类型的at()接口

（2） const_cast<int&> 的作用是什么？转换前后的返回类型分别是什么？转换目的？

　　作用：转换成非const类型的int ，使对象可修改值

　　类型：const int& -> int&；

　　目的：复用const 类型函数；使对象可修改值

　　

问题3： vectorInt 类封装了 begin() 和 end() 的const/非const接口。

（1）以下代码片段，分析编译器如何选择重载版本，并总结这两种重载分别适配什么使用场景。

 第四行： 调用非const 版本begin（）；用于需要修改对象元素的场景

第五行：调用const版本begin（）；用于只读取对象元素不进行修改的场景

 

 

问题4：以下两个构造函数及 assign 接口实现，都包含内存块的赋值和复制操作。使用算法库 <algorithm> 改成如下写法是否可以？回答这3行更新代码的功能。

1.从ptr指向的地址开始，连续填充n个value值，替代手动循环赋值

2.从vi.ptr指向的地址开始，复制vi.n个元素到ptr指向的地址，替代手动循环复制

3.将vi的元素复制到临时指针ptr_tmp指向的新内存

 

4.试验任务4

#pragma once

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>

// 类Matrix声明
class Matrix {
public:
    Matrix(int rows_, int cols_, double value = 0); // 构造rows_*cols_矩阵对象, 初值value
    Matrix(int rows_, double value = 0);    // 构造rows_*rows_方阵对象, 初值value
    Matrix(const Matrix &x);    // 深复制
    ~Matrix();

    void set(const double *pvalue, int size);   // 按行复制pvalue指向的数据，要求size=rows*cols,否则报错退出
    void clear();   // 矩阵对象数据项置0
    
    const double& at(int i, int j) const;   // 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项const引用（越界则报错后退出）
    double& at(int i, int j);   // 返回矩阵对象索引(i,j)对应的数据项引用（越界则报错后退出）
    
    int rows() const;   // 返回矩阵对象行数
    int cols() const;   // 返回矩阵对象列数

    void print() const;   // 按行打印数据

private:
    int n_rows;      // 矩阵对象内元素行数
    int n_cols;       // 矩阵对象内元素列数
    double *ptr;    // 数据区
};

#include "matrix.hpp"
#include <cstring>

Matrix::Matrix(int r, int c, double v) 
{
    if (r<= 0 || c<= 0) 
    { 
        std::cerr<< "Invalid size\n"; 
        std::exit(1);
    }
    n_rows = r; n_cols = c;
    ptr = new double[r * c];
    std::fill(ptr, ptr + r * c, v);
}

Matrix::Matrix(int r, double v) 
{
    if (r <= 0) 
    { 
        std::cerr << "Invalid square size\n"; 
        std::exit(1); 
    }
    n_rows=n_cols=r;
    ptr=new double[r*r];
    
    std::fill(ptr,ptr+r*r,v);
}

Matrix::Matrix(const Matrix &x) 
{
    n_rows = x.n_rows; n_cols = x.n_cols;
    ptr = new double[n_rows*n_cols];
    memcpy(ptr,x.ptr,n_rows*n_cols*sizeof(double));
}

Matrix::~Matrix() 
{ delete[] ptr; }

void Matrix::set(const double *p, int s) 
{
    if (s != n_rows * n_cols || !p) 
    { 
        std::cerr << "Size mismatch/NULL\n"; 
        std::exit(1); 
    }
    memcpy(ptr,p,s*sizeof(double));
}

void Matrix::clear() 
{ 
    std::fill(ptr,ptr+n_rows*n_cols,0.0); 
}

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

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

int Matrix::rows() const 
{ return n_rows; }

int Matrix::cols() const 
{ return n_cols; }

void Matrix::print() const 
{
    for (int i=0;i<n_rows;++i) 
    {
        std::cout<<at(i, 0);
        for (int j=1;j<n_cols;++j) 
            std::cout<< ", " <<at(i, j);
        std::cout<< "\n";
    }
}

#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();
}

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);    // 创建矩阵对象m1, 大小n×m
    m1.set(x, n*m);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值

    Matrix m2(m, n);    // 创建矩阵对象m2, 大小m×n
    m2.set(x, m*n);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m1赋值

    Matrix m3(n);       // 创建一个n×n方阵对象
    m3.set(x, n*n);     // 用一维数组x的值按行为矩阵m3赋值

    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);
}

// 输出矩阵对象row_index行所有元素
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";
        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';
}

 

 5.试验任务5

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>

// 联系人类
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;    // 必填项
   std::string phone;   // 必填项
};

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"

// 通讯录类
class ContactBook {
public:
    void add(const std::string &name, const std::string &phone); // 添加联系人
    void remove(const std::string &name); // 移除联系人
    void find(const std::string &name) const; // 查找联系人
    void display() const; // 显示所有联系人
    size_t size() const;
    
private:
    int index(const std::string &name) const;  // 返回联系人在contacts内索引，如不存在，返回-1
    void sort(); // 按姓名字典序升序排序通讯录

private:
    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();
}

// 返回联系人在contacts内索引; 如不存在，返回-1
// 待补足1：int index(const std::string &name) const;实现
int ContactBook::index(const std::string&name)const
{
    for(int i=0;i<contacts.size();i++)
        if(contacts[i].get_name()==name)return i;
    return -1;
}

// 待补足2：void ContactBook::sort();实现
void ContactBook::sort()
{
    std::sort(contacts.begin(),
                contacts.end(),
                [](const Contact&a,const Contact&b)
                {
                    return a.get_name()<b.get_name();
                });
}

// 按姓名字典序升序排序通讯录

#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();
}