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实验2 类和对象_基础编程1

时间：2024-10-29 23:32:03浏览次数：1  
标签：std const 对象 编程 down int Complex 实验 Fraction

一、实验目的

  • 加深对OOP中类、对象的理解，能够解释类的封装、类的接口
  • 会使用C++语法规则正确定义、实现、测试类；会使用类创建对象，并基于对象编程
  • 针对具体问题场景，练习运用面向对象思维进行设计，合理利用C++语言特性（访问权限控制,static, friend, const)，在数据共享和保护之间达到平衡
  • 会用多文件方式组织代码
  • 加深对C++内存资源管理技术的理解，能够解释构造函数、析构函数的用途，分析它们何时会被调用

二、任务内容

实验任务1

t.h

#pragma once

#include <string>

// 类T: 声明
class T {
// 对象属性、方法
public:
    T(int x = 0, int y = 0);   // 普通构造函数
    T(const T &t);  // 复制构造函数
    T(T &&t);       // 移动构造函数
    ~T();           // 析构函数

    void adjust(int ratio);      // 按系数成倍调整数据
    void display() const;           // 以(m1, m2)形式显示T类对象信息

private:
    int m1, m2;

// 类属性、方法
public:
    static int get_cnt();          // 显示当前T类对象总数

public:
    static const std::string doc;       // 类T的描述信息
    static const int max_cnt;           // 类T对象上限

private:
    static int cnt;         // 当前T类对象数目

// 类T友元函数声明
    friend void func();
};

// 普通函数声明
void func();

t.cpp

// 类T: 实现
// 普通函数实现

#include "t.h"
#include <iostream>
#include <string>

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

// static成员数据类外初始化
const std::string T::doc{"a simple class sample"};
const int T::max_cnt = 999;
int T::cnt = 0;


// 对象方法
T::T(int x, int y): m1{x}, m2{y} { 
    ++cnt; 
    cout << "T constructor called.\n";
} 

T::T(const T &t): m1{t.m1}, m2{t.m2} {
    ++cnt;
    cout << "T copy constructor called.\n";
}

T::T(T &&t): m1{t.m1}, m2{t.m2} {
    ++cnt;
    cout << "T move constructor called.\n";
}    

T::~T() {
    --cnt;
    cout << "T destructor called.\n";
}           

void T::adjust(int ratio) {
    m1 *= ratio;
    m2 *= ratio;
}    

void T::display() const {
    cout << "(" << m1 << ", " << m2 << ")" ;
}     

// 类方法
int T::get_cnt() {
   return cnt;
}

// 友元
void func() {
    T t5(42);
    t5.m2 = 2049;
    cout << "t5 = "; t5.display(); cout << endl;
}

task1.cpp

#include "t.h"
#include <iostream>

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

void test();

int main() {
    test();
    cout << "\nmain: \n";
    cout << "T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl;
}

void test() {
    cout << "test class T: \n";
    cout << "T info: " << T::doc << endl;
    cout << "T objects'max count: " << T::max_cnt << endl;
    cout << "T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl << endl;


    T t1;
    cout << "t1 = "; t1.display(); cout << endl;

    T t2(3, 4);
    cout << "t2 = "; t2.display(); cout << endl;

    T t3(t2);
    t3.adjust(2);
    cout << "t3 = "; t3.display(); cout << endl;

    T t4(std::move(t2));
    cout << "t3 = "; t4.display(); cout << endl;

    cout << "T objects'current count: " << T::get_cnt() << endl;

    func();
}

运行结果：

 

问题1： t.h中，普通函数 func 作为类X的友元，在类的内部声明了友元关系。在类外部，去掉line36，重 新编译，是否能正确运行。如果能，回答说明可以去掉line36。如果不能，以截图形式给出编译报 错信息，分析可能的原因。

 

报错如下：

 

错误原因：
只在类内部声明友元函数时，这个时候编译器无法找到函数的声明，所以必须在类外部声明。

 

 

问题2： t.h中，line9-12给出了各种构造函数、析构函数。总结各种构造函数的功能，以及它们与析构函数 的调用时机。

  1. 普通构造函数 T(int x = 0, int y = 0)：

    • 功能：创建 T 类的对象，初始化对象的属性 m1 和 m2。并且可以通过参数传递自定义的初始值，若未提供则默认初始化的值为 0。
    • 调用时机：在创建 T 类对象时自动调用，如例中 T obj(5, 10);。

  2. 复制构造函数 T(const T &t)：

    • 功能：通过已有的 T 类对象来创建新对象，通常用于实现新的对象的复制。在复制时，会将传入对象 t 的 m1 和 m2 属性复制到新对象中。
    • 调用时机：当用一个已有对象初始化另一个对象时，函数自动调用，例如 T obj2(obj);。

  3. 移动构造函数 T(T &&t)：

    • 功能：将已有对象的值移动给同类的一个新对象。移动构造函数通常会将原对象的属性值给新对象，同时将原对象的属性置为无效状态。
    • 调用时机：当用一个临时对象初始化另一个对象时，自动调用，例如 T obj3(std::move(obj2));。

  4. 析构函数 ~T()：

    • 功能：用于在对象生命周期结束时释放对象占用的资源，例如释放动态分配的内存。
    • 调用时机：当对象生命周期结束，或者对象超出作用域时自动调用，例如，当 obj、obj2 或 obj3 的作用域结束时，析构函数会被调用。

 

 

问题3： t.cpp中，line13-15，调整到t.h，重新编译，程序能否正确编译运行。
重新编译，程序能正确编译运行。说明static成员数据可以在头文件中（类外）初始化。    

实验任务2

Complex.h

#ifndef COMPLEX_H
#define COMPLEX_H

#include <cmath>
#include <string>

class Complex {
  double real;
  double imag;

public:

  Complex();
  Complex(double real);
  Complex(double real, double imag);
  Complex(const Complex &other);

  double get_real() const;
  double get_imag() const;

  void add(const Complex &other);
  friend Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2);

  friend bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);
  friend bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2);

  friend void output(const Complex &c);
  friend double abs(const Complex &c);
  
public:
     static const std::string doc;
};

#endif // COMPLEX_H

Complex.cpp

#include "Complex.h"
#include <bits/stdc++.h>

const std::string Complex::doc = "a simplified complex class";

Complex::Complex() : real(0), imag(0) {}
Complex::Complex(double real) : real(real), imag(0) {}
Complex::Complex(double real, double imag) : real(real), imag(imag) {}
Complex::Complex(const Complex &other) : real(other.real), imag(other.imag) {}
double Complex::get_real() const { return real; }
double Complex::get_imag() const { return imag; }

void Complex::add(const Complex &other) {
  real += other.real;
  imag += other.imag;
}

Complex add(const Complex &c1, const Complex &c2) {
  return Complex(c1.real + c2.real, c1.imag + c2.imag);
}

bool is_equal(const Complex &c1, const Complex &c2) {
  return c1.real == c2.real && c1.imag == c2.imag;
}

bool is_not_equal(const Complex &c1, const Complex &c2) {
  return c1.real != c2.real || c1.imag != c2.imag;
}

void output(const Complex &c) {
  if (c.imag == 0) {
    std::cout << c.real;
  }
  else if (c.imag > 0) {
    std::cout << c.real << "+" << c.imag << "i";
  }
  else {
    std::cout << c.real << c.imag << "i";
  }
}

double abs(const Complex &c) {
  return std::sqrt(c.real * c.real + c.imag * c.imag);
}

task2.cpp

#include "Complex.h"
#include <iostream>

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

void test() {
  cout << "类成员测试: " << endl;
  cout << Complex::doc << endl;

  cout << endl;

  cout << "Complex对象测试: " << endl;
  Complex c1;
  Complex c2(3, -4);
  const Complex c3(3.5);
  Complex c4(c3);

  cout << "c1 = ";
  output(c1);
  cout << endl;
  cout << "c2 = ";
  output(c2);
  cout << endl;
  cout << "c3 = ";
  output(c3);
  cout << endl;
  cout << "c4 = ";
  output(c4);
  cout << endl;
  cout << "c4.real = " << c4.get_real() << ", c4.imag = " << c4.get_imag()
       << endl;

  cout << endl;

  cout << "复数运算测试: " << endl;
  cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
  c1.add(c2);
  cout << "c1 += c2, c1 = ";
  output(c1);
  cout << endl;
  cout << boolalpha;
  cout << "c1 == c2 : " << is_equal(c1, c2) << endl;
  cout << "c1 != c3 : " << is_not_equal(c1, c3) << endl;
  c4 = add(c2, c3);
  cout << "c4 = c2 + c3, c4 = ";
  output(c4);
  cout << endl;
}

int main() { test(); }

运行结果：

 

实验任务3

task3.cpp

#include <complex>
#include <iostream>

using std::boolalpha;
using std::complex;
using std::cout;
using std::endl;

void test() {
  cout << "标准库模板类complex测试: " << endl;
  complex<double> c1;
  complex<double> c2(3, -4);
  const complex<double> c3(3.5);
  complex<double> c4(c3);

  cout << "c1 = " << c1 << endl;
  cout << "c2 = " << c2 << endl;
  cout << "c3 = " << c3 << endl;
  cout << "c4 = " << c4 << endl;
  cout << "c4.real = " << c4.real() << ", c4.imag = " << c4.imag() << endl;
  cout << endl;

  cout << "复数运算测试: " << endl;
  cout << "abs(c2) = " << abs(c2) << endl;
  c1 += c2;
  cout << "c1 += c2, c1 = " << c1 << endl;
  cout << boolalpha;
  cout << "c1 == c2 : " << (c1 == c2) << endl;
  cout << "c1 != c3 : " << (c1 != c3) << endl;
  c4 = c2 + c3;
  cout << "c4 = c2 + c3, c4 = " << c4 << endl;
}

int main() { test(); }

运行结果：

 

问题1：

答：输出复数时能直接使用cout，而不用调用output()函数；在进行+=、+等运算时，能够像数字运算一样直接进行；在判断是否相等时，能够用==、!=等符号来判断。

问题2：

答：标准库complex模板类方便使用复数时的操作。而同样的功能需要我们使用自定义的函数实现。

 实验任务4

Fraction.h

// Fraction.h
#ifndef FRACTION_H
#define FRACTION_H

#include <iostream>
#include <string>

class Fraction {
public:

  Fraction(int up = 0, int down = 1); // 构造函数
  Fraction(const Fraction &other);    // 拷贝构造函数
  ~Fraction() {};                     // 析构函数

  int get_up() const;
  int get_down() const;
  Fraction negative() const;

  friend Fraction add(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
  friend Fraction sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
  friend Fraction mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
  friend Fraction div(const Fraction &f1, const Fraction &f2);
  friend void output(const Fraction &f);
  
public:
  static const std::string doc; 

private:
  int up;          // 分子
  int down;        // 分母
  void simplify(); // 化简分数
};

#endif

 Fraction.cpp

// Fraction.cpp
#include "Fraction.h"
#include <bits/stdc++.h>
#include<functional>


const std::string Fraction::doc =
    "Fraction类 v 0.01版.\n"
    "目前仅支持分数对象的构造、输出、加/减/乘/除运算.";

// 构造函数
Fraction::Fraction(int up, int down) : up(up), down(down) {
  if (down == 0) {
    throw std::invalid_argument("Denominator cannot be zero.");
  }
  simplify();
}

// 拷贝构造函数
Fraction::Fraction(const Fraction &other) : up(other.up), down(other.down) {}
// 获取分子
int Fraction::get_up() const { return up; }
// 获取分母
int Fraction::get_down() const { return down; }
// 求负
Fraction Fraction::negative() const { return Fraction(-up, down); }
// 分数加法
Fraction add(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
  int up = f1.up * f2.down + f2.up * f1.down;
  int down = f1.down * f2.down;
  return Fraction(up, down);
}

// 分数减法
Fraction sub(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
  int up = f1.up * f2.down - f2.up * f1.down;
  int down = f1.down * f2.down;
  return Fraction(up, down);
}

// 分数乘法
Fraction mul(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
  int up = f1.up * f2.up;
  int down = f1.down * f2.down;
  return Fraction(up, down);
}

// 分数除法
Fraction div(const Fraction &f1, const Fraction &f2) {
  if (f2.up == 0) {
    throw std::invalid_argument("Denominator cannot be zero.");
  }
  int up = f1.up * f2.down;
  int down = f1.down * f2.up;
  return Fraction(up, down);
}

// 输出分数
void output(const Fraction &f) {
  if (f.down == 1) {
    std::cout << f.up;
    return;
  }
  std::cout << f.up << "/" << f.down;
}

// 化简分数
void Fraction::simplify() {
  int gcd =std::gcd(abs(up), abs(down));
  up /= gcd;
  down /= gcd;
  if (down < 0) {
    up = -up;
    down = -down;
  }
}

task4.cpp

#include "Fraction.h"
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;
void test1() {
  cout << "Fraction类测试: " << endl;
  cout << Fraction::doc << endl << endl;

  Fraction f1(5);
  Fraction f2(3, -4), f3(-18, 12);
  Fraction f4(f3);
  cout << "f1 = ";
  output(f1);
  cout << endl;
  cout << "f2 = ";
  output(f2);
  cout << endl;
  cout << "f3 = ";
  output(f3);
  cout << endl;
  cout << "f4 = ";
  output(f4);
  cout << endl;

  Fraction f5(f4.negative());
  cout << "f5 = ";
  output(f5);
  cout << endl;
  cout << "f5.get_up() = " << f5.get_up()
       << ", f5.get_down() = " << f5.get_down() << endl;

  cout << "f1 + f2 = ";
  output(add(f1, f2));
  cout << endl;
  cout << "f1 - f2 = ";
  output(sub(f1, f2));
  cout << endl;
  cout << "f1 * f2 = ";
  output(mul(f1, f2));
  cout << endl;
  cout << "f1 / f2 = ";
  output(div(f1, f2));
  cout << endl;
  cout << "f4 + f5 = ";
  output(add(f4, f5));
  cout << endl;
}

void test2() {
  Fraction f6(42, 55), f7(0, 3);
  cout << "f6 = ";
  output(f6);
  cout << endl;
  cout << "f7 = ";
  output(f7);
  cout << endl;
  cout << "f6 / f7 = ";
  output(div(f6, f7));
  cout << endl;
}

int main() {
  cout << "测试1: Fraction类基础功能测试\n";
  test1();
  cout << "\n测试2: 分母为0测试: \n";
  test2();
}

运行结果：

 

实验任务5

account.h

  
#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
class SavingsAccount { //储蓄账户类
private:
    int id;                //账号
    double balance;        //余额
    double rate;        //存款的年利率
    int lastDate;        //上次变更余额的时期
    double accumulation;    //余额按日累加之和
    static double total;    //所有账户的总金额
    //记录一笔帐，date为日期，amount为金额，desc为说明
    void record(int date, double amount);
    //获得到指定日期为止的存款金额按日累积值
    double accumulate(int date) const {
        return accumulation + balance * (date - lastDate);
    }
public:
    //构造函数
    SavingsAccount(int date, int id, double rate);
    int getId() const { return id; }
    double getBalance() const { return balance; }
    double getRate() const { return rate; }
    static double getTotal() { return total; }
    void deposit(int date, double amount);         //存入现金
    void withdraw(int date, double amount);     //取出现金
    //结算利息，每年1月1日调用一次该函数
    void settle(int date);
    //显示账户信息
    void show() const;
};
#endif //__ACCOUNT_H__

account.cpp

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

double SavingsAccount::total = 0;
//SavingsAccount类相关成员函数的实现
SavingsAccount::SavingsAccount(int date, int id, double rate)
        : id(id), balance(0), rate(rate), lastDate(date), accumulation(0) {
    cout << date << "\t#" << id << " is created" << endl;
}
void SavingsAccount::record(int date, double amount) {
    accumulation = accumulate(date);
    lastDate = date;
    amount = floor(amount * 100 + 0.5) / 100;    //保留小数点后两位
    balance += amount;
    total += amount;
    cout << date << "\t#" << id << "\t" << amount << "\t" << balance << endl;
}
void SavingsAccount::deposit(int date, double amount) {
    record(date, amount);
}
void SavingsAccount::withdraw(int date, double amount) {
    if (amount > getBalance())
        cout << "Error: not enough money" << endl;
    else
        record(date, -amount);
}
void SavingsAccount::settle(int date) {
    double interest = accumulate(date) * rate / 365;    //计算年息
    if (interest != 0)
        record(date, interest);
    accumulation = 0;
}
void SavingsAccount::show() const {
    cout << "#" << id << "\tBalance: " << balance;
}

5_11.cpp

#include "account.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    //建立几个账户
    SavingsAccount sa0(1, 21325302, 0.015);
    SavingsAccount sa1(1, 58320212, 0.015);
    //几笔账目
    sa0.deposit(5, 5000);
    sa1.deposit(25, 10000);
    sa0.deposit(45, 5500);
    sa1.withdraw(60, 4000);
    //开户第90天到了银行的计息日，结算所有账户的年息
    sa0.settle(90);
    sa1.settle(90);
    //输出各个账户信息
    sa0.show();    cout << endl;
    sa1.show();    cout << endl;
    cout << "Total: " << SavingsAccount::getTotal() << endl;
    return 0;
}

运行测试结果截图：

 

分析 优点：1.此储蓄账户类的设计增加了const修饰成员函数，一定程度上增加了账户的安全性。            2.增加了静态数据成员total记录账户总金额，使用户使用更便捷。 不足：1.此储蓄账户的安全性不足，主要体现在没有设计密码成员，导致查询余额等函数接口不安全。            2.在结息时操作数据精度不够的问题  

三、实验总结

1. 理解类和对象：

  •  通过定义和实现不同类，加深了对类和对象的理解。
  •  学习了如何封装数据和方法，以及管理对象生命周期。

2. 应用C++特性：

  • 练习使用C++的访问控制、static、friend和const等特性。
  • 这些特性帮助在数据共享和保护之间找到平衡，提高代码灵活性和安全性。

3. 多文件代码组织：

  • 学习将类定义和实现分离到不同文件，提高代码可读性和维护性。

4. 内存资源管理：

  • 深入理解构造函数和析构函数的用途及其调用时机。

 

 

标签：std,const,对象,编程,down,int,Complex,实验,Fraction
From： https://www.cnblogs.com/ning0713/p/18514399

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