封装Fraction-分数类(C++)
Fraction 分数类
默认假分数,可自行修改
由于concept的原因
template <typename T>
concept is_float_v = std::is_floating_point<T>::value;
template <typename T>
concept arithmetic = std::is_arithmetic<T>::value;
需要c++20,若要c++17可用enable来替代
前两个define是是否总是约分和是否检查上溢的开关
Code
// C++20
#include <cassert>
#include <cmath>
#include <concepts>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <type_traits>
//#define Always_Reduce
//#define Check_Overflow
#ifdef Check_Overflow
#define Check_Add_Overflow(a, b) assert(((a) + (b) - (b)) == (a))
#define Check_Mul_Overflow(a, b) assert(((a) * (b) / (b)) == (a))
#else
#define Check_Add_Overflow(a, b) 114514
#define Check_Mul_Overflow(a, b) 114514
#endif
template <std::integral T>
inline T gcd(T a, T b) {
assert((a >= 0) && (b >= 0));
if (a == 0) return b;
if (b == 0) return a;
T r;
while (r = a % b) a = b, b = r;
return b;
}
template <typename T>
concept is_float_v = std::is_floating_point<T>::value;
template <typename T>
concept arithmetic = std::is_arithmetic<T>::value;
class Fraction {
private:
bool m_minus;
long long m_numerator;
long long m_denominator;
public:
Fraction() : m_minus(false), m_numerator(0), m_denominator(1) {}
Fraction(long long numerator, long long denominator)
: m_numerator(std::abs(numerator)), m_denominator(std::abs(denominator)), m_minus((numerator < 0) ^ (denominator < 0)) {
assert(m_denominator != 0);
reduce();
}
explicit Fraction(std::string x) {
try {
std::stold(x);
} catch (std::exception e) {
std::stringstream msg;
msg << "The argument \"std::string x\"(" << x << ") is invalid";
throw std::runtime_error(msg.str());
}
std::stringstream number;
int digits = 0;
bool flag = false;
int len = x.size();
for (int i = 0; i < len; ++i) {
const auto& c = x[i];
if (i == 0) {
m_minus = (c == '-');
if (c == '-') continue;
}
if (c == '.') {
flag = true;
continue;
}
number << c;
if (flag) ++digits;
}
m_numerator = std::stoll(number.str());
m_denominator = 1;
long long base = 10;
for (; digits; digits >>= 1, base *= base)
if (digits & 1) m_denominator *= base;
reduce();
}
Fraction(const Fraction& frac) : m_numerator(frac.m_numerator), m_denominator(frac.m_denominator), m_minus(frac.m_minus) {}
template <is_float_v T>
Fraction(T x) : Fraction(std::to_string(x)) {}
template <std::integral T>
Fraction(T x) : m_minus(x < 0), m_numerator(std::abs(x)), m_denominator(1) {}
~Fraction() {}
void set(long long numerator, long long denominator) {
m_minus = (numerator < 0) ^ (denominator < 0);
m_numerator = std::abs(numerator), m_denominator = std::abs(denominator);
reduce();
}
void set_numerator(long long numerator) {
m_minus = m_minus ^ (numerator < 0);
m_numerator = std::abs(numerator);
reduce();
}
void set_Denominator(long long denominator) {
assert(denominator != 0);
m_minus = m_minus ^ (denominator < 0);
m_denominator = std::abs(denominator);
reduce();
}
void set_sign(bool flag) { m_minus = m_minus ^ (flag == 0); }
Fraction operator-() const { return Fraction((m_minus ? 1 : -1) * m_numerator, m_denominator); }
Fraction operator~() const { return Fraction((m_minus ? -1 : 1) * m_denominator, m_numerator); }
Fraction operator+(const Fraction& frac) const {
long long mu = m_denominator * frac.DenominatorPart();
long long t1 = m_numerator * frac.DenominatorPart(), t2 = frac.NumeratorPart() * m_denominator;
Check_Add_Overflow(t1, t2);
Check_Mul_Overflow(m_numerator, frac.DenominatorPart());
Check_Mul_Overflow(m_denominator, frac.NumeratorPart());
Check_Mul_Overflow(m_denominator, frac.DenominatorPart());
long long t = t1 + t2;
#ifdef Always_Reduce
long long g = std::abs(gcd(t, mu));
return Fraction(t / g, mu / g);
#endif
return Fraction(t, mu);
}
Fraction operator-(const Fraction& frac) { return (*this) + (-frac); }
Fraction operator*(const Fraction& frac) {
long long z = m_numerator * frac.NumeratorPart(), m = m_denominator * frac.DenominatorPart();
Check_Mul_Overflow(m_numerator, frac.NumeratorPart());
Check_Mul_Overflow(m_denominator, frac.DenominatorPart());
#ifdef Always_Reduce
long long g = gcd(z, m);
return Fraction((m_minus ^ (frac.SignPart() == 0) ? -1ll : 1ll) * z / g, m / g);
#endif
return Fraction((m_minus ^ (frac.SignPart() == 0) ? -1ll : 1ll) * z, m);
}
Fraction operator/(const Fraction& frac) { return (*this) * (~frac); }
Fraction& operator*=(const Fraction& frac) { return (*this) = (*this) * frac; }
Fraction& operator/=(const Fraction& frac) { return (*this) = (*this) / frac; }
Fraction& operator+=(const Fraction& frac) { return (*this) = (*this) + frac; }
Fraction& operator-=(const Fraction& frac) { return (*this) = (*this) - frac; }
template <arithmetic T>
friend Fraction& operator+(T x, const Fraction& frac) { return frac + x; }
template <arithmetic T>
friend Fraction& operator-(T x, const Fraction& frac) { return -(frac - x); }
template <arithmetic T>
friend Fraction& operator*(T x, const Fraction& frac) { return frac * x; }
template <arithmetic T>
friend Fraction& operator/(T x, const Fraction& frac) { return ~(frac / x); }
friend long long compare(const Fraction& a, const Fraction& b) {
long long t1 = a.SignPart() * a.NumeratorPart() * b.DenominatorPart();
long long t2 = b.SignPart() * b.NumeratorPart() * a.DenominatorPart();
Check_Add_Overflow(t1, t2);
Check_Mul_Overflow(a.NumeratorPart(), b.DenominatorPart());
Check_Mul_Overflow(b.NumeratorPart(), a.DenominatorPart());
return t1 - t2;
}
friend bool operator==(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) == 0; }
friend bool operator!=(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) != 0; }
friend bool operator>(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) > 0; }
friend bool operator<(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) < 0; }
friend bool operator>=(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) >= 0; }
friend bool operator<=(const Fraction& left, const Fraction& right) { return compare(left, right) <= 0; }
[[nodiscard]] inline long long NumeratorPart() const { return m_numerator; }
[[nodiscard]] inline long long DenominatorPart() const { return m_denominator; }
[[nodiscard]] inline bool SignPart() const { return !m_minus; }
[[nodiscard]] long long IntegerPart() const { return m_numerator / m_denominator; }
[[nodiscard]] std::pair<long long, long long> FractionPart() const { return {m_numerator % m_denominator, m_denominator}; }
[[nodiscard]] float toFloat() const { return static_cast<float>(toLDouble()); }
[[nodiscard]] double toDouble() const { return static_cast<double>(toLDouble()); }
[[nodiscard]] long double toLDouble() const { return static_cast<long double>(m_minus ? -1.0 : 1.0) * m_numerator / m_denominator; }
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Fraction& frac) {
if (frac.m_minus) os << '-';
os << frac.m_numerator << "/" << frac.m_denominator;
return os;
}
inline void reduce() {
#ifdef Always_Reduce
auto tmp = std::abs(gcd(m_numerator, m_denominator));
m_numerator /= tmp, m_denominator /= tmp;
#endif
}
};
Fraction pow(Fraction f, long long b) {
Fraction ret(1ll);
for (; b; b >>= 1, f = f * f)
if (b & 1) ret = f * ret;
return ret;
}
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