實驗三 類和物件_基礎程式設計2

實驗任務 1

button.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>

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

// 按鈕類
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;

// 視窗類
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 << "用組合類模擬簡單GUI:\n";
    test();
}

執行結果截圖：

回答問題

問題1：這個模擬簡單GUI的示例程式碼中，自定義了幾個類？使用到了標準庫的哪幾個類？， 哪些類和類之間存在組合關係？

　　答： 自定義了兩個類，分別為 button類 和 window類。

　　　　使用了標準庫中 string類 和 vector容器類。

　　　　string和button string和window button和window button和vector

問題2：在自定義類Button和Window中，有些成員函式定義時加了const, 有些設定成了 inline。如果你是類的設計者，目前那些沒有加const或沒有設定成inline的，適合新增const， 適合設定成inline嗎？你的思考依據是？

　　1、button類中的 string get_label() const；函式可以加 inline ，因為它的實現簡單。

　　2、button類中的 viod click（）函式可以改成 inline viod click（）const；因為該函式內容只有一行，且可以防止該函式修改label的值。

　　3、window類中的 viod close（）函式可以改成 inline viod close（）const ；因為該函式實現簡單，且可以防止其修改vector<button>中的值。

　　4、window類中的 viod add_button（）函式適合加inline，但不適合加 const 因為需要這個函式修改vector 容器。

問題3：類Window的定義中，有這樣一行程式碼，其功能是？

　　建立一個string類 s 並對 s 進行初始化 賦值給 s 40個‘ * ’。

實驗任務 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 << "測試1:\n";
    test1();

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

執行結果截圖：

問題1：測試1模組中，這三行程式碼的功能分別是？

　　

　　1、建立一個存放整型資料的vector容器 v1 並初始化為五個元素，每個元素的值為42.

　　2、建立一個存放整型資料的vector容器 v2 並透過深複製將 v1 的五個元素值賦值給 v2。

　　3、將 v1 的第一個元素值修改為 -999.

問題2：測試2模組中，這三行程式碼的功能分別是？

　　1、建立一個vector 容器 v1，該容器可以存放 可以存放整型資料的 vector 容器，並將 v1 初始化為{{1，2，3}，{4，5，5}}；

　　2、建立一 個不可修改的 vector 容器 v2，該容器可以存放 可以存放整型資料的 vector 容器，並透過深複製，用 v1 對 v2 進行初始化。

　　3、對 v1 的第一個 vector容器的最後新增元素 -999.

問題3：測試2模組中，這四行程式碼的功能分別是？

　　1、建立一個可以存放整型資料的 vector 容器 t1 ，並用 v1 中的第一個容器初始化 t1 。

　　2、輸出 t1 中最後一個元素。

　　3、建立一 個不可修改的可以存放整型資料的 vector 容器 t2 ，並用 v2 中的第一個容器初始化 t2 。

　　4、輸出 t2 中最後一個元素。

問題4：根據執行結果，反向分析、推斷：

① 標準庫模板類vector內部封裝的複製建構函式，其實現機制是深複製還是淺複製？

　　深複製。

　　因為透過修改 v2 的元素值，但沒有對 v1 造成影響。

② 模板類vector的介面at(), 是否至少需要提供一個const成員函式作為介面？

　　需要。

實驗任務 3

vectorint.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>

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

// 動態int陣列物件類
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個int的陣列
};

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;       // 釋放物件中ptr原來指向的資源

    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 << "測試1: \n";
    test1();

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

執行結果截圖：

閱讀、理解程式碼，與標準庫模板類vector對比，分析、觀察自定義類vectorInt的設計、實現，回答 問題：

問題1：vectorInt類中，複製建構函式（line14)的實現，是深複製還是淺複製？

　　深複製。

　　line14 的實現是透過 new 再次在堆區上開闢新的空間，然後透過值的賦值對新開闢的空間進行初始化。

問題2：vectorInt類中，這兩個at()介面，如果返回值型別改成int而非int&（相應地，實現部分也 同步修改），測試程式碼還能正確執行嗎？如果把line18返回值型別前面的const掉，針對這個測試 程式碼，是否有潛在安全隱患？嘗試分析說明。

　　不能正常執行，使用int& 可以直接對索引的位置進行值的修改。

　　存在安全隱患。可能會導致透過引用傳遞的引數可能會在函式內部被意外修改。

問題3：vectorInt類中，assign()介面，返回值型別可以改成vectorInt嗎？你的結論及原因分析。

　　不可以。在函式呼叫後函式內的類會被析構，使得返回的值不可預料。

實驗任務 4

Matrix.cpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>

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

// 類Matrix的宣告
class Matrix {
public:
    Matrix(int n, int m);           // 建構函式，構造一個n*m的矩陣, 初始值為value
    Matrix(int n);                  // 建構函式，構造一個n*n的矩陣, 初始值為value
    Matrix(const Matrix &x);        // 複製建構函式， 使用已有的矩陣X構造
    ~Matrix();

    void set(const double *pvalue);         // 用pvalue指向的連續記憶體塊資料按行為矩陣賦值
    void clear();                           // 把矩陣物件的值置0
    
    const double& at(int i, int j) const;   // 返回矩陣物件索引(i,j)的元素const引用
    double& at(int i, int j);               // 返回矩陣物件索引(i,j)的元素引用
    
    int get_lines() const;                  // 返回矩陣物件行數
    int get_cols() const;                   // 返回矩陣物件列數

    void display() const;                    // 按行顯示矩陣物件元素值

private:
    int lines;      // 矩陣物件內元素行數
    int cols;       // 矩陣物件內元素列數
    double *ptr;
};

// 類Matrix的實現：待補足
// xxx

Matrix::Matrix(int n, int m):lines(n),cols(m),ptr(new double[n*m])
{
    for (int i = 0; i < lines * cols; i++)
        ptr[i] = 0;
}

Matrix::Matrix(int n) :lines(n), cols(n), ptr(new double[n * n])
{
    for (int i = 0; i < lines * cols; i++)
        ptr[i] = 0;
}

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)
{
    assert(pvalue != nullptr);
    for (int i = 0; i < lines * cols; i++)
        ptr[i] = *(pvalue + i);
    //這裡無法判斷pvalue指標是否非法越界
}

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;
    }
    cout << endl;
}

task4.cpp

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

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


const int N = 1000;

// 輸出矩陣物件索引為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);    // 建立矩陣物件m1, 大小n×m
    m1.set(x);          // 用一維陣列x的值按行為矩陣m1賦值

    Matrix m2(m, n);    // 建立矩陣物件m1, 大小m×n
    m2.set(x);          // 用一維陣列x的值按行為矩陣m1賦值

    Matrix m3(2);       // 建立一個2×2矩陣物件
    m3.set(x);          // 用一維陣列x的值按行為矩陣m4賦值

    cout << "矩陣物件m1: \n";   m1.display();  cout << endl;
    cout << "矩陣物件m2: \n";   m2.display();  cout << endl;
    cout << "矩陣物件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 << "矩陣物件m1第0行: "; output(m1, 0);
    cout << "矩陣物件m2第0行: "; output(m2, 0);
}

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

    cout << "測試2: \n";
    test2();
}

執行結果截圖：

double x[1000] = { 2,4,6,8,10,12,14,16,18,20 };

實驗任務 5

user.cpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#include<iomanip>
using namespace std;

class User
{
public:
    User(string Name, string Password = "112233", string Email = "xyz@gmail.com");
    

    void set_email();

    void change_password();

    void display()const;


private:
    string name;
    string password;
    string email;


};



User::User(string Name,string Password,string Email):name(Name),password(Password),email(Email){}

void User::set_email()
{
    cout << "Enter email address: ";
    string Email;
    label:
    cin >> Email;
    if (Email.find('@') != string::npos)
    {
        email = Email;
        cout << "email is set successfully..." << endl;
    }
    else
    {
        cout << "illegal email. Please re-enter email: ";
        goto label;
    }
}

void User::change_password()
{
    cout << "Enter old password: ";
    int count = 0;
    string Password;
    label:
    cin >> Password;
    count++;
    if (password == Password)
    {
        cout << "Enter new password: ";
        cin >> Password;
        password = Password;
        cout << "new password is set successfully..." << endl;
    }
    else
    {
        cout << "password input error. ";
        if (count >= 3) { cout << "Please try after a while." << endl; count = 0; }
        else { cout << "Please re-enter angain: "; goto label; }
    }
}

void User::display()const
{
    cout << left << setw(10) << "name:" << name << endl;
    string p(password.length(), '*');
    cout << left << setw(10) << "pass:" << p << endl;
    cout << left << setw(10) << "email:" << email << endl;
}

task5.cpp

#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();
}

執行結果截圖：

實驗任務 6

date.h

//date.h
#ifndef __DATE_H__
#define __DATE_H__
class Date {
    //日期類
private:
    int year;
    //年
    int month;
    //月
    int day;
    //日
    int totalDays;
    //該日期是從公元元年1月1日開始的第幾天
public:
    Date(int year, int month, int day);
    //用年、月、日構造日期
    int getYear() const { return year; }
    int getMonth() const { return month; }
    int getDay() const { return day; }
    int getMaxDay() const;
    //獲得當月有多少天
    bool isLeapYear() const {
        //判斷當年是否為閏年
        return year % 4 == 0 && year % 100!= 0 || year % 400 == 0;
    }
    void show() const;
    //輸出當前日期
    int distance(const Date& date) const {
        return totalDays - date.totalDays;
    }
};
#endif //__DATE_H__

date.cpp

//date.cpp
#include "date.h"
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
namespace {
    //namespace使下面的定義只在當前檔案中有效
    const int DAYS_BEFORE_MONTH[] = {0, 31, 59, 90, 120, 151, 181, 212, 243, 273, 304, 334, 356};
}
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();
}

account.h

//account.h
#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
#include "date.h"
#include <string>
class SavingsAccount {
    //儲蓄賬戶類
private:
    std::string id;
    //賬號
    double balance;
    //餘額
    double rate;
    //存款的年利率
    Date lastDate;
    //上次變更餘額的時期
    double accumulation;
    //按日累加以和
    static double total;
    //所有賬戶的總金額
    //記錄一筆賬，date為日期，amount為金額，desc為說明
    void record(const Date &date, double amount, const std::string &desc);
    //報告錯誤資訊
    void error(const std::string &msg) const;
    //獲得指定日期為止的存款金額按日累增值
    double accumulate(const Date &date) const {
        return accumulation + balance * date.distance(lastDate);
    }
public:
    //建構函式
    SavingsAccount(const Date &date, const std::string &id, double rate);
    //獲得賬號
    const std::string &getId() const { return id; }
    //獲得餘額
    double getBalance() const { return balance; }
    //獲得年利率
    double getRate() const { return rate; }
    static double getTotal() { return total; }
    //存入現金
    void deposit(const Date &date, double amount, const std::string &desc);
    //取出現金
    void withdraw(const Date &date, double amount, const std::string &desc);
    //結算利息，每年1月1日呼叫一次該函式
    void settle(const Date &date);
    //顯示賬戶資訊
    void show() const;
};
#endif //__ACCOUNT_H__

account.cpp

//account.cpp
#include "account.h"
#include <cmath>
#include <iostream>
using namespace std;
double SavingsAccount::total = 0;
//SavingsAccount類相關成員函式的實現
SavingsAccount::SavingsAccount(const Date &date, 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;
    //保留小數點後兩位
    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: " << id << "\tBalance: " << balance;
}

task6.cpp

//6.25.cpp
#include "account.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    Date date(2008, 11, 1);
    //起始日期
    //建立幾個賬戶
    SavingsAccount accounts[] = {
            SavingsAccount(date, "03755217", 0.015),
            SavingsAccount(date, "02342342", 0.015)
    };
    //幾筆賬目
    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");
    //結算所有賬戶並輸出各個賬戶資訊
    cout << endl;
    for (int i = 0; i < sizeof(accounts) / sizeof(SavingsAccount); i++) {
        accounts[i].settle(Date(2009, 1, 1));
        accounts[i].show();
        cout << endl;
    }
    cout << "Total: " << SavingsAccount::getTotal() << endl;
    return 0;
}

執行結果截圖：

閱讀、理解程式碼，分析這一版在類的抽象設計和實現上做了哪些改進。

1、將資料成員設為私有類，並透過公有函式介面進行獲取和修改，確保了資料的安全性和一致性。

2、功能的完整性，Date類中為日期的計算提供了便利，提供了判斷閏年、獲取當月最大天數的函式，增強了類的實用性。

關注教材程式碼在實現細節上，是否有可以最佳化的部分？基於你的發現，改進、最佳化一些程式碼細節。

1、應儘量避免使用 using namespace std 這種全域性的名稱空間引用方式。

2、Date類中當日期無效時直接呼叫 exit(0) 退出程式過於粗暴，可以丟擲異常，讓使用者自行決定是否修改日期。

3、在日期計算和利息計算時可以進行最佳化修改。