实验3 类和对象_基础编程 - yuyue

TASK1

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";elsebuttons.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;
}

task1.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();
}

问题 1：

是组合关系。组合关系的核心是整体 - 部分,Window 包含多个 Button 对象；
Window 被销毁时，容器会自动析构所有 Button 对象，Button 的生命周期完全依赖 Window；

问题 2:

（1）改为公有接口的优点与风险
优点：提供额外的查询功能，方便类的使用者判断某个按钮是否存在。
风险：使用者会滥用该功能，改变其内部实现。
（2）判断成员函数为 public 还是 private 的原则
用户必需：若函数是类提供的核心功能，需设为 public；
内部实现：若函数依赖类的内部数据结构，设为 private，避免使用者依赖内部实现，便于后续修改内部结构；
破坏对象状态：若函数可能导致对象数据不一致，若无需对外提供，则设为 private；若必须对外提供，需通过 public 接口做参数校验、状态维护。

问题 3：

1：const std::string& get_label() const
（1）高效：返回字符串的常量引用，无需拷贝字符串，仅传递内存地址。
（2）安全：返回 const 引用，使用者无法通过该引用修改 Button 的私有成员 label，保证对象状态不被外部篡改；同时避免拷贝带来的内存开销。 2：const std::string get_label() const
（1）低效：返回字符串的拷贝，需分配新内存、复制字符数据。
（2）安全但冗余：拷贝过程本身无安全问题，仅存在性能浪费。

问题 4：push_back 与 emplace_back 的差别

（1）程序运行情况
程序能正常运行，输出结果与原代码完全一致。
（2）差别：
push_back 的逻辑是：
先在容器外部构造一个完整的元素对象；
再通过拷贝构造或移动构造，将这个对象复制/移动到容器的末尾内存中；
若传入的是临时对象，构造后会触发临时对象的析构。
emplace_back 的逻辑是：
直接在容器末尾已分配的内存空间中构造元素；
无需先创建临时对象，而是将构造元素所需的参数直接传递给元素的构造函数，原地完成构造；
避免了临时对象的创建、拷贝/移动和析构开销。

TASK2

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);
}

问题一

第一行直接构造，第二行复制（拷贝）构造。各有五个42。

问题二

v1.size()：v1 是一个包含两个 vector 元素的容器，因此其大小为 2。
v2.size()：v2 是 v1 的拷贝构造，所以其大小与 v1 相同，为 2。
v1[0].size()：v1 的第一个元素是 {1, 2, 3}，包含 3 个 int 元素，因此其大小为 3。

问题三

能实现同等效果。
区别：at(）会进行边界检查，更安全，但是性能略低。[]不会进行边界检查，安全性低，但是性能略高。

问题四

不能。r 是对 v1.at(0) 的引用，也就是对第一个子向量 {1, 2, 3} 的引用，r.size() 是 3，r.size()-1 是 2，r.at(2) 访问第三个元素，值是 3。
优势：避免不必要的复制，引用传递比值传递快，特别是对大对象，减少内存使用，const 确保不会意外修改原数据。

问题五

（1）std::vector 的复制构造函数实现的是深复制。
（2）当 v 是 vector时，v.at(0) 的返回值类型是 int&（int 类型的左值引用）。当 v 是 const vector时，v.at(0) 的返回值类型是 const int&（const int 类型的左值引用）。若只提供非 const 版本的 at()（返回 T&），当调用 const vector v; v.at(0) 时会编译报错 ——const 容器的成员函数只能调用 const 修饰的成员函数。

TASK3

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';
}

问题一

缺陷 1：当调用 vi.assign(vi)（自身赋值）时，版本 2 第一步直接 delete[] ptr，释放了当前对象 vi 的内存，后续执行 ptr = new int[n] 分配新内存后，拷贝数据时使用 vi.ptr[i]—— 但此时 vi.ptr 早已被 delete[] 释放，属于访问野指针操作；
缺陷 2：数据拷贝无边界校验，版本2拷贝时使用n，逻辑等价，但如n被意外修改，会导致拷贝越界。

问题二

（1）static_cast<const vectorInt>(this) 分析
将当前对象的指针 this 从 vectorInt 类型转换为 const vectorInt* 类型。
转换前是 vectorInt，转换后是 const vectorInt。
为了调用 const 版本的 at() 接口，复用边界检查和元素访问，同时保证在非 const 成员函数中，通过 const 指针调用接口不会修改对象状态。
（2）const_cast<int&> 分析
将 const int& 类型转换为 int& 类型。
转换前是 const int&；转换后是 int&。
返回值的 const 修饰移除，使得非 const 版本的 at() 能返回可修改的引用。
问题 3 解答
（1）begin() 重载版本选择与场景适配
auto it1 = v1.begin();调用 非 const 版本的 begin()。因为 v1 是 vectorInt 类型，编译器会优先匹配非 const 重载，返回 int* 类型，支持对元素的读写操作。
auto it2 = v2.begin();调用 const 版本的 begin()。因为 v2 是 const vectorInt 类型，编译器只能匹配 const 重载，返回 const int* 类型，仅支持对元素的读操作。
（2）拓展思考
说明迭代器是对内存地址的抽象，其作用是提供一种统一的方式遍历容器元素。理解：迭代器可以基于底层指针实现，不一定需要复杂的封装。

TASK4

matrix.hpp

#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valueMatrix(int rows_, double value = 0);    // 构造rows_*rows_方阵对象, 初值valueMatrix(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0const 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
};
Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value): n_rows(rows_), n_cols(cols_), ptr(new double[rows_ * cols_]) {std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, value);
}Matrix::Matrix(int rows_, double value): Matrix(rows_, rows_, value) {}Matrix::Matrix(const Matrix &x): n_rows(x.n_rows), n_cols(x.n_cols), ptr(new double[x.n_rows * x.n_cols]) {std::copy(x.ptr, x.ptr + n_rows * n_cols, ptr);
}Matrix::~Matrix() {delete[] ptr;
}inline void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {if (!pvalue) {std::cout<<"Error: Null pointer passed to set function.";exit(1);}if (size != n_rows * n_cols) {std::cout<<"Error: Size mismatch in set function.";exit(1);}std::copy(pvalue, pvalue + size, ptr);
}inline void Matrix::clear() {std::fill(ptr, ptr + n_rows * n_cols, 0);
}inline const double& Matrix::at(int i, int j) const {if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {cout<<"Error: Index out of bounds in at function.";exit(1);}return ptr[i * n_cols + j];
}inline double& Matrix::at(int i, int j) {if (i < 0 || i >= n_rows || j < 0 || j >= n_cols) {cout<<"Error: Index out of bounds in at function.";exit(1);}return ptr[i * n_cols + j];
}inline int Matrix::rows() const {return n_rows;
}inline int Matrix::cols() const {return n_cols;
}inline void Matrix::print() const {for (int i = 0; i < n_rows; ++i) {for (int j = 0; j < n_cols; ++j) {std::cout << at(i, j) << " ";}std::cout << std::endl;}
}

task4.cpp

#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×mm1.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×nm2.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';
}

TASK5

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-1void 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 {for (size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i) {if (contacts[i].get_name() == name) {return i;}}return -1;
}void ContactBook::sort() {for (size_t i = 0; i < contacts.size(); ++i) {for (size_t j = 0; j < contacts.size() - i - 1; ++j) {if (contacts[j].get_name() > contacts[j + 1].get_name()) {std::swap(contacts[j], contacts[j + 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();
}

The End