实验3 类和对象_基础编程2

一、实验目的

• 加深对类的组合机制(has-a)的理解，会使用C++正确定义、使用组合类
• 理解深复制、浅复制
• 练习标准库string, vector用法，能基于问题场景灵活使用
• 针对具体问题场景，练习运用面向对象思维进行设计，合理设计、组合类（自定义/标准库），编程解决实际问题

二、实验内容

1. 实验任务1

验证性实验：组合类的定义和使用。
组合类用于抽象现实世界has-a关系。这个简单示例模拟了GUI的窗口和部件。覆盖了以下内容：

• 组合类的定义、使用（注意组合类构造函数的写法）
• 数据的共享、保护：const引用作为形参
• 标准库vector, string
• 以多文件方式组织代码

button.hpp   Button类的定义
window.hpp Window类的定义
task1.cpp    测试代码、main()

button.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>

using std::string;
using std::cout;

// 按钮类
class Button {
public:
    Button(const string &text);
    string get_label() const;
    void click();

private:
    string label;
};

Button::Button(const string &text): label{text} {
}

inline string Button::get_label() const {
    return label;
}

void Button::click() {
    cout << "Button '" << label << "' clicked\n";
}

window.hpp

#pragma once
#include "button.hpp"
#include <vector>
#include <iostream>

using std::vector;
using std::cout;
using std::endl;

// 窗口类
class Window{
public:
    Window(const string &win_title);
    void display() const;
    void close();
    void add_button(const string &label);

private:
    string title;
    vector<Button> buttons;
};

Window::Window(const string &win_title): title{win_title} {
    buttons.push_back(Button("close"));
}

inline void Window::display() const {
    string s(40, '*');

    cout << s << endl;
    cout << "window title: " << title << endl;
    cout << "It has " << buttons.size() << " buttons: " << endl;
    for(const auto &i: buttons)
        cout << i.get_label() << " button" << endl;
    cout << s << endl;
}

void Window::close() {
    cout << "close window '" << title << "'" << endl;
    buttons.at(0).click();
}

void Window::add_button(const string &label) {
    buttons.push_back(Button(label));
}

task1.cpp

#include "window.hpp"
#include <iostream>

using std::cout;
using std::cin;

void test() {
    Window w1("new window");
    w1.add_button("maximize");
    w1.display();
    w1.close();
}

int main() {
    cout << "用组合类模拟简单GUI:\n";
    test();
}

运行截图：

 

问题1：这个模拟简单GUI的示例代码中，自定义了几个类？使用到了标准库的哪几个类？，哪些
类和类之间存在组合关系？
问题2：在自定义类Button和Window中，有些成员函数定义时加了const, 有些设置成了inline。如
果你是类的设计者，目前那些没有加const或没有设置成inline的，适合添加const，适合设置成
inline吗？陈述你的答案和理由。
问题3：类Window的定义中，有这样一行代码，其功能是？

 1.答：自定义两个类：分别是button类和window类；

           使用标准库类：iostream类、string类和vector类；

                  组合关系：Window 类中包含了 vector<Button>，表示窗口中包含多个按钮，这是一种组合关系。
          　　Window 类的构造函数中创建了一个 Button对象，用于将给定的短语添加到类中定义的向量中。

2.答：不适合，其余的成员函数中都包含了会变化的量，涉及到内部状态的修改，如果设置成const或者inline，则有可能报错。

3.答：其功能是定义一个字符串变量s，给它赋40个‘*’，用来作为GUI的模拟界面窗口。

 

2. 实验任务2

task2.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

void output1(const vector<int> &v) {
    for(auto &i: v)
        cout << i << ", ";
    cout << "\b\b \n";
}

void output2(const vector<vector<int>> v) {
    for(auto &i: v) {
        for(auto &j: i)
            cout << j << ", ";
        cout << "\b\b \n";
    }
}

void test1() {
    vector<int> v1(5, 42);
    const vector<int> v2(v1);

    v1.at(0) = -999;
    cout << "v1: ";  output1(v1);
    cout << "v2: ";  output1(v2);
    cout << "v1.at(0) = " << v1.at(0) << endl;
    cout << "v2.at(0) = " << v2.at(0) << endl;
}

void test2() {
    vector<vector<int>> v1{{1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}};
    const vector<vector<int>> v2(v1);

    v1.at(0).push_back(-999);
    cout << "v1: \n";  output2(v1);
    cout << "v2: \n";  output2(v2);

    vector<int> t1 = v1.at(0);
    cout << t1.at(t1.size()-1) << endl;
    
    const vector<int> t2 = v2.at(0);
    cout << t2.at(t2.size()-1) << endl;
}

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

    cout << "\n测试2:\n";
    test2();
}

运行截图：

 

 

问题1：测试1模块中，这三行代码的功能分别是？

问题2：测试2模块中，这三行代码的功能分别是？

问题3：测试2模块中，这四行代码的功能分别是？

问题4：根据执行结果，反向分析、推断：
① 标准库模板类vector内部封装的复制构造函数，其实现机制是深复制还是浅复制？
② 模板类vector的接口at(), 是否至少需要提供一个const成员函数作为接口？

1. 通过创建两个vector向量v1和v2，给v1赋值5个42，将v1的值复制给v2；并对 v1 进行修改，展示了v1 的变化并不会影响到 v2，因为 v2是在 v1的创建时就已经拷贝了当前的值。
2. 创建和操作二维 vector，并且创造副本v2以及如何对原始 vector 进行修改而不影响常量副本。

3. 分别从一个可修改的二维向量 v1 和一个常量二维向量 v2 中提取并输出最后一个元素。

4. vector 的复制构造函数实现了深复制。vector 的 at() 方法应该是提供一个 const 成员函数作为接口，否则用户将无法在代码的 const vector 对象上调用该方法。

 

3. 实验任务3

vectorInt.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>

using std::cout;
using std::endl;

// 动态int数组对象类
class vectorInt{
public:
    vectorInt(int n);
    vectorInt(int n, int value);
    vectorInt(const vectorInt &vi);
    ~vectorInt();

    int& at(int index);
    const int& at(int index) const;

    vectorInt& assign(const vectorInt &v);
    int get_size() const;

private:
    int size;
    int *ptr;       // ptr指向包含size个int的数组
};

vectorInt::vectorInt(int n): size{n}, ptr{new int[size]} {
}

vectorInt::vectorInt(int n, int value): size{n}, ptr{new int[size]} {
    for(auto i = 0; i < size; ++i)
        ptr[i] = value;
}

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

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

const int& vectorInt::at(int index) const {
    assert(index >= 0 && index < size);

    return ptr[index];
}

int& vectorInt::at(int index) {
    assert(index >= 0 && index < size);

    return ptr[index];
}

vectorInt& vectorInt::assign(const vectorInt &v) {  
    delete[] ptr;       // 释放对象中ptr原来指向的资源

    size = v.size;
    ptr = new int[size];

    for(int i = 0; i < size; ++i)
        ptr[i] = v.ptr[i];

    return *this;
}

int vectorInt::get_size() const {
    return size;
}

task3.cpp

#include "vectorInt.hpp"
#include <iostream>

using std::cin;
using std::cout;

void output(const vectorInt &vi) {
    for(auto i = 0; i < vi.get_size(); ++i)
        cout << vi.at(i) << ", ";
    cout << "\b\b \n";
}


void test1() {
    int n;
    cout << "Enter n: ";
    cin >> n;

    vectorInt x1(n);
    for(auto i = 0; i < n; ++i)
        x1.at(i) = i*i;
    cout << "x1: ";  output(x1);

    vectorInt x2(n, 42);
    vectorInt x3(x2);
    x2.at(0) = -999;
    cout << "x2: ";  output(x2);
    cout << "x3: ";  output(x3);
}

void test2() {
    const vectorInt  x(5, 42);
    vectorInt y(10, 0);

    cout << "y: ";  output(y);
    y.assign(x);
    cout << "y: ";  output(y);
    
    cout << "x.at(0) = " << x.at(0) << endl;
    cout << "y.at(0) = " << y.at(0) << endl;
}

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

    cout << "\n测试2: \n";
    test2();
}

运行截图：

 

问题1：vectorInt类中，复制构造函数（line14)的实现，是深复制还是浅复制？

问题2：vectorInt类中，这两个at()接口，如果返回值类型改成int而非int&（相应地，实现部分也

同步修改），测试代码还能正确运行吗？如果把line18返回值类型前面的const掉，针对这个测试

代码，是否有潜在安全隐患？尝试分析说明

问题3：vectorInt类中，assign()接口，返回值类型可以改成vectorInt吗？你的结论，及，原因分

析。

 

1.答：深拷贝，设置了构造函数用于在拷贝的时候，对类的引用进行引用，防止浅拷贝。

2.答：不能，会出现左边返回的类型是一个常数而不能被修改的情况；

3.答：返回值类型可以改成 vectorInt 。不过，如果将返回值类型改为 vectorInt ，需要注意返回的对象可能会导致性能上的开销，因为将会涉及到对象的复制。

 

4. 实验任务4

matrix.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>

using std::cout;
using std::endl;

// 类Matrix的声明
class Matrix {
public:
    Matrix(int n, int m);           // 构造函数，构造一个n*m的矩阵, 初始值为value
    Matrix(int n);                  // 构造函数，构造一个n*n的矩阵, 初始值为value
    Matrix(const Matrix &x);        // 复制构造函数， 使用已有的矩阵X构造
    ~Matrix();

    void set(const double *pvalue);         // 用pvalue指向的连续内存块数据按行为矩阵赋值
    void clear();                           // 把矩阵对象的值置0
    
    const double& at(int i, int j) const;   // 返回矩阵对象索引(i,j)的元素const引用
    double& at(int i, int j);               // 返回矩阵对象索引(i,j)的元素引用
    
    int get_lines() const;                  // 返回矩阵对象行数
    int get_cols() const;                   // 返回矩阵对象列数

    void display() const;                    // 按行显示矩阵对象元素值

private:
    int lines;      // 矩阵对象内元素行数
    int cols;       // 矩阵对象内元素列数
    double *ptr;
};
 
// 类Matrix的实现：待补足
Matrix::Matrix(int n,int m):lines(n),cols(m){
    ptr=new double[n*m];
    clear(); 
} 
Matrix::Matrix(int n):Matrix(n,n){
}
Matrix::Matrix(const Matrix &x) : lines(x.lines), cols(x.cols) {
  ptr = new double[lines * cols];
  for (int i = 0; i < lines*cols; i++)
    ptr[i] = x.ptr[i];
}

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

void Matrix::set(const double *pvalue) {
  for (int i = 0; i < lines * cols; i++)
    ptr[i] = pvalue[i];
}

void Matrix::clear() {
  for (int i = 0; i < lines * cols; i++)
    ptr[i] = 0;
}

const double &Matrix::at(int i, int j) const {
  assert(i >= 0 && i < lines && j >= 0 && j < cols);
  return ptr[i * cols + j];
}

double &Matrix::at(int i, int j) {
  assert(i >= 0 && i < lines && j >= 0 && j < cols);
  return ptr[i * cols + j];
}

int Matrix::get_lines() const {
  return lines;
}

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

void Matrix::display() const {
  for (int i = 0; i < lines; i++) {
    for (int j = 0; j < cols; j++) {
      cout << ptr[i*cols + j] <<" ";
    }
    cout << endl;
  }
}

task4.cpp

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

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;


const int N = 1000;

// 输出矩阵对象索引为index所在行的所有元素
void output(const Matrix &m, int index) {
    assert(index >= 0 && index < m.get_lines());

    for(auto j = 0; j < m.get_cols(); ++j)
        cout << m.at(index, j) << ", ";
    cout << "\b\b \n";
}


void test1() {
    double x[1000] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

    int n, m;
    cout << "Enter n and m: ";
    cin >> n >> m;

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

    Matrix m3(2);       // 创建一个2×2矩阵对象
    m3.set(x);          // 用一维数组x的值按行为矩阵m4赋值

    cout << "矩阵对象m1: \n";   m1.display();  cout << endl;
    cout << "矩阵对象m2: \n";   m2.display();  cout << endl;
    cout << "矩阵对象m3: \n";   m3.display();  cout << endl;
}

void test2() {
    Matrix m1(2, 3);
    m1.clear();
    
    const Matrix m2(m1);
    m1.at(0, 0) = -999;

    cout << "m1.at(0, 0) = " << m1.at(0, 0) << endl;
    cout << "m2.at(0, 0) = " << m2.at(0, 0) << endl;
    cout << "矩阵对象m1第0行: "; output(m1, 0);
    cout << "矩阵对象m2第0行: "; output(m2, 0);
}

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

    cout << "测试2: \n";
    test2();
}

运行结果：

 

5. 实验任务5

user.hpp

// user.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

class User {
private:
  std::string name, password, email;

public:
  User(std::string name, std::string password = "", std::string email = "")
      : name(name), password(password), email(email) {}

  void set_email() ;
  void change_password() ;
  void display() ;
};

  void User::set_email() 
  {
    while (true) {
      std::cout << "Enter your email: ";
      std::getline(std::cin, email);
      if (email.find('@') != std::string::npos) {
        break;
      } else {
        std::cout << "Invalid email. Please try again." << std::endl;
      }
    }
  }
 void User::change_password() 
  {
    std::string old_password;
    for (int attempt = 0; attempt < 3; ++attempt) {
      std::cout << "Enter your old password: ";
      std::getline(std::cin, old_password);
      if (old_password == password) {
        std::cout << "Enter your new password: ";
        std::getline(std::cin, password);
        std::cout << "Password changed successfully." << std::endl;
        return;
      } else {
        std::cout << "Old password is incorrect. Please try again."
                  << std::endl;
      }
    }
    std::cout << "Too many incorrect attempts. Please try again later."
              << std::endl;
  }
void User::display()
  {
    std::cout << "Username: " << name << std::endl;
    std::cout << "Password: " << std::string(password.length(), '*')
              << std::endl;
    std::cout << "Email: " << email << std::endl;
  }

task5.cpp

#include "user.h"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::vector;
using std::string;

void test() {
    vector<User> user_lst;

    User u1("Alice", "2024113", "Alice@hotmail.com");
    user_lst.push_back(u1);
    cout << endl;

    User u2("Bob");
    u2.set_email();
    u2.change_password();
    user_lst.push_back(u2);
    cout << endl;

    User u3("Hellen");
    u3.set_email();
    u3.change_password();
    user_lst.push_back(u3);
    cout << endl;

    cout << "There are " << user_lst.size() << " users. they are: " << endl;
    for(auto &i: user_lst) {
        i.display();
        cout << endl;
    }
}

int main() {
    test();
}

运行结果：

 

6.实验任务6

date.h

#pragma once

#include<iostream>
#include<cstdlib>

using namespace std;
class Date {
    private:
        int year;
        int month;
        int day;
        int totalDays;
    public:
        Date(int year, int month, int day);
        int getYear()const {
            return year;
        }
        int getMonth()const {
            return month;
        }
        int getDay()const {
            return day;
        }
        int getMaxDay()const;
        bool isLeapYear()const {
            return year % 4 == 0 && year % 100 != 0 || year % 400 == 0;
        }
        void show() const;
        int distance(const Date& date)const {
            return totalDays - date.totalDays;
        }
};
namespace {
    const int DAYS_BEFIRE_MONTH[] = { 0,31,59,90,120,151,181,212,243,273,304 ,334,365 };
}
Date::Date(int year, int month, int day) :year(year), month(month), day(day) {
    if (day <= 0 || day > getMaxDay()) {
        cout << "Invalid date: ";
        show();
        cout << endl;
        exit(1);
    }
    int years = year - 1;
    totalDays = years * 365 + years / 4 - years / 100 + years / 400 + DAYS_BEFIRE_MONTH[month - 1] + day;
    if (isLeapYear() && month > 2) totalDays++;
}
int Date::getMaxDay()const {
    if (isLeapYear() &&month == 2)
        return 29;
    else return DAYS_BEFIRE_MONTH[month] - DAYS_BEFIRE_MONTH[month - 1];
}
void Date::show()const {
    cout << getYear() << "-" << getMonth() << "-" << getDay();
}

account.hpp

#pragma once

#include"date.hpp"
#include<string>
#include<cmath>
#include<iostream>

using namespace std;

class SavingsAccount {
    private:
        string id;
        double balance;
        double rate;
        Date lastDate;
        double accumulation;
        static double total;
        void record(const Date& date, double amount, const string& desc);
        void error(const string& msg) const;
        double accumulate(const Date& date)const {
            return accumulation + balance * date.distance(lastDate);
        }
    public:
        SavingsAccount(const Date& date, const string& id, double rate);
        const string& getId()const {
            return id;
        }
        double getBalance()const {
            return balance;
        }
        double getRate()const {
            return rate;
        }
        static double getTotal() {
            return total;
        }
        void deposit(const Date& date, double amount, const string& desc);
        void withdraw(const Date& date, double amount, const string& desc);
        void settle(const Date& date);
        void show() const;
};
double SavingsAccount::total = 0;
SavingsAccount::SavingsAccount(const Date& date, const string& id, double rate) :
    id(id), balance(0), rate(rate), lastDate(date), accumulation(0) {
    date.show();
    cout << "\t#" << id << "created" << endl;
}
void SavingsAccount::record(const Date& date, double amount, const string& desc) {
    accumulation = accumulate(date);
    lastDate = date;
    amount = floor(amount * 100 + 0.5) / 100;
    balance += amount;
    total += amount;
    date.show();
    cout << "\t#" << id << "\t" << amount << "\t" << balance << "\t" << desc << endl;
}
void SavingsAccount::error(const string& msg) const {
    cout << "Error(#" << id << "):" << msg << endl;
}
void SavingsAccount::deposit(const Date& date, double amount, const string& desc) {
    record(date, amount, desc);
}
void SavingsAccount::withdraw(const Date& date, double amount, const string& desc) {
    if (amount > getBalance())
        error("not enough money");
    else
        record(date, -amount, desc);
}
void SavingsAccount::settle(const Date& date) {
    double interest = accumulate(date) * rate / date.distance(Date(date.getYear() - 1, 1, 1));
    if (interest != 0) record( date,interest,"interest" );
    accumulation = 0;
}
void SavingsAccount::show()const {
    cout << id << "\tBalance: " << balance;
}

task6.cpp

#include"account.hpp"
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    Date date { 2008,11,1 };
    SavingsAccount accounts[] = {
        SavingsAccount(date,"03755217",0.015),
        SavingsAccount(date,"02342342",0.015)
    };
    const int n = sizeof(accounts) / sizeof(SavingsAccount);
    accounts[0].deposit(Date(2008, 11, 5), 5000, "salary");
    accounts[1].deposit(Date(2008, 11, 25), 10000, "sell stock 0323");
    accounts[0].deposit(Date(2008, 12, 5), 5500, "salary");
    accounts[1].withdraw(Date(2008, 12, 20), 4000, "buy a laptop");
    cout << endl;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        accounts[i].settle(Date(2009, 1, 1));
        accounts[i].show();
        cout << endl;
    }
    cout << "Total: " << SavingsAccount::getTotal() << endl;
    return 0;
}

运行结果：

 三、实验总结

    通过本次实验，我深入理解了C++中类和对象的基本概念，特别是在类的组合机制、深复制与浅复制、以及标准库中string和vector的用法方面获得了实践经验。实验涉及了多个任务，包括模拟GUI窗口和按钮的组合类设计、探究vector的复制机制、自行设计简化版的vectorInt类、实现动态矩阵类Matrix、设计用户类User并结合vector使用，以及对个人银行账户管理程序的分析和优化。其中：

1. 类的组合机制（has-a）理解加深：通过实验任务1，我加深了对类的组合机制的理解，学会了如何在C++中正确定义和使用组合类。

2. 深复制与浅复制的理解：在实验任务2中，我通过实际编码和测试，理解了深复制和浅复制的区别。深复制会创建对象的一个全新副本，而浅复制只是复制对象的引用。

3. 标准库string和vector的用法：通过多个实验任务，我练习了如何在不同问题场景中灵活使用C++标准库中的string和vector。