实验3 类和对象

实验任务1

源代码：

button.hpp

#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";
}

window.hpp

#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;
}

task.cpp

#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();
}

运行结果截图：

问题1：这个范例中，Window 和 Button 是组合关系吗？
是的。

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

（1）如果将其改为公有接口，有哪些优点或潜在风险？
优点：提供更直接的方式供外部查询窗口中是否包含指定按钮，提升接口的可用性和灵活性，减少调用者为了判断按钮存在性而额外编写代码的负担。
风险：暴露该接口可能破坏类的封装性，使得外部代码过度依赖内部实现细节，增加维护和扩展的难度，甚至可能引发不当使用或资源泄露问题。

（2）设计类时，如何判断一个成员函数应设为 public 还是 private？
在设计类时，应优先考虑封装性和最小暴露原则，该函数是类对外提供的行为或功能的一部分，且对外部调用者有意义，应设为 public。如果该函数主要用于类内部逻辑处理，或暴露后可能导致数据不一致、资源管理混乱等问题，应设为 private。

问题3：对比以下两种 get_label() 接口设计，在性能与安全性上的差异。

接口1： const std::string& get_label() const;
接口2： const std::string get_label() const;

性能方面：
接口1返回的是引用，避免了字符串拷贝，性能更高，尤其在频繁调用时优势明显。
接口2返回的是字符串的副本，涉及内存分配和拷贝，性能相对较低。

安全性方面：
接口1返回引用，若对应的 Button 对象生命周期结束，引用将悬空，存在潜在风险。
接口2返回副本，即使原对象被销毁，副本仍然有效，更安全。

总结：接口1性能更优，但需谨慎使用；接口2更安全，适合对生命周期不确定的场景。

问题4：将代码中所有 xx.push_back(Button(xxx)) 改为 xx.emplace_back(xxx)，程序是否仍能正常运行？查阅资料，说明两种写法的区别。

可以正常运行，区别如下：push_back(Button(xxx))：会先构造一个临时的 Button 对象，然后将其拷贝或移动到容器中，最后销毁临时对象。整个过程涉及一次构造 + 一次拷贝/移动 + 一次析构。

emplace_back(xxx)：直接在容器内部构造对象，将参数转发给构造函数，避免了临时对象的创建与销毁，效率更高。

任务2：
源代码：

task2.cpp

#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);
}

运行结果截图：

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 和 v2 都通过构造函数初始化了 5 个元素，每个元素的值都是 42。

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() 为2，v2.size()为2， v1[0].size() 为3。

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？
可以实现相同的效果。
区别：at(0) 会进行边界检查，若越界会抛出 std::out_of_range 异常。operator[] 不进行边界检查，越界访问会导致未定义行为，可能引发程序崩溃。

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？
可以输出 -1。
因为 push_back(-1) 将 -1 添加到了 v1[0] 的末尾，而 v1[0].size() - 1 正好指向这个新增的元素。

（2）将返回值定义为 const & 类型，在内存使用上有何优势？有何限制？
优势：避免了拷贝，节省了内存和计算资源。
限制：返回的引用是只读的，不能修改；且其有效性依赖于原容器 v1 的生命周期。

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？
实现的是深复制，即复制构造一个新的 vector 时，会复制其所有元素，而非共享底层数据。

（2）vector<T>::at() 接口思考：

当 v 是 vector<int> 类型时，v.at(0) 返回的是 int&（可修改的引用）。当 v 是 const vector<int> 类型时，v.at(0) 返回的是 const int&（不可修改的引用）。因此，at() 必须提供 const 重载版本，以保证在 const 对象上调用时返回 const 引用，维护 const 正确性。

任务3

源代码：

vectorInt.hpp

#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;
}

task3.cpp

#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';
}

运行结果截图：

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。

版本2先用delete[]释放ptr，再去new[]申请新空间。一旦new[]抛出异常，ptr既丢了旧缓冲区也得不到新缓冲区，后续任何对ptr的读写都会踩空，整个对象陷入不可预期状态，内存管理完全失控。

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？
将当前对象的 this 指针转换为指向 const vectorInt 对象的指针；转换前：vectorInt，转换后：const vectorInt；转换目的：强制让非const对象调用const版本的 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：移除const版本 at（）返回值的 const限定。转换前：const int&；转换后：int&。转换目的：非 const的at（）允许修改元素，需通过转换解除返回值的 const 限制。

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。
auto it1 = v1.begin();会调用非const版本的 begin() ；auto it2 = v2.begin();调用 const版本的 begin()。
当容器本身不是const时，编译器挑非const begin()，返回可修改的迭代器；如果容器是const对象，就挑const begin()，拿到只读迭代器。一句话：对象可变就用非const版，对象只读就用const版。

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。

可行。fill_n是从特定值向后填充同一个值，而指针的引入则可以填充序列；copy_n直接使用两个迭代器从源迭代器到目标迭代器进行拷贝操作。

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
};

运行结果截图：

实验任务5

源代码

contact.hpp

#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;
}

contactBook.hpp

# 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();
}

int ContactBook::index(const std::string &name) const{
    if(contacts.size() == 0){
        return -1;
    }
    int count = 0;
    auto it = contacts.begin() ;
    if(it->get_name() == name){
        return count;
    }
    count++;
    for(it = contacts.begin()+1; it != contacts.end(); ++it){
        if(it->get_name() == name)
            return count;
        count++;
    }
    return -1;
}

void ContactBook::ContactBook::sort(){
    if(contacts.size() == 0 || contacts.size() == 1)
        return ;
    for(auto it1 = contacts.end() - 1 ; it1 != contacts.begin() ; --it1)
        for(auto it2 = contacts.begin() ; it2 < it1 ; ++it2){
            if(it2->get_name() > (it2+1)->get_name())
            std::swap(*it2, *(it2+1));
        }
}

task5.cpp

#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();
}

#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();
}

运行结果截图：

posted @ 2025-11-25 23:55 张毅炜阅读(3) 评论(1) 收藏举报

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