实验3 类和对象_基础编程2

实验任务1

#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";
}

#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));
}

#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();
}

结果截图

问题1：
自定义了几个类？
自定义了两个类：Button 和 Window。

使用到了标准库的哪几个类？
使用到了标准库的 string、vector、iostream。

哪些类和类之间存在组合关系？
Window 类中存在 vector<Button> 成员变量，所以 Window 和 Button 之间存在组合关系。

问题2：
Button 类：
Button::Button(const string &text)：构造函数，不适合加 const，因为它是在初始化对象，且需要修改对象的成员变量。
string Button::get_label() const：已经加了 const，它不修改对象的状态，所以是正确的。
void Button::click()：不适合加 const，因为它模拟了点击按钮的动作，可能会修改外部状态。
get_label 已经设置为 inline，这是合适的，因为它是一个简单的只读操作，且频繁调用。click 方法不适合设置为 inline，因为它涉及到输出操作，可能会使代码膨胀且不易调试。

Window 类：
Window::Window(const string &win_title)：构造函数，不适合加 const，原因同上。
void Window::display() const：已经加了 const，原因同上。
void Window::close()：不适合加 const，因为它修改了对象的状态。
void Window::add_button(const string &label)：不适合加 const，因为它修改了对象的状态。
display 方法已经设置为 inline，这是合适的，因为它是一个简单的展示操作，且频繁调用。close 和 add_button 方法不适合设置为 inline，因为它们涉及到更多的逻辑和状态改变。

问题3：
类 Window 的定义中，有这样一行代码 string s(40, '*')，其功能是？
这行代码创建了一个包含40个字符 '*' 的字符串 s。它的功能是用于在显示窗口信息时，作为边框或分隔符，使输出更加美观和清晰。

 

实验任务2

#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();
}

结果截图

问题1：测试1模块中，这三行代码的功能分别是？
vector<int> v1(5, 42);
创建了一个名为 v1 的 vector<int> 对象，并初始化为包含5个元素，每个元素的值都是42。

const vector<int> v2(v1);
通过复制构造函数创建了一个名为 v2 的常量 vector<int> 对象，它是 v1 的一个副本。由于 v2 是常量，因此不能通过 v2 修改其包含的元素。

v1.at(0) = -999;
使用 at 方法访问 v1 的第一个元素（索引为0），并将其值修改为-999。at 方法提供了边界检查，如果索引超出范围，会抛出 std::out_of_range 异常。

问题2：测试2模块中，这三行代码的功能分别是？
vector<vector<int>> v1{{1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}};
创建了一个名为 v1 的 vector<vector<int>> 对象，并初始化为包含两个 vector<int> 元素，第一个元素是 {1, 2, 3}，第二个元素是 {4, 5, 6, 7}。

const vector<vector<int>> v2(v1);
通过复制构造函数创建了一个名为 v2 的常量 vector<vector<int>> 对象，它是 v1 的一个副本。同样地，由于 v2 是常量，因此不能通过 v2 修改其包含的元素或子元素。

v1.at(0).push_back(-999);
这行代码首先使用 at 方法访问 v1 的第一个 vector<int> 元素（索引为0），然后调用该元素的 push_back 方法，在末尾添加一个新元素-999。这展示了 vector 的嵌套使用，以及如何通过 at 方法安全地访问和修改嵌套 vector 的内容。

问题3：测试2模块中，这四行代码的功能分别是？
vector<int> t1 = v1.at(0);
创建了一个名为 t1 的 vector<int> 对象，并将 v1 的第一个 vector<int> 元素（索引为0）复制给 t1。

cout << t1.at(t1.size()-1) << endl;
输出 t1 的最后一个元素的值。由于之前 v1.at(0).push_back(-999); 已经向 v1 的第一个元素添加了-999，因此这里输出的将是-999。

const vector<int> t2 = v2.at(0);
创建了一个名为 t2 的常量 vector<int> 对象，并将 v2 的第一个 vector<int> 元素（索引为0）复制给 t2。由于 t2 是常量，因此不能通过 t2 修改其包含的元素。

cout << t2.at(t2.size()-1) << endl;
输出 t2 的最后一个元素的值。由于 v2 是 v1 的一个常量副本，且 v1 的第一个元素在复制给 v2 后没有被修改（除了 v1 自身的修改，这些修改不会反映到 v2 上），因此这里输出的将是 v1 和 v2 在复制时第一个元素的最后一个值，即3（在 v1.at(0).push_back(-999); 执行之前 v1 和 v2 的第一个元素的最后一个值）。

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？
根据执行结果，特别是测试2模块中的行为，可以推断标准库模板类 vector 的复制构造函数实现的是深复制。在测试2中，修改 v1 的第一个元素（通过添加新元素）并没有影响 v2 的对应元素，这表明 v2 是 v1 的一个完全独立的副本，包括其包含的所有元素。

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？
是，模板类 vector 的接口 at() 至少需要提供一个 const 成员函数版本。这是因为 const 成员函数允许在常量对象上调用，而不会破坏对象的常量性。在测试1和测试2中， at() 方法被用于常量 vector 对象（如 v2），这表明需要一个 const 版本的 at() 方法来支持这种用法。vector 的 at() 方法有两个版本：一个非 const 版本用于修改元素，一个 const 版本用于在常量对象上读取元素。

 

实验任务3

#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;
}

#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();
}

结果截图

 

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？
深复制。

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返回值类型前面加const掉，针对这个测试代码，是否有潜在安全隐患？
不能正确运行。
具有安全隐患。

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。
可以改成vectorInt。将assign()方法的返回值类型改为vectorInt并不会改变方法的实际功能。它仍然会释放当前对象占用的资源，并根据传入的vectorInt对象重新分配资源并复制内容。

 

实验任务4

#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
// xxx
// 构造函数，构造一个n*m的矩阵  
Matrix::Matrix(int n, int m) : lines(n), cols(m), ptr(new double[n * m]) {  
    clear(); // 初始化为0  
}  
  
// 构造函数，构造一个n*n的矩阵  
Matrix::Matrix(int n) : Matrix(n, n) {  
    // 调用另一个构造函数  
}  
  
// 复制构造函数，使用已有的矩阵x构造  
Matrix::Matrix(const Matrix &x) : lines(x.lines), cols(x.cols), ptr(new double[x.lines * x.cols]) {  
    std::copy(x.ptr, x.ptr + x.lines * x.cols, ptr);  
}  
  
// 析构函数  
Matrix::~Matrix() {  
    delete[] ptr;  
}  
  
// 用pvalue指向的连续内存块数据按行为矩阵赋值  
void Matrix::set(const double *pvalue) {  
    assert(pvalue != nullptr && "pvalue is nullptr");  
    std::copy(pvalue, pvalue + lines * cols, ptr);  
}  
  
// 把矩阵对象的值置0  
void Matrix::clear() {  
    std::fill(ptr, ptr + lines * cols, 0.0);  
}  
  
// 返回矩阵对象索引(i,j)的元素const引用  
const double& Matrix::at(int i, int j) const {  
    assert(i >= 0 && i < lines && j >= 0 && j < cols && "Index out of bounds");  
    return ptr[i * cols + j];  
}  
  
// 返回矩阵对象索引(i,j)的元素引用  
double& Matrix::at(int i, int j) {  
    assert(i >= 0 && i < lines && j >= 0 && j < cols && "Index out of bounds");  
    return ptr[i * cols + j];  
}  
  
// 返回矩阵对象行数  
int Matrix::get_lines() const {  
    return lines;  
}  
  
// 返回矩阵对象列数  
int Matrix::get_cols() const {  
    return cols;  
}  
  
// 按行显示矩阵对象元素值  
void Matrix::display() const {  
    for (int i = 0; i < lines; ++i) {  
        for (int j = 0; j < cols; ++j) {  
            cout << at(i, j) << " ";  
        }  
        cout << endl;  
    }  
} 

#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] = {7, 9, 3, 2, 6, 4, 1, 5, 8};

    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();
}

结果截图

 

 

实验任务5

// user.hpp  
#ifndef USER_HPP  
#define USER_HPP  
  
#include <string>  
#include <iostream>  
#include <limits>  
  
class User {  
private:  
    std::string name;  
    std::string password;  
    std::string email;  
  
    // 辅助函数，用于检查邮箱是否合法  
    bool is_valid_email(const std::string& email) const {  
        // 简单的邮箱验证逻辑，可以根据需要扩展  
        return email.find('@') != std::string::npos && email.find('.') != std::string::npos;  
    }  
  
public:  
    // 构造函数  
    User(const std::string& name, const std::string& password = "123456", const std::string& email = "")  
        : name(name), password(password), email(email) {}  
  
    // 设置邮箱的函数  
    void set_email() {  
        std::string input;  
        while (true) {  
            std::cout << "Enter email address: ";  
            std::cin >> input;  
  
            // 清除可能存在的输入错误状态  
            std::cin.clear();  
            // 忽略之前的输入，包括换行符  
            std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');  
  
            if (is_valid_email(input)) {  
                email = input;  
                std::cout << "email is set successfully... "<< std::endl; 
                break;  
            } else {  
                std::cout << "illegal email. Please re-enter. "<< std::endl; 
            }  
        }  
    }  
  
    // 修改密码的函数  
    void change_password() {  
        std::string old_password, new_password;  
        int attempt = 0;  
  
        while (attempt < 3) {  
            std::cout << "Enter old password: ";  
            std::cin >> old_password;  
            if (old_password == password) {  
                break;  
            } else {  
                attempt++;  
                std::cout << "password input error. Please re-enter. " << std::endl;  
            }  
        }  
  
        if (attempt == 3) {  
            std::cout << "password input error. Please try after a while." << std::endl;  
            return;  
        }  
  
        std::cout << "Enter new password: ";  
        std::cin >> new_password;  
        password = new_password;  
        std::cout << "new password is set successfully..."<< std::endl; 
    }  
  
    // 显示用户信息的函数  
    void display() const {  
        std::cout << "name: " << name << std::endl;
        std::cout << "pass: ";  
        for (char c : password) {  
            std::cout << '*';  
        }  
        std::cout << std::endl;  
        std::cout << "email: " << email << std::endl;  
    }  
};  
  
#endif // USER_HPP

#include "user.hpp"
#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();
}

结果截图

 

实验任务6

#ifndef __DATE_H__
#define __DATE_H__
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;
    }
};
#endif //__DATE_H__

#include "date.h"
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
namespace {    
    const int DAYS_BEFORE_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_BEFORE_MONTH[month - 1] + day;
    if (isLeapYear() && month > 2) totalDays++;
}
int Date::getMaxDay() const {
    if (isLeapYear() && month == 2)
        return 29;
    else
        return DAYS_BEFORE_MONTH[month]- DAYS_BEFORE_MONTH[month - 1];
}
void Date::show() const {
    cout << getYear() << "-" << getMonth() << "-" << getDay();
}

#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
#include "date.h"
#include <string>
class SavingsAccount { 
private:
    std::string id;        
    double balance;        
    double rate;        
    Date lastDate;        
    double accumulation;    
    static double total;    
    
    void record(const Date &date, double amount, const std::string &desc);
    
    void error(const std::string &msg) const;
    
    double accumulate(const Date& date) const {
        return accumulation + balance * date.distance(lastDate);
    }
public:
    
    SavingsAccount(const Date &date, const std::string &id, double rate);
    const std::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 std::string &desc);
    
    void withdraw(const Date &date, double amount, const std::string &desc);
    
    void settle(const Date &date);
    
    void show() const;
};
#endif //__ACCOUNT_H__

#include "account.h"
#include <cmath>
#include <iostream>
using namespace std;
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;
}

#include "account.h"
#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;
}

结果截图