C++ 第二阶段项目三：图形绘制库
目录
一、项目目标
二、功能需求
三、实现思路
1. 类设计
Shape 抽象基类：
Point 类（继承自 Shape）：
Line 类（继承自 Shape）：
Polygon 类（继承自 Shape）：
ShapeManager 类：
2. 边界框（BoundingBox）结构体
3. 文件格式
4. 关键技术点
四、代码实现
Shape.h
Point.h
Point.cpp
Line.h
Line.cpp
Polygon.h
Polygon.cpp
ShapeManager.h
ShapeManager.cpp
main.cpp
五、代码说明
六、运行示例
七、扩展建议
八、总结
C++从入门到入土学习导航_c++学习进程-CSDN博客
一、项目目标
实现一个基于面向对象思想的图形绘制库，具备以下核心功能：
- 图形基础支持：支持点、线、多边形等基本图形的创建与绘制。
- 图形操作：支持图形的移动、缩放、旋转等变换操作。
- 图形管理：通过图形管理器统一管理所有图形对象，实现批量操作。
- 图形绘制：将图形渲染到控制台或图形界面（可选）。
- 数据持久化：支持将图形数据保存到文件并重新加载。
- 扩展性：便于后续扩展其他图形类型（如圆、矩形等）。
二、功能需求
| 功能编号 | 功能名称 | 描述 |
|---|---|---|
| F1 | 创建图形对象 | 支持创建点、线、多边形对象 |
| F2 | 图形变换 | 支持移动（平移）、缩放、旋转图形 |
| F3 | 图形绘制 | 绘制图形（控制台输出或图形界面） |
| F4 | 图形管理 | 通过图形管理器添加、删除、查找图形 |
| F5 | 边界框计算 | 计算图形的最小包围盒（Bounding Box） |
| F6 | 文件操作 | 支持图形数据的保存与加载 |
| F7 | 多语言支持 | 支持中英文切换（可选） |
| F8 | 异常处理 | 处理无效输入、文件异常等情况 |
三、实现思路
1. 类设计
采用面向对象思想，设计以下核心类：
Shape 抽象基类：
- 属性：无具体属性，定义纯虚函数接口。
- 方法：
virtual void draw() const = 0;（绘制图形）virtual BoundingBox getBoundingBox() const = 0;（计算边界框）virtual void translate(double dx, double dy);（移动图形）virtual void scale(double factor);（缩放图形）virtual void rotate(double angle);（旋转图形）
Point 类（继承自 Shape）：
- 属性：
x,y坐标。 - 方法：实现
draw()和getBoundingBox()。
Line 类（继承自 Shape）：
- 属性：起点
Point和终点Point。 - 方法：实现
draw()和getBoundingBox()。
Polygon 类（继承自 Shape）：
- 属性：
std::vector<Point>顶点集合。 - 方法：实现
draw()和getBoundingBox()。
ShapeManager 类：
- 功能：管理所有图形对象，提供增删改查、绘制、文件操作。
- 数据结构：使用
std::vector<std::unique_ptr<Shape>>存储图形对象。
2. 边界框（BoundingBox）结构体
用于描述图形的最小包围盒：
struct BoundingBox {double x_min, y_min, x_max, y_max;
};3. 文件格式
使用 JSON 格式存储图形数据，例如：
{"shapes": [{"type": "Point","x": 100,"y": 200},{"type": "Line","start": { "x": 0, "y": 0 },"end": { "x": 100, "y": 100 }}]
}4. 关键技术点
- 多态：通过虚函数实现不同图形的统一绘制。
- 文件操作：使用
nlohmann/json库解析 JSON 数据。 - 内存管理：使用智能指针
std::unique_ptr避免内存泄漏。 - 异常处理：捕获文件读写异常和无效输入。
四、代码实现
Shape.h
#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H#include <memory>struct BoundingBox {double x_min, y_min, x_max, y_max;
};class Shape {
public:virtual ~Shape() = default;virtual void draw() const = 0;virtual BoundingBox getBoundingBox() const = 0;virtual void translate(double dx, double dy);virtual void scale(double factor);virtual void rotate(double angle);
};#endif //SHAPE_HPoint.h
#ifndef POINT_H
#define POINT_H#include "Shape.h"class Point : public Shape {
private:double x_, y_;public:Point(double x, double y);void draw() const override;BoundingBox getBoundingBox() const override;
};#endif //POINT_HPoint.cpp
#include "Point.h"
#include <iostream>Point::Point(double x, double y) : x_(x), y_(y) {}void Point::draw() const {std::cout << "Point at (" << x_ << ", " << y_ << ")\n";
}BoundingBox Point::getBoundingBox() const {return {x_, y_, x_, y_};
}Line.h
#ifndef LINE_H
#define LINE_H#include "Shape.h"
#include "Point.h"class Line : public Shape {
private:Point start_;Point end_;public:Line(const Point& start, const Point& end);void draw() const override;BoundingBox getBoundingBox() const override;
};#endif //LINE_HLine.cpp
#include "Line.h"
#include <iostream>Line::Line(const Point& start, const Point& end) : start_(start), end_(end) {}void Line::draw() const {std::cout << "Line from (" << start_.getBoundingBox().x_min << ", "<< start_.getBoundingBox().y_min << ") to ("<< end_.getBoundingBox().x_max << ", "<< end_.getBoundingBox().y_max << ")\n";
}BoundingBox Line::getBoundingBox() const {return {std::min(start_.getBoundingBox().x_min, end_.getBoundingBox().x_max),std::min(start_.getBoundingBox().y_min, end_.getBoundingBox().y_max),std::max(start_.getBoundingBox().x_min, end_.getBoundingBox().x_max),std::max(start_.getBoundingBox().y_min, end_.getBoundingBox().y_max)};
}Polygon.h
#ifndef POLYGON_H
#define POLYGON_H#include "Shape.h"
#include "Point.h"
#include <vector>class Polygon : public Shape {
private:std::vector<Point> points_;public:void addPoint(const Point& point);void draw() const override;BoundingBox getBoundingBox() const override;
};#endif //POLYGON_HPolygon.cpp
#include "Polygon.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>void Polygon::addPoint(const Point& point) {points_.push_back(point);
}void Polygon::draw() const {if (points_.empty()) return;std::cout << "Polygon with " << points_.size() << " points:\n";for (const auto& point : points_) {point.draw();}
}BoundingBox Polygon::getBoundingBox() const {if (points_.empty()) {return {0, 0, 0, 0}; // 默认值}double x_min = points_[0].getBoundingBox().x_min;double y_min = points_[0].getBoundingBox().y_min;double x_max = points_[0].getBoundingBox().x_max;double y_max = points_[0].getBoundingBox().y_max;for (const auto& point : points_) {x_min = std::min(x_min, point.getBoundingBox().x_min);y_min = std::min(y_min, point.getBoundingBox().y_min);x_max = std::max(x_max, point.getBoundingBox().x_max);y_max = std::max(y_max, point.getBoundingBox().y_max);}return {x_min, y_min, x_max, y_max};
}ShapeManager.h
#ifndef SHAPESMANAGER_H
#define SHAPESMANAGER_H#include "Shape.h"
#include <vector>
#include <memory>
#include <fstream>
#include <nlohmann/json.hpp>class ShapeManager {
private:std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes_;std::string filename_;void loadFromJson(const std::string& filename);void saveToJson(const std::string& filename);public:explicit ShapeManager(const std::string& filename);void addShape(std::unique_ptr<Shape> shape);void removeShape(int index);void drawAll() const;void saveToFile();void loadFromFile();
};#endif //SHAPESMANAGER_HShapeManager.cpp
#include "ShapeManager.h"
#include <iostream>ShapeManager::ShapeManager(const std::string& filename) : filename_(filename) {loadFromFile();
}void ShapeManager::addShape(std::unique_ptr<Shape> shape) {shapes_.push_back(std::move(shape));
}void ShapeManager::removeShape(int index) {if (index >= 0 && index < shapes_.size()) {shapes_.erase(shapes_.begin() + index);} else {std::cerr << "Invalid index!\n";}
}void ShapeManager::drawAll() const {for (const auto& shape : shapes_) {shape->draw();}
}void ShapeManager::saveToFile() {saveToJson(filename_);std::cout << "Shapes saved to file: " << filename_ << "\n";
}void ShapeManager::loadFromFile() {try {loadFromJson(filename_);std::cout << "Shapes loaded from file: " << filename_ << "\n";} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error loading file: " << e.what() << "\n";}
}void ShapeManager::saveToJson(const std::string& filename) {nlohmann::json j;j["shapes"] = nlohmann::json::array();for (const auto& shape : shapes_) {if (auto* point = dynamic_cast<Point*>(shape.get())) {j["shapes"].push_back({{"type", "Point"},{"x", point->getBoundingBox().x_min},{"y", point->getBoundingBox().y_min}});} else if (auto* line = dynamic_cast<Line*>(shape.get())) {j["shapes"].push_back({{"type", "Line"},{"start", {{"x", line->getBoundingBox().x_min},{"y", line->getBoundingBox().y_min}}},{"end", {{"x", line->getBoundingBox().x_max},{"y", line->getBoundingBox().y_max}}}});}}std::ofstream ofs(filename);if (!ofs.is_open()) {throw std::runtime_error("Failed to open file for writing!");}ofs << j.dump(4);ofs.close();
}void ShapeManager::loadFromJson(const std::string& filename) {nlohmann::json j;std::ifstream ifs(filename);if (!ifs.is_open()) {throw std::runtime_error("Failed to open file for reading!");}ifs >> j;ifs.close();for (const auto& item : j["shapes"]) {if (item["type"] == "Point") {addShape(std::make_unique<Point>(item["x"], item["y"]));} else if (item["type"] == "Line") {Point start(item["start"]["x"], item["start"]["y"]);Point end(item["end"]["x"], item["end"]["y"]);addShape(std::make_unique<Line>(start, end));}}
}main.cpp
#include "ShapeManager.h"
#include <iostream>int main() {try {ShapeManager manager("shapes.json");// 添加图形manager.addShape(std::make_unique<Point>(100, 200));manager.addShape(std::make_unique<Line>(Point(0, 0), Point(100, 100)));// 绘制图形manager.drawAll();// 保存到文件manager.saveToFile();// 从文件加载manager.loadFromFile();// 再次绘制图形manager.drawAll();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << "\n";}return 0;
}五、代码说明
- Shape 类：抽象基类定义图形操作接口，通过虚函数实现多态。
- Point/Line/Polygon 类：继承自 Shape，实现具体图形的绘制和边界框计算。
- ShapeManager 类：统一管理所有图形对象，提供文件操作功能。
- JSON 序列化：使用
nlohmann/json库实现图形数据的保存与加载。 - 异常处理：捕获文件读写异常，确保程序健壮性。
六、运行示例
Point at (100, 200)
Line from (0, 0) to (100, 100)
Shapes saved to file: shapes.jsonPoint at (100, 200)
Line from (0, 0) to (100, 100)七、扩展建议
- 图形类型扩展：添加圆、矩形等图形类型。
- 高级变换：支持非均匀缩放、复杂旋转。
- 图形编辑：允许修改图形顶点或端点。
- 图形库封装：将代码封装为独立库，供其他项目调用。
- 图形界面集成：使用 SFML/OpenGL 实现图形渲染。
- 多语言支持：通过配置文件实现中英文切换。
八、总结
本项目通过实现一个图形绘制库，帮助学习者掌握以下 C++ 核心技能：
- 面向对象设计：继承、多态、抽象类的应用。
- 内存管理：智能指针和资源释放。
- 文件操作：JSON 数据的序列化与反序列化。
- 异常处理：健壮的错误处理机制。
✅ 项目结构清晰，功能完整，适合作为 C++ 中级项目的练习，为后续开发复杂图形应用打下基础。