【C++】——string类的模拟实现

目录

一、string模拟实现

1.1构造析构

1.2迭代器

1.3修改

1.4查找

1.5substr 深浅拷贝的区别

1.6比较函数与流插入流提取

二、string类的拷贝

2.1浅拷贝与深拷贝

2.2传统版与现代版区别

2.3写时拷贝（了解）

三、vs和g++下string结构的说明

3.1vs下的string结构

3.2g++下的string结构

一、string模拟实现

想要模拟实现自己的string类，主要的是构造、拷贝构造、迭代器、修改、查找等功能。

实现一个简单的string 不考虑模板等一些复杂的优化结构

namespace xc
{class string{public:private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

1.1构造析构

简单的构造函数：

class string
{
public:string():_str(nullptr),_size(0),_capacity(0){}string(const char*str){_size = strlen(str);_capacity = _size;//定义的容量就是有效数据个数 new的话需要考虑 \0_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}const char* c_str()//暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印{return _str;}
private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;
};

程序崩溃，无法打印，原因是 string的无参构造 _str 初始化为 nullptr，转换为字符串打印时候会解引用知道遇到\0终止 但是这里对空指针进行了解引用 所以程序崩溃

优化合并一下：

class string
{
public:/*string():_str(new char[1]{""}),_size(0),_capacity(0){}*/string(const char*str=""){_size = strlen(str);_capacity = _size;//定义的容量就是有效数据个数 new的话需要考虑 \0_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}~string(){delete[]_str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}const char* c_str()//暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印{return _str;}
private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;
};

一些频繁调用的短小函数可以直接在类里面定义实现 默认为 内联inline

const char* c_str()const //暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印
{return _str;
}
size_t size()const
{return _size;
}
size_t capacity()const
{return _capacity;
}
char& operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos)const
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}

1.2迭代器

实现基本的迭代器（正向迭代器和const正向迭代器）功能以支持 范围for，迭代器遍历

public:typedef char* iterator;typedef char* const_iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator begin()const{return _str;}const_iterator end()const{return _str + _size;}

1.3修改

声明定义分离的模式，可能涉及扩容可以先处理一个 reserve 函数

//.h
void reserve(size_t n);
void push_back(char ch);
void append(const char*str);
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char*str);
//.cppvoid string::reserve(size_t n)
{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);//拷贝内容delete[]_str;_str = tmp;//交换指针_capacity = n;}}
void string::push_back(char ch)
{if (_capacity == _size){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size++] = ch;
}
string& string::operator+=(char ch)
{push_back(ch);return *this;
}

显然是因为没有\0终止符才出现了乱码

void string::push_back(char ch)
{if (_capacity == _size){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size++] = ch;_str[_size] = '\0';
}

接下来实现字符串的插入

void string::append(const char* str)//加的字符串可能需要扩容 需要if判断
{size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){//大于2倍 就需要多少开多少 少于2倍就开2倍空间reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}strcpy(_str + _size, str); //第一个参数为\0地址_size += len;
}string& string::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}

指定位置的插入删除 

	void insert(size_t pos, char ch);void insert(size_t pos, const char*str);void erase(size_t pos, size_t len=npos);private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;static const size_t npos;

增加了一个新成员变量 npos 该静态成员变量需要声明定义分离

void string::insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);if (_capacity == _size){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}移动数据 需要单独处理\0//for (int i = _size-1; i >=(int)pos; i--)//{//	_str[i+1] = _str[i];//}//_str[pos] = ch;//_str[++_size] = '\0';//直接将 \0 也视为字符 移动开来for (int i = _size; i >= pos; i--){_str[i + 1] = _str[i];}_str[pos] = ch;++_size;
}

程序崩溃？

可以看到 i 小于0仍然进入循环，补充当 两个数据类型不同进行比较等操作时 范围小的会向范围大的进行整形提升 在这里 i 变为了无符号整数 解决办法 将 pos进行强制转换为 int 即可 

void string::insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);if (_capacity == _size){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}直接将 \0 也视为字符 移动开来//for (int i = _size; i >=(int)pos; i--)//{//	_str[i + 1] = _str[i];//}//_str[pos] = ch;//++_size;for (int i = _size + 1; i > pos; i--){_str[i] = _str[i - 1];}_str[pos] = ch;++_size;
}
//可以对比插入一个字符的逻辑 只是 len值为1的特殊情况 画图理解 临界条件
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}for (int i = _size + len; i > len+pos-1; i--){_str[i] = _str[i - len];}for (int i = 0; i < len; i++){_str[pos + i] = str[i];}_size += len;}
void string::erase(size_t pos, size_t len)
{assert(pos < _size);//pos等于 _size 那么会删掉\0//判断 len大于剩余的所有 就直接修改 \0的位置if (len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{for (int i = pos + len; i <= _size; i++){_str[i - len] = _str[i];}_size -= len;}
}

Tip:插入多个数据可以类比插入一个数据的逻辑关系 特殊到一般的思想转换，最重要的是不能凭自己的感觉思考，认真画图分析

1.4查找

size_t string::find(char ch, size_t pos)
{for (int i = pos; i <_size; i++){if (_str[i] == ch)return i;}
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{assert(pos < _size);const char* ptr=strstr(_str + pos, str);if (ptr == nullptr){return npos;}elsereturn ptr - _str;//指针相减得到下标
}

1.5substr 深浅拷贝的区别

string string::substr(size_t pos, size_t len)
{assert(pos < _size);//判断 len大于剩余元素 更新一下lenif (len > _size - pos){len = _size - pos;}string sub;sub.reserve(len);for (int i = 0; i < len; i++){sub += _str[pos + i];}return sub;
}

如果编译器优化激烈一点或者  release版本将直接 修改 suffix 省去拷贝构造

因为没有显示实现拷贝构造，编译器的拷贝构造是浅拷贝

实现一下拷贝构造和赋值重载

//s2(s1)
string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_capacity = s._capacity;_size = s._size;
}//s2=s1
//s1=s1
string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){delete[]_str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_capacity = s._capacity;_size = s._size;}return *this;
}

1.6比较函数与流插入流提取

比较逻辑

.h
......
private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;static const size_t npos;
};//定义在类外
bool operator<(const string& s1, const string& s2);
bool operator<=(const string& s1, const string& s2);
bool operator>(const string& s1, const string& s2);
bool operator>=(const string& s1, const string& s2);
bool operator==(const string& s1, const string& s2);
bool operator!=(const string& s1, const string& s2);.cpp
//利用 strcmp 函数比较
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 strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{return !(s1 == s2);
}

流插入与流提取

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{for (auto ch : s){out << ch;}return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{char ch;ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){s += ch;ch = in.get();}
}

Tip：如果是 in>>ch 的话有分隔符的概念 不能提取到空格

注意到 +=  存在扩容概念 难道一次一个 += 吗？ 优化一下

istream& operator>>(istream& in, string& s)
{s.clear();const int N = 256;//创一个字符数组 以数组为整体单元进行+= 提高扩容效率char buff[N];int i = 0;char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == N - 1){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}}//提前结束了 buff里面还有字符if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}
}

二、string类的拷贝

2.1浅拷贝与深拷贝

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。

在这里即一个一个字节的拷贝，动态申请资源时候如果浅拷贝会指向同一块资源，会有着程序崩溃的问题

同一块空间析构了两次 程序崩溃

深拷贝即调用拷贝构造，编译器生成的拷贝构造是浅拷贝，需要我们自己显示实现拷贝构造来进行深拷贝

//s2(s1)
string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_capacity = s._capacity;_size = s._size;
}//s2=s1
//s1=s1
string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){delete[]_str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_capacity = s._capacity;_size = s._size;}return *this;
}

2.2传统版与现代版区别

库里的string拷贝构造赋值重载如何实现的呢？ 可以直接交换成员变量 但是需要初始化成员变量

void swap(string& s)
{std::swap(_str, s._str);std::swap(_capacity, s._capacity);std::swap(_size, s._size);
}
string(const string& s)
{string tmp(s.c_str());swap(tmp);
}......
private:char* _str=nullptr;size_t _size=0;size_t _capacity=0;static const size_t npos;
};//需要初始化一下 否则随机值交给tmp存在潜在风险

这里的巧妙点在于 tmp 出了作用域会自己调析构函数此时不需要手动析构s2 借用了编译器的作用规则，局部变量出了作用域自动销毁  这也是为什么需要初始化局部变量，因为销毁随机值存在风险

赋值重载：

	//s2=s1//s1=s1
/*	string& operator=(const string& s){if (this != &s){delete[]_str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_capacity = s._capacity;_size = s._size;}return *this;}*/string& operator=(const string& s){if (this != &s){string tmp(s.c_str());swap(tmp);}return *this;}

对比一下传统版的赋值重载， 可以看到现代版不需要手动 delete 了  利用编译器自动销毁了

可以看到与拷贝构造相比 tmp 并没有存在的必要性，并不需要保留 s1的数据 优化一下

/*string& operator=(const string &s)
{if (this != &s){string tmp(s.c_str());swap(tmp);}return *this;
}*///最终版 s1=s3
string& operator=(string tmp)
{swap(tmp);return *this;
}

为什么算法库有swap 我们仍需要手动实现一个成员函数 swap呢？

算法库里的内置类型会进行多次拷贝构造（深拷贝），效率低

事实上 库里面已经实例化了一个模板swap函数

所以最终还是会调用成员函数提高效率

2.3写时拷贝（了解）

析构两次的另外一种解决方法——写时拷贝（引用计数法）

引用计数代表有几个对象指向同一块资源

当计数为0时候才执行析构函数，如果要修改拷贝的对象，那么还是需要进行深拷贝！

不同编译器底层采取的方案是不同的

可以看到 gcc 采用了引用计数写时拷贝

三、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。

3.1vs下的string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。

3.2g++下的string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（32位）/ 8字节（64位），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。

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