前言

  本文将要对STL容器string进行模拟实现，将要实现string常用构造函数，析构函数，拷贝构造函数以及常用增删查改接口，介绍如何通过函数复用以达到简化代码，如何通过写实拷贝提高程序效率，通过模拟实现达到加深对string的理解，提高自身编程技巧的效果。

注：本文在读者拥有string相关知识储备的基础下更易于理解，可跳转链接阅读博主的另一篇文章掌握如何使用string后再来阅读

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成员变量

	private:		char* _str=nullptr;//字符串size_t _capacity=0;//容量size_t _size=0;//有效字符个数static const size_t npos;//static const size_t npos=-1  vs下int类型支持给static和const同时修饰的变量用缺省值

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默认成员函数

默认构造函数

  默认构造函数（无参构造函数）是构造一个空的字符串。

        string():_str(new char[1]), _capacity(0), _size(0){_str[0] = '\0';}

  像上面这样写如何？可以，但是可以更简洁一些。

  像下面这样写更加简洁并且好处在于C-string构造函数可以同时担任默认构造函数与C-string构造函数的角色，这一点利用了语言的语法规则，如果我们显示定义构造函数后编译器则不会再生成默认构造函数

		string(const char* str="")//对象实例化不传递参数则默认用空字符串拷贝构造{_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}

  注：实现string(const char* str=“”)后不可以再显示实现默认构造函数，否则会造成调用歧义。
  在调用方面，如果我们想要实例化一个空字符串的string对象要以以下方式调用

string s1;

  绝对不可以用以下的方式调用，错误示例如下：
  在这种情况下编译器会把它识别为函数声明

string s1();

拷贝构造函数

  拷贝构造函数是用一个类对象实例化另一个类对象

		string(const string& str){_size = str._size;_capacity = str._capacity;_str = str._str;}

  如果以以上方式编写后进行调用会发生什么
  在调用之前我们先实现一个方便我们观察运行时现象的析构函数

析构函数

  清理对象占用内存资源

		~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = 0;_capacity = 0;//cout<<~string()<<endl;此语句仅为观察使用}

  运行程序
  监视窗口

  RUN:运行错误
  以上为典型浅拷贝引起的delete内存释放错误，浅拷贝使得两个对象共享同一块内存资源，在内存释放时对同一内存空间进行多次释放引起错误。
  默认拷贝构造函数同样是浅拷贝，仅对对象的成员变量的值进行拷贝。

   什么是浅拷贝？
  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。其实我们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。

  什么是深拷贝

深拷贝是指在进行对象拷贝时，不仅复制对象本身的成员变量，还复制对象所指向的动态分配的资源（例如堆内存）到新的对象中。这意味着拷贝后的对象和原对象拥有独立的资源副本，彼此之间不会相互影响。
当对象中含有动态分配的资源，如指针指向的内存块，或者其他动态分配的资源（文件句柄、网络连接等），进行深拷贝是非常重要的，以避免多个对象共享同一块资源导致释放重复、悬挂指针（悬挂指针：指的是一个指针变量指向了曾经被分配的内存地址，但该内存已经被释放或者回收了。在这种情况下，指针仍然指向原来的内存地址，但那个地址现在可能已经被操作系统重新分配给了其他程序或变量，或者已经被标记为不可用。）等问题。
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

  拷贝构造正确编写方法

		string(const string& str){_str = new char[str._capacity + 1];strcpy(_str, str._str);_size = str._size;_capacity = str._capacity;}

  通过函数复用进行优化

		void swap(string& str)//交换对象内容{std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);std::swap(_str, str._str);}string(const string& str):_str(nullptr)//_str用nullptr初始化是为了确保与之交换的指针不会成为野指针，导致不必要错误,_size(0),_capacity(0){string temp(str._str);swap(temp);//this->swap(temp);编译器为每个非静态的成员函数配备一个this指针//这个this指针可以显示使用，也可以不显示使用}

  这样设计的原理是调用C-string构造函数后再交换两个对象的内容，temp对象出作用域之后自动销毁。

  这种方法虽然简化了代码但存在着一定问题，像_size 与_capacity的大小可能与被拷贝对象的值不相同，但问题可忽略。
  关于为什么不使用标准库的swap函数进行数据交换
   在C++之前swap是以下形式实现
  它首先会拷贝构造一个对象，然后再进行赋值拷贝，这种实现方法十分低效
  C++11之后新增的运行移动语义使得其实现更高效，如果使用C++之后的swap,它的效率与我们模拟实现的方法的效率相比更高效，它省去了一切资源的开辟。
  此内容需要大篇幅讲解才能理清逻辑，因本文重点不在此，故不进行详细讲解。

赋值运算符重载

		string& operator =(const string& s){if (this != &s)//如果“自己”给“自己”赋值则直接跳过{char* temp = new char[s._capacity + 1];strcpy(temp, s._str);delete[] _str;_str = temp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;}

  优化

		string& operator=(const string& s){if (this != &s){string temp(s);swap(temp);}return *this;}

  再优化

		string& operator=(string s){swap(s);return *this;}

  通过值拷贝的方式传递参数，直接生成一个临时对象，再交换对象内容，达到简化代码的效果。

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容量相关函数（Capacity）

reserve函数

  根据Windows平台下的reserve规则

n > _capacity时对对象的容量进行扩容
n<=_capacity时不对对象的容量进行修改

		void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}

  开辟新空间，转移数据，释放原空间，修改成员变量

resize函数

  根据Windows平台下的reserve规则

n>_size
  首先判断n > _capacity是否成立，成立则首先进行扩容操作
  再将[_size,n)区间内容填入指定字符ch
n<=_size时对对象的有效字符进行缩减,将有效字符缩减至指定个数

		void resize(size_t n, char ch = '\0'){if (n > _size){reserve(n);for (int i = _size; i < n; ++i){_str[i] = ch;}}_str[n] = '\0';//必须给_str[n]赋值'\0'，以做字符串结束标志_size = n;}

size函数

  返回字符串有效字符长度

size_t size() const
{return _size;
}

capacity 函数

  返回空间总大小

size_t capacity() const
{return _capacity;
}

clear函数

		void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}

  清空字符串内容只需要修改字符串结束标志，下次再对字符串进行操作会覆盖式写入内容。

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修改函数（Modifiers）

swap函数

  交换两个对象内容

		void swap(string& str){std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);std::swap(_str, str._str);}

insert函数

字符插入

  在指定位置插入一个字符

string& insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);// 判断是否需要扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}size_t end = _size + 1;while (end > pos)//将插入位置 pos 之后的字符依次向后移动一个位置。{_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;//将字符 ch 插入到指定的插入位置 pos++_size;//插入字符后，将字符串的实际大小 _size 增加 1return *this;
}

字符串插入

  在指定位置插入一个字符串

string& insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}// 挪动数据size_t end = _size + len;while (end >= pos + len)//将插入位置 pos 之后的字符依次向后移动 len 个位置，为新字符串的插入留出空间{_str[end] = _str[end - len];--end;}strncpy(_str + pos, str, len);//将字符串拷贝到指定位置_size += len;//插入字符后，将字符串的实际大小 _size 增加 lenreturn *this;
}

append函数

  在字符串后追加一个字符串

void append(const char* str)
{size_t len = strlen(str);// 判读是否需要扩容if (_size + len > _capacity){reserve(_size+len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;
}

  通过复用insert实现

void append(const char* str)
{insert(_size, str);
}

push_back函数

  字符串尾插一个字符

void push_back(char ch)
{// 判读是否需要扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';//作为字符串必须要字符串结束标志
}

  通过复用insert实现

void push_back(char ch)
{insert(_size, ch);
}

erase函数

		void erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}

  如果len 等于缺省值 npos则将pos及以后字符全部删除
  如果删除字符个数超过pos位置后字符总和则同样将pos及以后字符全部删除
  如果以上两种情况不成立则直接将从位置 pos + len 开始的字符复制到位置 pos，覆盖掉要删除的字符。

+=重载

  += 运算符在字符串的操作中通常被用作连接（拼接）操作。
  连接一个字符

		string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}

  连接一个字符串

		string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}

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元素获取函数（Element access）

operator[]

  返回pos位置的字符,可修改pos位置字符

		char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}

  返回pos位置的字符，不可修改pos位置字符

		const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}

注意断言，下标位置不能等于_size，_size指向最后一个字符的下一个也就是字符0，但是实际库中的string的字符0我们是可以访问到的，这里主要表示有效数据的访问。

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操作函数（String operations）

c_str函数

  返回C格式字符串

		const char* c_str() const{return _str;}

substr函数

  获取一个子字符串

		string substr(size_t pos, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);string str;if (len == npos || pos + len >= _size){str.reserve(_size-pos);str._size = _size - pos;strcpy(str._str, _str + pos);}else{str.reserve(len);str._size = len;strncpy(str._str,_str + pos,len);str._str[_size] = '\0';}return str;}

  如果len长度超过pos位置后字符总和或者为缺省值则将pos及以后字符全部复制，反之则复制其区间到目标字符串str，然后将字符串末尾添加字符串结束标志’\0’.
  优化

		string substr(size_t pos, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);size_t end = pos+len;if (len == npos || pos + len >= _size){end = _size;}string str;str.reserve(end - pos);for (size_t i = pos; i < end; ++i){str += _str[i];}return str;}

  确定被拷贝字符串的末尾位置，然后将被拷贝字符串的字符依次连接到目标字符串中。

find函数

  查找一个字符查找成功返回其下标，查找一个字符串查找成功返回其字符串的起始下标，查找失败均返回npos值

size_t find(const char ch, size_t pos = 0)
{assert(pos < _size);while (pos < _size){if (_str[pos] == ch){return pos;}++pos;}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;}
}

  strstr 是一个库函数，用于在一个字符串中查找另一个字符串的首次出现位置

char *strstr(const char *haystack, const char *needle);

  haystack 是要在其中进行搜索的字符串，也被称为主字符串。
  needle 是要在 haystack 中查找的子字符串。
  如果 needle 在 haystack 中找到，则 strstr 返回指向 haystack 中 needle 首次出现位置的指针。如果未找到 needle，则返回 NULL。

运算符重载

流插入运算符<<重载

  流插入运算符<<重载要定义为全局函数，因为定义为全局函数，因此在其实现中不能直接访问类的私有成员，而需要通过类的公有接口进行访问，或者将其定义为类的友元函数进而访问其私有成员。

	std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i){out << s[i];}return out;}

流提取运算符>>重载

	std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s){s.clear();char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){s += ch;ch = in.get();}return in;}

  使用istream的成员函数get，每次读入一个字符
  以上设计方法存在频繁扩容的问题，如果我们频繁输入就会频繁进行扩容操作，频繁进行函数调用会降低效率，因此我们可以创建一个”输入缓冲区buff“当缓冲区填满则将缓冲区内容刷新出去，当输入结束再将未刷新的缓冲区进行刷新，该策略在语言层面和操作系统层面有着广泛应用。

	std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s){s.clear();char buff[128] = { '\0' };size_t i = 0;char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){if (i == 127){s += buff;i = 0;}buff[i++] = ch;ch = in.get();}if (i >= 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}

完整代码

#pragma once
#include<Cassert>
namespace zyc
{class string{//friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const zyc::string& s);//设置为友元函数直接访问类的私有成员变量typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;public:string(const char* str = ""){_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(string& str){std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);std::swap(_str, str._str);}string(const string& str):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){string temp(str._str);swap(temp);}string& operator=(string s){swap(s);return *this;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = 0;_capacity = 0;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void resize(size_t n, char ch = '\0'){if (n > _size){reserve(n);for (int i = _size; _size < n; i++){_str[i] = ch;}}_str[n] = '\0';_size = n;}string& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);// 满了就扩容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);}// 挪动数据size_t end = _size + len;while (end >= pos + len){_str[end] = _str[end - len];--end;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);// 满了就扩容if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}/*void append(const char* str){insert(_size, str);}*/void push_back(char ch){// 满了就扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}void erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}/*string substr(size_t pos, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);string str;if (len == npos || pos + len >= _size){str.reserve(_size-pos);str._size = _size - pos;strcpy(str._str, _str + pos);}else{str.reserve(len);str._size = len;strncpy(str._str,_str + pos,len);str._str[_size] = '\0';}return str;}*/string substr(size_t pos, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);size_t end = pos+len;if (len == npos || pos + len >= _size){end = _size;}string str;str.reserve(end - pos);for (size_t i = pos; i < end; ++i){str += _str[i];}return str;}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}size_t find(const char ch, size_t pos = 0){assert(pos < _size);while (pos < _size){if (_str[pos] == ch){return pos;}++pos;}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;}}const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}private:char* _str;//字符串size_t _capacity;//容量size_t _size;//有效字符个数static const size_t npos = -1; //vs下int类型支持给static和const同时修饰的变量用缺省值};std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i){out << s[i];}return out;}
/*std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s){s.clear();char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){s += ch;ch = in.get();}return in;}*/std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s){s.clear();char buff[128] = { '\0' };size_t i = 0;char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){if (i == 127){s += buff;i = 0;}buff[i++] = ch;ch = in.get();}if (i >= 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}}

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写实拷贝

写时拷贝（Copy-on-Write，简称COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略，用于延迟复制资源的实际发生，直到真正需要修改资源时。在写时拷贝的场景中，多个引用（或“视图”）最初指向同一份资源。当某个引用尝试修改资源时，系统才会创建该资源的一个副本，并让修改的引用指向这个新的副本，而其他的引用仍然指向原始的资源。

  写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的，既然是引用计数，必然有一个变量类是某些类所共有的。当第一个类构造时，string的构造函数会根据传入的参数从堆上分配内存，当有其它类需要这块内存时，这个计数为自动累加，当有类析构时，这个计数会减一，直到最后一个类析构时，此时的引用计数变为1或0，这时对对象的空间进行释放。
  关于这个引用计数怎么设计，我在这里介绍两种设计思路：
  1：在类内部设置一个指针指向一片开辟的内存空间。
  2：在string成员变量_str指向的堆内存空间中多开辟一个整形的空间进行计数（这里博主采用第二种设计思路）。

  当我们知道引用计数的设计思路后，就要考虑什么时候应该进行写时拷贝

  写时拷贝发生在对string对象进行修改操做时，比如insert，push_back,append,erease等成员函数+=,[]，=赋值操作，以及析构操作时发生写时拷贝。
  对于写时拷贝为主要实现了以下三个私有成员函数，方便发生写时拷贝时进行调用。

//获得引用计数int& GetRefCount(){return *((int*)(_str - 4));}

//写时拷贝void Sub(size_t n){char* tmp = new char[n + 5];tmp += 4;strcpy(tmp, _str);Release();_str = tmp;GetRefCount() = 1;_capacity = n;}

  申请新空间，释放旧空间，在交换前前对引用计数–，交换后将新空间的引用计数置为1.

//检查是否需要对空间进行释放void Release(){if (--GetRefCount() == 0){delete[](_str - 4);}}

写时拷贝完整代码

#pragma once
#include<Cassert>
#include<iostream>
namespace zyc
{class string{typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;public:string(const char* str = ""){_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 5];_str += 4;GetRefCount()=1;strcpy(_str, str);}void swap(string& str){Sub(_capacity);str.Sub(str._capacity);std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);std::swap(_str, str._str);}string(const string& str):_str(str._str),_size(str._size),_capacity(str._capacity){	++GetRefCount();}string& operator=(const string& s){_str = s._str;_size = s._size;_capacity = s._capacity;++GetRefCount();return *this;}~string(){Release();}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){Sub(n);}}void resize(size_t n, char ch = '\0'){if (n > _size){reserve(n);for (int i = _size; _size < n; i++){_str[i] = ch;}}_str[n] = '\0';_size = n;}string& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);Sub(_capacity);// 满了就扩容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);Sub(_capacity);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}// 挪动数据size_t end = _size + len;while (end >= pos + len){_str[end] = _str[end - len];--end;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;}void append(const char* str){insert(_size, str);}void push_back(char ch){insert(_size, ch);}void erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);Sub(_capacity);if (len == npos || pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}string substr(size_t pos, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);size_t end = pos + len;if (len == npos || pos + len >= _size){end = _size;}string str;str.reserve(end - pos);for (size_t i = pos; i < end; ++i){str += _str[i];}return str;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}size_t find(const char ch, size_t pos = 0){assert(pos < _size);while (pos < _size){if (_str[pos] == ch){return pos;}++pos;}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;}}const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);Sub(_size);return _str[pos];}void clear(){Sub(_capacity);_str[0] = '\0';_size = 0;}int count(){return GetRefCount();}private:void Release(){if (--GetRefCount() == 0){delete[](_str - 4);}}int& GetRefCount(){return *((int*)(_str - 4));}void Sub(size_t n){char* tmp = new char[n + 5];tmp += 4;size_t len = _size;strcpy(tmp, _str);Release();_str = tmp;GetRefCount() = 1;_capacity = n;_size = len;}char* _str;//字符串size_t _capacity;//容量size_t _size;//有效字符个数static const size_t npos = -1; //vs下int类型支持给static和const同时修饰的变量用缺省值};std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i){out << s[i];}return out;}std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s){s.clear();char buff[128] = { '\0' };size_t i = 0;char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){if (i == 127){s += buff;i = 0;}buff[i++] = ch;ch = in.get();}if (i >= 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}}

  注意：我们实现的写时拷贝存并不成熟，像以下修改策略，发生修改操作时，这种操作根本就不会被我们所发现。

string str1 = "hello";char& ref = str1[0];string str2 = str1;ref = 'y';

  并且库的string也存在着缺陷，详情我在这里推荐一篇文章，推荐大家阅读
C++的STD::STRING的“读时也拷贝”技术！

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本章到此结束，感谢您的阅读！