實驗三類和對象Ⅱ 詳情 - include,數據項,ios,Html,CSS,前端開發 AI智行者博客

實驗1

1.源代碼

#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";
}

button.hpp

#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 << "用組合類模擬簡單GUI:\n";
    test();
}

task1.cpp

#pragma once

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

// 窗口類
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;
}

window.hpp

2.運行截圖

3.問題回答

問題1：這個範例中， Window 和 Button 是組合關係嗎？

答: 是的，Window類直接包含Button對象。

問題2： bool has_button(const std::string &label) const; 被設計為私有。思考並回答：

（1）若將其改為公有接口，有何優點或風險？

答: 優點是可以在類的外部直接調用該函數，方便驗證；缺點是會破壞封裝性，公有後會讓外部代碼依賴類的內部邏輯，既可能會使外部代碼出錯，也不方便修改。

（2）設計類時，如何判斷一個成員函數應為 public 還是 private？（可從“用户是否需要”、“是否僅為內

部實現細節”、“是否易破壞對象狀態”等角度分析。）

答: 如果這個函數是類的核心功能，用户需要直接調用，可以考慮設為public；如果這個函數是其他public方法的內部細節或者這個函數直接操作私有成員且使用起來不會破壞對象狀態，可以考慮設為private。

問題3： Button 的接口 const std::string& get_label() const; 返回 const std::string& 。簡

要説明以下兩種接口設計在性能和安全性方面的差異。

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

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

答: 性能上，接口一優於接口二，因為接口一返回的是const引用，不會生成新的字符串對象，而接口二返回的是拷貝，需要觸發拷貝構造函數；在安全性方面，接口二更安全，因為如果Button對象被銷燬，接口一可能會發生懸空。

問題4：把代碼中所有 xx.push_back(Button(xxx)) 改成 xx.emplace_back(xxx) ，觀察程序是否正

常運行；查閲資料，回答兩種寫法的差別。

答:可以運行。xx.emplace_back(xxx) 與xx.push_back(Button(xxx)) 相比，優勢在於不需要構造臨時對象也不需要移動對象。

實驗2

1.源代碼

#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 << "深複製驗證1: 標準庫vector<int>\n";
test1();
std::cout << "\n深複製驗證2: 標準庫vector<int>嵌套使用\n";
test2();
}
void test1() {
std::vector<int> v1(5, 42);
const std::vector<int> v2(v1);
std::cout << "**********拷貝構造後**********\n";
std::cout << "v1: "; output1(v1);
std::cout << "v2: "; output1(v2);
v1.at(0) = -1;
std::cout << "**********修改v1[0]後**********\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 << "**********拷貝構造後**********\n";
std::cout << "v1: "; output3(v1);
std::cout << "v2: "; output3(v2);
v1.at(0).push_back(-1);
std::cout << "**********修改v1[0]後**********\n";
std::cout << "v1: \n"; output3(v1);
std::cout << "v2: \n"; output3(v2);
}
// 使用xx.at()+循環輸出vector<int>數據項
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+循環輸出vector<int>數據項
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分行輸出vector<vector<int>>數據項
void output3(const std::vector<std::vector<int>>& v) {
if(v.size() == 0) {
std::cout << '\n';
return;
}
for(auto &i: v)
output2(i);
}

task2.cpp

2.運行截圖

3.問題回答

問題1：測試模塊1中這兩行代碼分別完成了什麼構造？ v1、v2 各包含多少個值為 42 的數據項？

std::vector<int> v1(5, 42);

const std::vector<int> v2(v1);

完成了兩個int類型動態數組的構造；

v1,v2各包含5個值為42的數據項

問題2：測試模塊2中這兩行代碼執行後, v1.size()、v2.size()、v1[0].size()分別是多少？

std::vector<std::vector<int>> v1{{1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}};

const std::vector<std::vector<int>> v2(v1);

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

問題3：測試模塊1中，把v1.at(0) = -1;寫成v1[0] = -1;能否實現同等效果？兩種用法有何區別？

能；v1.at(0)有邊界檢查，更加安全，v1[0]沒有邊界檢查，相對不安全

問題4：測試模塊2中執行v1.at(0).push_back(-1);後

（1）用以下兩行代碼，能否輸出-1？為什麼？

std::vector<int> &r = v1.at(0);

std::cout << r.at(r.size()-1);

能輸出；&r為引用類型，引用{1,2,3,-1},r.size()-1的位置即為新添加的-1

（2）r定義成用const &類型接收返回值，在內存使用上有何優勢？有何限制？

優勢：const修飾，不會修改數據，引用類型，不會拷貝副本，性能更高;

限制：不能調用push_back等非const函數

問題5：觀察程序運行結果，反向分析、推斷：

（1）標準庫模板類vector的複製構造函數實現的是深複製還是淺複製？

深複製

（2） vector<T>::at() 接口思考：當 v是vector 時，v.at(0)返回值類型是什麼？當v是const vector時，v.at(0)返回值類型又是什麼？據此推斷 at()是否必須提供帶 const 修飾的重載版本?

v.at(0)返回值類型：

vector：T&

const vector：const T&

at()必須提供帶const的重載版本；const對象只能調用const成員函數

實驗3

1.源代碼

#pragma once
#include <iostream>
// 動態int數組對象類
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; // 當前數據項個數
int *ptr; // 數據區
};
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;
}

vectorlnt.hpp

#include "vectorInt.hpp"
#include <iostream>
void test1();
void test2();
void output1(const vectorInt &vi);
void output2(const vectorInt &vi);
int main() {
std::cout << "測試1: \n";
test1();
std::cout << "\n測試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()+循環輸出vectorInt對象數據項
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+循環輸出vectorInt對象數據項
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';
}

task3.cpp

2.運行截圖

3.問題回答

問題1：當前驗證性代碼中， vectorInt 接口 assign 實現是安全版本。如果把 assign 實現改成版本2，逐條指出版本 2存在的安全隱患和缺陷。（提示：對比兩個版本，找出差異化代碼，加以分析）

答: 缺少自賦值檢查；先釋放舊內存再分配新內存，如果new失敗，原對象狀態會失效；分配新內存前修改n，會使異常時n與ptr不匹配。

問題2：當前驗證性代碼中，重載接口 at 內部代碼完全相同。若把非 const 版本改成如下實現，可消除重複並遵循“最小化接口”原則（未來如需更新接口，只更新const接口，另一個會同步）。

查閲資料，回答：

(1)static_cast<const vectorInt*>(this) 的作用是什麼？轉換前後 this 的類型分別是什麼？轉換目的?

答：作用是將非const成員函數中的this指針轉換為const指針。轉換前是vectorInt類型，轉換後是const vectorInt 類型。目的是複用const版本at函數的代碼，避免重複實現。

(2)const_cast<int&> 的作用是什麼？轉換前後的返回類型分別是什麼？轉換目的？

答: 作用是將const版本at函數返回的const int 轉換為int ,目的是讓非const版本的at函數返回可修改的引用。

問題3： vectorInt 類封裝了 begin() 和 end() 的const/非const接口。

(1)以下代碼片段，分析編譯器如何選擇重載版本，並總結這兩種重載分別適配什麼使用場景

答:v1.begin()調用非const版本，適配非const對象，需要修改元素的場景；v2.begin()調用const版本，適配const對象或者指向const對象的指針，需要讀取但不修改的場景。

(2)拓展思考（選答*）：標準庫迭代器本質上是指針的封裝。 vectorInt 直接返回原始指針作為迭代器，這種設計讓你對迭代器有什麼新的理解？

答:我認識到了vectorInt作為連續存儲的容器，其元素在內存中是連續排列的。這種結構下，指針的移動邏輯與迭代器的遍歷邏輯完全一致，迭代器封裝是為了統一接口。

問題4：以下兩個構造函數及 assign 接口實現，都包含內存塊的賦值/複製操作。使用算法庫

<algorithm> 改寫是否可以？回答這3行更新代碼的功能

答:可以。std::fill_n(ptr, n, value)：從指針ptr開始，填充n個int元素，每個元素的值為value；std::copy_n(v1.ptr, vi.n, ptr)：從源指針vi.ptr開始，複製vi.n個int元素到目標指針，處理元素的複製時，對於自定義類型，會調用拷貝構造函數，對於內置類型，直接複製字節；ptr；std::copy_n(v1.ptr, vi.n, ptr_tmp)：從vi.ptr複製vi.n個元素到ptr_tmp，先複製再替換，避免自賦值問題。

實驗4

1.源代碼

#pragma once

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

// 類Matrix聲明
class Matrix {
public:
    Matrix(int rows_, int cols_, double value = 0); // 構造rows_*cols_矩陣對象, 初值value
    Matrix(int rows_, double value = 0);    // 構造rows_*rows_方陣對象, 初值value
    Matrix(const Matrix &x);    // 深複製
    ~Matrix();

    void set(const double *pvalue, int size);   // 按行復制pvalue指向的數據，要求size=rows*cols,否則報錯退出
    void clear();   // 矩陣對象數據項置0
    
    const double& at(int i, int j) const;   // 返回矩陣對象索引(i,j)對應的數據項const引用（越界則報錯後退出）
    double& at(int i, int j);   // 返回矩陣對象索引(i,j)對應的數據項引用（越界則報錯後退出）
    
    int rows() const;   // 返回矩陣對象行數
    int cols() const;   // 返回矩陣對象列數

    void print() const;   // 按行打印數據

private:
    int n_rows;      // 矩陣對象內元素行數
    int n_cols;       // 矩陣對象內元素列數
    double *ptr;    // 數據區
};

matrix.hpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include "matrix.hpp"

void test1();
void test2();
void output(const Matrix &m, int row_index);

int main() {
    std::cout << "測試1: \n";
    test1();

    std::cout << "\n測試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);    // 創建矩陣對象m1, 大小n×m
    m1.set(x, n*m);     // 用一維數組x的值按行為矩陣m1賦值

    Matrix m2(m, n);    // 創建矩陣對象m2, 大小m×n
    m2.set(x, m*n);     // 用一維數組x的值按行為矩陣m1賦值

    Matrix m3(n);       // 創建一個n×n方陣對象
    m3.set(x, n*n);     // 用一維數組x的值按行為矩陣m3賦值

    std::cout << "矩陣對象m1: \n";   m1.print();
    std::cout << "矩陣對象m2: \n";   m2.print();
    std::cout << "矩陣對象m3: \n";   m3.print();
}

void test2() {
    Matrix m1(2, 3, -1);
    const Matrix m2(m1);
    
    std::cout << "矩陣對象m1: \n";   m1.print();
    std::cout << "矩陣對象m2: \n";   m2.print();

    m1.clear();
    m1.at(0, 0) = 1;

    std::cout << "m1更新後: \n";
    std::cout << "矩陣對象m1第0行 "; output(m1, 0);
    std::cout << "矩陣對象m2第0行: "; output(m2, 0);
}

// 輸出矩陣對象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';
}

task4.cpp

#include "matrix.hpp"

Matrix::Matrix(int rows_, int cols_, double value) 
    : n_rows(rows_), n_cols(cols_) {
    if (rows_ <= 0 || cols_ <= 0) {
        std::cout << "行數或列數必須為正\n";
        std::exit(1);
    }
    ptr = new double[rows_ * cols_];
    std::fill_n(ptr, rows_ * 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_n(x.ptr, x.n_rows * x.n_cols, ptr);
}

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

void Matrix::set(const double *pvalue, int size) {
    if (size != n_rows * n_cols) {
        std::cout << "矩陣大小不匹配\n" ;
        std::exit(1);
    }
    std::copy_n(pvalue, size, ptr);
}

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

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

double& Matrix::at(int i, int j) {
    return const_cast<double&>(static_cast<const Matrix*>(this)->at(i, 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) {
        for (int j = 0; j < n_cols; ++j) { 
            std::cout << at(i, j) << ", "; 
        }
        std::cout << "\n"; 
    }
}

matrix.cpp

2.運行截圖

實驗5

1.源代碼

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
// 聯繫人類
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; // 必填項
std::string phone; // 必填項
};
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;
}

contact.hpp

# pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "contact.hpp"
// 通訊錄類
class ContactBook {
public:
void add(const std::string &name, const std::string &phone); // 添加聯繫人
void remove(const std::string &name); // 移除聯繫人
void find(const std::string &name) const; // 查找聯繫人
void display() const; // 顯示所有聯繫人
size_t size() const;
private:
int index(const std::string &name) const; // 返回聯繫人在contacts內索引，如不存在，返回-1
void sort(); // 按姓名字典序升序排序通訊錄
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();
}
// 待補足1：int index(const std::string &name) const;實現
// 返回聯繫人在contacts內索引; 如不存在，返回-1
int ContactBook::index(const std::string &name) const{
    auto it = std::find_if(contacts.rbegin(), contacts.rend(), 
        [&](const Contact& c) { return c.get_name() == name; });
    
    if (it != contacts.rend())
        return contacts.size() - 1 - std::distance(contacts.rbegin(), it);
    return -1;
}

// 待補足2：void ContactBook::sort();實現
// 按姓名字典序升序排序通訊錄
void ContactBook::sort(){
    auto name_less = [](const Contact &x, const Contact &y) {
        return x.get_name().compare(y.get_name()) < 0;
    };
    std::sort(contacts.begin(), contacts.end(), name_less);
}

contactBook.hpp

#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();
}

task5.cpp

2.運行截圖

實驗總結

1.功能相同的const與非const成員函數通過static_cast和const_cast可以用一個函數實現兩個函數，減少接口。

2.通過這次實驗，深入理解了組合關係has-a的應用場景，深入理解了在類的外部如何通過公有接口訪問私有成員，加深了對深拷貝與淺拷貝的理解，對const有了更深的認識。

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