C++:string类!

 C++string 是C++中的字符串。 字符串对象是一种特殊类型的容器,专门设计来操作的字符序列。 不像传统的c-strings,只是在数组中的一个字符序列,我们称之为字符数组,而C++字符串对象属于一个类,这个类有很多内置的特点,在操作方式,更直观,另外还有很多有用的成员函数。

目录

1.标准库中的string类

1.1 string类(了解)

1.2 string类的常用接口说明(注意下面我只讲解最常用的接口)

2. string模拟实现

2.1 经典的string类问题

2.2 浅拷贝

2.3 深拷贝

2.3.1 传统版写法与现代法的String类

2.4 写时拷贝(了解)


1.标准库中的string类

1.1 string类(了解)

在学习string类时,查阅文档是很重要的,函数接口都有详细介绍,下面是C++官网上string的参考 

string类的文档介绍

  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)。
  4. 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_string<char, char_traits, allocator>string;
  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;

1.2 string类的常用接口说明(注意下面我只讲解最常用的接口)

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(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) (重点)拷贝构造函数
void Teststring()
{string s1; // 构造空的string类对象s1string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

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)将有效字符的个数该成n个,多出的空间用字符c填充

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,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

参考: 

void test_string7()
{string s("hello world");cout << s.capacity() << endl;//最开始capacity是15 ,后面还有一个'\0'cout << s.size() << endl;//11//s.resize(13);//不给实际值,会将多出的补'\0'//cout << s << endl;//cout << s.size() << endl;//s.resize(13,'x');//原有数据不变,后面补'x's.resize(20,'x');//大于原有的capacity会扩容cout << s << endl;cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;s.resize(5);//小于原有的size,会删除后面的数据cout << s << endl;cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;//at 与 operator[] 类似,但at越界只会抛异常,【】会断言终止程序//s.at(0);//s[0];
}

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+ endbegin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 + rendbegin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forC++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

 参考:

void test_string2()
{string s1("hello world");string s2 = "hello world";//先构造,再拷贝构造,编译器优化为一步构造。//遍历string//读for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++){cout << s1[i] << " ";}cout << endl;//写		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++){s1[i]++;}cout << s1 << endl;//迭代器  行为上像指针string::iterator it = s2.begin();//s2.end()是指向有效字符的下一位,'\0'//while(it < s2.end()) //这里可以,但不建议。因为这里物理空间是连续的,链表等不是连续的while (it != s2.end()){//读cout << *it << " ";it++;}cout << endl;it = s2.begin();while (it != s2.end()){//写*it = 'a';it++;}cout << s2 << endl;}

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

注意:

  1. 在string尾部追加字符时,s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多,一般情况下string类的+=操作用的比较多,+=操作不仅可以连接单个字符,还可以连接字符串。
  2. 对string操作时,如果能够大概预估到放多少字符,可以先通过reserve把空间预留好。
  3. npos是const静态成员变量, const static size_t npos = -1;size_t中-1会当作无符号处理,就是无符号整形最大值。
void test_string11()
{string s1("test.c.tar.zip");//size_t i = s1.find('.');//cout << i << endl;size_t i = s1.rfind('.');cout << i << endl;string s2 = s1.substr(i);//取后面的数据cout << s2 << endl;string s3("https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/rfind/");//取协议//域名//资源名string sub1, sub2, sub3;size_t i1 = s3.find(':');if (i1 != string::npos)//没有找到,i1 等于静态成员变量nposesub1 = s3.substr(0, i1);size_t i2 = s3.find('/', i1 + 3);if (i2 != string::npos)sub2 = s3.substr(i1+3, i2-i1-3);sub3 = s3.substr(i2+1);cout << sub1 << endl;cout << sub2 << endl;cout << sub3 << endl;
}

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

上面的几个接口大家了解一下,下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作,这里不一一列举,大家在需要用到时不明白了查文档即可。

6. vs和g++下string结构的说明

注意:下述结构是在32位平台下进行验证,32位平台下指针占4个字节。

vs下string的结构:

string总共占28个字节,内部结构稍微复杂一点,先是有一个联合体,联合体用来定义string中字
符串的存储空间:

  • 当字符串长度小于16时,使用内部固定的字符数组来存放
  • 当字符串长度大于等于16时,从堆上开辟空间
union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger onevalue_type _Buf[_BUF_SIZE];pointer _Ptr;char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的,大多数情况下字符串的长度都小于16,那string对象创建好之后,内
部已经有了16个字符数组的固定空间,不需要通过堆创建,效率高。

其次:还有一个size_t字段保存字符串长度,一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量

最后:还有一个指针做一些其他事情。

故总共占16+4+4+4=28个字节。

g++下string的结构

G++下,string是通过写时拷贝实现的,string对象总共占4个字节,内部只包含了一个指针,该指针将来指向一块堆空间,内部包含了如下字段:

  • 空间总大小
  • 字符串有效长度
  • 引用计数
    struct _Rep_base
    {size_type _M_length;size_type _M_capacity;_Atomic_word _M_refcount;
    };
  • 指向堆空间的指针,用来存储字符串。字符串跟在最后面,与柔性数组有些相似。

2. string模拟实现

2.1 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。在面试中,面试官总喜欢让学生自己来模拟实现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?

// 为了和标准库区分,此处使用String
class String
{
public:/*String():_str(new char[1]){*_str = '\0';}*///String(const char* str = "\0") 错误示范//String(const char* str = nullptr) 错误示范String(const char* str = ""){// 构造String类对象时,如果传递nullptr指针,可以认为程序非if (nullptr == str){assert(false);return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}private:char* _str;
}
// 测试
void TestString() //这里会出现浅拷贝的错误
{String s1("hello xlh!!!");String s2(s1);
}

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

2.2 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。

就像一个家庭中有两个孩子,但父母只买了一份玩具,两个孩子愿意一块玩,则万事大吉,万一不想分享就你争我夺,玩具损坏。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题,即:每个对象都有一份独立的资源,不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具,各自玩各自的就不会有问题了

2.3 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。

2.3.1 传统版写法与现代法的String类

class string{public://构造函数string(const char* str = "")//后面会有一个'\0':_size(strlen(str))//初始化列表按成员声明顺序执行, _capacity(_size),_str(new char[strlen(str)+1]){strcpy(_str, str);}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}//拷贝构造函数//传统写法/*string(const string& str){_size = str._size;_capacity = str._capacity;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str._str);}*/string(const string& str):_size(0), _capacity(0),_str(nullptr){string tmp(str._str);//调用构造函数swap(tmp);}//赋值运算符重载//传统写法//string& operator=(const string& str)//{//	if(this != &str)//	{//		/*reserve(str._size);//		strcpy(_str, str._str);//		_size = str._size;//		return *this;*///		char* tmp = new char[str._capacity + 1];//		strcpy(tmp, str._str);//		delete[] _str;//		_str = tmp;//		_size = str._size;//		_capacity = str._capacity;//		return *this;//	}//}//现代写法//string& operator=(const string& str)//{//	if (this != &str)//	{//		string tmp(str);//调用拷贝构造//		//string tmp(str._str);//也可以调用构造函数//		//this->swap(tmp);//		swap(tmp);//tmp最后会释放原来this的空间//	}//	return *this;//}//极致的现代写法string& operator=(string tmp){swap(tmp);return *this;}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;const static size_t npos;//静态成员变量,不走初始化列表,静态成员变量不能给缺省值//const 静态 整形 可以//const size_t string::npos = -1;//特例
};

2.4 写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症,是g++采用的一种方式,是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数:用来记录资源使用者的个数。在构造时,将资源的计数给成1,每增加一个对象使用该资源,就给计数增加1,当某个对象被销毁时,先给该计数减1,然后再检查是否需要释放资源,如果计数为1,说明该对象时资源的最后一个使用者,将该资源释放;否则就不能释放,因为还有其他对象在使用该资源。

其他函数的模拟实现可以在看我gitte上看:代码链接

本篇结束!

 

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