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c++|C++之string类(·标准库中的string类·string类的模拟实现)

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【本节目标】
·1. 为什么要学习string类
·2. 标准库中的string类
·3. string类的模拟实现
1. 为什么学习string类？
1.1 C语言中的字符串
C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。
2. 标准库中的string类
2.1 string类
1. 字符串是表示字符序列的类
2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。
总结：
1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_stringstring;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。
在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

2.2 string类的常用接口说明
1. string类对象的常见构造
(constructor)函数名称 功能说明
string() （重点） 构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) （重点） 用C-string来构造string类对象
string(const string&s) （重点） 拷贝构造函数
string(size_t n, char c) string类对象中包含n个字符c
int main() { string s1; // 构造空的string类对象s1 string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2 string s3(s2); // 拷贝构造s3 return 0; }


2. string类对象的容量操作
函数名称 功能说明
size（重点） 返回字符串有效字符长度
length 返回字符串有效字符长度
capacity 返回空间总大小
empty （重点） 检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点） 清空有效字符
reserve （重点） 为字符串预留空间
resize （重点） 将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充
size，length，capacity，clear的实际应用： c++|C++之string类(·标准库中的string类·string类的模拟实现)
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string在VS下的 增容： c++|C++之string类(·标准库中的string类·string类的模拟实现)
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reserve：开空间，影响容量
void TestPushBackReserve() { string s; // 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销 s.reserve(100); //申请至少能存储100个字符的空间 size_t sz = s.capacity(); cout << "capacity changed: " << sz << '\n'; cout << "making s grow:\n"; for (int i = 0; i < 100; ++i) { //s.push_back('c'); s += 'c'; if (sz != s.capacity()) { sz = s.capacity(); cout << "capacity changed: " << sz << '\n'; } } }

resize：开空间，对这些空间给一个初始值，进行初始化
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注意：
1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，提前就开好了足够的空间，避免增容，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。
3. string类对象的访问及遍历操作
函数名称 功能说明
operator[] （重点） 返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin+ end begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
范围for C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式
void test_string1() { string s1("hello world"); //遍历字符串: //方式一：下标+[] for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) { s1[i] += 1; }//修改字符串元素 for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) { cout << s1[i] << " "; }//利用下标+[]遍历打印字符串 cout << endl; //方式二：迭代器 string::iterator it = s1.begin(); while (it != s1.end()) { *it -= 1; it++; }//利用迭代器修改字符串内容 it = s1.begin(); while (it != s1.end()) { cout << *it << " "; it++; }//利用迭代器遍历打印字符串 cout << endl; //方式三：范围for(语法糖)(C++11才可使用) //自动往后迭代，自动判断结束 for (auto& e : s1) //注意这里的auto要加上引用,s1把每个字符赋值给e，所以e是s1每个字符的拷贝，对e改变不会改变s1的内容，所以要加上引用 { e -= 1; }//利用范围for修改字符串 for (auto e : s1)//auto自动推导s1的类型 { cout << e << " "; }//利用范围for遍历字符串打印 cout << endl; }

迭代器的思路图解：
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反向迭代器：主要用来倒着遍历字符串。
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void test_string2() { //反向迭代器 string s1("hello world"); //string::reverse_iterator rit = s1.rbegin(); auto rit = s1.rbegin(); //auto自动推导上面的类型 while (rit != s1.rend()) { cout << *rit << " "; rit++; } cout << endl; }

迭代器遍历的意义是什么呢？-----所有的容器都可以使用迭代器这种方式去访问修改
对于string，无论是正着遍历，倒着遍历，下标+[]的方式都已经足够方便了。为什么还需要迭代器呢？
对于string，下标+[]的方式就足够好用，可能大家觉得迭代器比较多余。但是如果是其他容器(数据结构)呢？那么下标+[]这种方式似乎就不适用了，所以迭代器才是最通用的方式！
4. string类对象的修改操作
函数名称 功能说明
push_back 在字符串后尾插字符c
append 在字符串后追加一个字符串
operator+= (重点) 在字符串后追加字符串str
c_str(重点) 返回C格式字符串
find + npos(重点) 从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind 从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置
substr 在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回
尾插+=，append，push_back的应用场景：
int main() { string s1; s1.push_back('a'); s1.append("bcde"); cout << s1 << endl; s1 += ':'; s1 += "hello world"; cout << s1 << endl; return 0; }

c_str的应用场景：
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find+nops,rfind,substr的场景应用：
void test_string4() { string file("test.txt"); FILE* fout=fopen(file.c_str(), "w"); //要求取出文件的后缀名 size_t pos = file.find('.'); //从头开始找使用find if (pos != string::npos) { string suffix = file.substr(pos, file.size() - pos); //file.size()-pos=4 cout << suffix << endl; } string file("test.txt.zip"); FILE* fout = fopen(file.c_str(), "w"); //要求取出文件的后缀名 size_t pos = file.rfind('.'); //从后面找使用rfind if (pos != string::npos) { string suffix = file.substr(pos, file.size() - pos); //file.size()-pos=4 cout << suffix << endl; } //上面两个查找类似于char * strstr ( const char *str2, const char * str1)的C库函数 }

void test_string5() { //find的第二个作用实例: string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string"); size_t pos1 = url.find(':'); string protocol = url.substr(0, pos1 - 0); cout << protocol << endl; //如何去取中间的域名？ size_t pos2 = url.find('/', pos1 + 3); //pos1+3是从w开始找,找到/位置为止 string domainName = url.substr(pos1 + 3, pos2 - (pos1 + 3)); cout << domainName << endl; string usi = url.substr(pos2 + 1); cout << usi << endl; }

除了尾插的+=，append，push_back之外，还有insert可以进行头插和中间插入，但是效率很低，尽量少用。
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还有erase的头删尾删字符删除场景：
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5. string类非成员函数
函数 功能说明
operator+ 尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>> （重点） 输入运算符重载
operator<< （重点） 输出运算符重载
getline （重点） 获取一行字符串
relational operators （重点） 大小比较
int main() { string s; //cin>>s; //cin和scnaf默认以空格或换行符为间隔 getline(cin,s); //获取一行字符串 }

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3. string类的模拟实现
3.1 经典的string类问题
上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。接下来自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下string类的实现是否有问题？
namespace Bernard { class string { public: string(const char* str) :_str(new char[strlen(str)+1]) { strcpy(_str, str); } ~string() { delete[] _str; _str = nullptr; } private: char* _str; }; void Teststring() { string s1("hello bit!!!"); string s2(s1); } } int main() { Bernard::Teststring(); return 0; }

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说明：上述string类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。
3.2 浅拷贝
浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。要解决浅拷贝问题，C++中引入了深拷贝。
3.3 深拷贝
如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。
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3.3.1 传统版写法的string类
class string { public: string(const char* str = "")//常量字符串默认加\0了 { // 构造string类对象时，如果传递nullptr指针，认为程序非法，此处断言下 if (nullptr == str) { assert(false); return; } _str = new char[strlen(str) + 1]; strcpy(_str, str); } string(const string& s) : _str(new char[strlen(s._str) + 1]) { strcpy(_str, s._str); } string& operator=(const string& s) { if (this != &s)//防止出现自己给自己拷贝(s3=s3)的时候空间被清理掉 { char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1]; //先开辟空间再释放this空间 strcpy(tmp, s._str); delete[] _str; _str = tmp; } return *this; } ~string() { if (_str) { delete[] _str; _str = nullptr; } } private: char* _str; };


3.3.2 现代版写法的string类
class string { public: string(const char* str = "") { if (nullptr == str) str = ""; _str = new char[strlen(str) + 1]; strcpy(_str, str); } //s2(s1) string(const string& s) : _str(nullptr)//先把s2置为空指针 { string tmp(s._str); swap(_str, tmp._str); } string& operator=(string s) { swap(_str, s._str); return *this; } ~string() { if (_str) { delete[] _str; _str = nullptr; } } private: char* _str; };


这里看一个小知识点(C++98中)，string类中的swap函数和全局函数的swap函数:
int main() { std::string s1("hello world"); std::string s2("111111"); s1.swap(s2); //string提供的swap函数,效率更高--仅仅是对成员变量进行交换即可 swap(s1, s2); //全局函数提供的swap,代价很大--中间进行了三次string的深拷贝过程 return 0; }

3.4 string类的模拟实现
namespace Bernard { class string { public: typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; const_iterator begin()const { return _str; } const_iterator end()const { return _str + _size; } iterator begin()//第一个位置的指针 { return _str; } iterator end()//最后一个有效数据的下一位的指针 { return _str + _size; } /*string() :_str(new char[1]) ,_size(0) ,_capacity(0) { _str[0] = '\0'; }*/ string(const char* str = "")//常量字符串默认加\0了 :_size(strlen(str)) , _capacity(_size) { _str = new char[_capacity + 1]; strcpy(_str, str); } ~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = _capacity = 0; } void Swap(string& s) { swap(_str, s._str); swap(_size, s._size); swap(_capacity, s._capacity); } //s2(s1) string(const string& s) :_str(nullptr) , _size(0) , _capacity(0)//初始化防止交换过后出现随机值 { string tmp(s._str); //this->Swap(tmp); Swap(tmp); } //s1=s3 string& operator=(string& s) { Swap(s); return *this; } const char* c_str()const { return _str; } size_t size()const { return _size; } char& operator[](size_t pos)//可读可写的方式 { assert(pos < _size); return _str[pos]; } const char& operator[](size_t pos)const//只读的方式 { assert(pos < _size); return _str[pos]; } void reserve(size_t n)//扩容函数 { if (n > _capacity) { char* tmp = new char[n + 1]; //要给\0多开一个空间,+1一下 strcpy(tmp, _str); delete[] _str; _str = tmp; _capacity = n; } } void resize(size_t n, char ch = '\0') { if (n <= _size)//比size小的情况 { _str[n] = '\0'; _size = n; } else//比size大的情况 { if (n > _capacity)//如果n比容量大需要拿来扩容一下 { reserve(n); } memset(_str + _size, ch, n - _size); _size = n; _str[_size] = '\0'; } } void push_back(char ch) { //if (_size == _capacity) //{ // //增容 // reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //} //_str[_size] = ch; //先放入字符 //_size++; //_str[_size] = '\0'; //最后放入\0 insert(_size, ch); //复用insert } void append(const char* str) { //size_t len = strlen(str); //if (_size + len > _capacity) //{ // reserve(_size + len); //} //strcpy(_str + _size, str); //直接在\0处开始插入str即可 //_size += len; insert(_size, str); //复用insert } string& operator+=(char ch)//加上一个字符 { push_back(ch); return *this; } string& operator+=(const char* str)//加上一个字符串 { append(str); return *this; } size_t find(char ch) { for (size_t i = 0; i < _size; i++) { if (ch == _str[i]) { return i; } } return npos; } size_t find(const char* str, size_t pos = 0) { const char* ptr = strstr(_str + pos, str); if (ptr == nullptr) { return npos; } else { return ptr - _str; //用找到的起始下标-字符串起始下标就是需要返回的下标 } } string& insert(size_t pos, char ch) { assert(pos <= _size); if (_size == _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); } size_t end = _size + 1; while (end > pos) { _str[end] = _str[end - 1]; end--; } _str[pos] = ch; _size++; return *this; } string& insert(size_t pos, const char* str) { assert(pos <= _size); size_t len = strlen(str); if (_size + len > _capacity) { reserve(_size + len); } size_t end = _size + len; while (end >= pos + len)//注意这个地方的边界控制 { _str[end] = _str[end - len]; end--; } strncpy(_str + pos, str, len); _size += len; return *this; } string& erase(size_t pos = 0, size_t len = npos) { assert(pos < _size); if (len == npos || pos + len >= _size)//当需要删除的数据长度过大，超过了有效数据的个数时 { _str[pos] = '\0'; //直接在pos位置填\0即可 _size = pos; } else { strcpy(_str + pos, _str + pos + len); //直接把pos位置后面的值全部拷贝过去即可 _size -= len; } } bool operator<(const string& s)const { return strcmp(_str, s._str) < 0; } void clear() { _str[0]='\0'; _size=0; } private: char* _str; size_t _size; //有效字符的个数 size_t _capacity; //能存储有效字符的空间数，不包括\0 static const size_t npos; }; } const size_t string::npos = -1; //整型的最大值 bool operator<(const string& s1, const string& s2) { //size_t i1 = 0, i2 = 0; //while (i1 < s1.size() && i2 < s2.size()) //{ // if (s1[i1] < s2[i2]) // { //return true; // } // else if (s1[i1] > s2[i2]) // { //return false; // } // else // { //i1++; //i2++; // } //} 三种可能情况 "abcd" "abcd" --false "abcd" "abcde" --true "abcde" "abcd" --false //return i2 < s2.size() ? true : false; //第一种实现方式 strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0; //第二种实现方法 } bool operator==(const string& s1, const string& s2) { return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0; } bool operator<=(const string& s1, const string& s2) { return s1 < s2 || s1 == s2; } bool operator>(const string& s1, const string& s2) { return !(s1 <= s2); } bool operator>=(const string& s1, const string& s2) { return !(s1 < s2); } bool operator!=(const string& s1, const string& s2) { return !(s1 == s2); } ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) { /*for (auto ch : s) { out << ch; }*///方法一 for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) { out << s[i]; }//方法二 //注意不能使用c_str(),因为c_str遇到\0就停止了 return out; } istream& operator>>(istream& in, string& s) { s.clear(); char ch = in.get(); while (ch != ' ' && ch != '\n')//遇到换行或空格结束 { s += ch; ch = in.get(); } return in; }


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