【C++笔记】string类深度解剖及其模拟实现

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好！上期我们讲了模版，就用我们来讲一下string类及其实现。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋！

一.string类说明

1.1为什么实现string类

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，不太符合面向对象的思想，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。并且日常生活中字符串使用场景还是很多的，比如：身份证，电话号码等。所以单独搞一个数据结构出来给字符窜还是很有必要的

1.2string类了解

string其实是typedef basic_string char来的。那意思除了char还有其他的字符类型吗？是的。由于编码原因还有其他的字符类型。string是一个类。string的本质是个字符顺序表。

想学习了解string类可以看这个文档：string的文档介绍
在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std

二.string类的常用接口说明

2.1string类对象的常见构造

string的构造有这些。

但重点是这几个。

• 默认构造
  构造空串。
  
• 用一个常量字符串构造
  
• 用一个string构造

• 用n个字符构造
  
• 用另一个stirng的pos位置开始后面的len个字符构造
  
  如果给的长度过大会怎么样呢？会越界吗？
  

• 用字符串的前n个字符构造
  

2.2string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	返回字符串长度
empty（重点）	检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
capacity	返回空间总大小
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

string容量相关代码演示

• length
  length获取字符串的长度。但是这个接口不具有通用性。比如二叉树就没有length.

• size
  获取字符串的长度。size具有通用性。
  

• empty
  判断字符串是否为空。 - clear清理有效字符内容。 - capacity 返回空间总大小。string容量只包含有效字符，也就是说这里是16个字符的空间。
  C++string的capacity如何扩容是没有规定的。具体看平台实现。
  vs下是先用一个16字符大小buff字符数组存储，当字符数组不够用时再开辟一块空间。第一次2倍扩，后面1.5倍扩容。
  g++是2倍扩容。

• reserve
  reserve保留空间。可以避免频繁扩容。

• resize
  将有效字符的个数该成n个，多出的空间用给定字符填充字符填充，如果没有就不填充。

• 总结

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。

2.3string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

string中元素访问及遍历演示

string的遍历方式有三种：

• 下标+[]

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

这里因为string的底层是字符数组所以我们可以用下标+[]直接访问到pos位置的字符
从而遍历字符串。同时我们返回的是pos位置字符的引用这样还可以修改pos位置的字符。

• 迭代器
  迭代器支持所有容器的访问。

string s("hello,world!");
string::iterator it = s.begin();
while (it!=s.end())
{cout << *it << " ";it++;
}

• 范围for遍历
  auto关键字:
  在这里补充2个C++11的小语法，方便我们后面的学习。

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，后来这个不重要了。C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto不能直接用来声明数组

auto的价值就是自动推导类型，如果类型过长就很方便。
但是一定程度牺牲了可读性。

范围for遍历的用法如下：

//自动迭代 自动判断结束
string s("hello,world!");
for (auto x : s)
{cout << x << " ";
}

所有的容器都支持范围for,因为i所有的容器都支持迭代器。
范围for写起来更方便。

加上引用即可。

• 总结
  

• 反向迭代器
  反向迭代器就是倒着遍历容器。

string s("hello,world!");
string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
while (rit!=s.rend())
{cout << *rit << " ";rit++;
}

• const迭代器
  如果是const容器就需要用const迭代器访问呢。因为普通迭代器可读可写。但是容器的数据不允许修改。
  

2.4string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

string中插入和查找等代码演示

• push_back
  可以尾插一个字符。
  

• append
  在字符串后追加一个字符串。
  
  

• operator+=
  在字符串后追加字符串str.
  

• insert
  在某个位置插入字符或字符串。
  
  但注意要谨慎使用insert因为在头部或中间位置插入必然要挪动数据。大量使用会降低程序效率。

• find
  在字符串的某个位置开始查找第一个位置的字符或字符串。找到就返回目标起始位置。
  
  需要注意的是如果不存在查找目标，那就返回npos

• erase
  在某个位置删除一个或多个字符。
  
  需要注意的是，如果用数字作为位置的话，len大于剩余字符串的长度或是npos。
  只会删除到最后一个位置的字符。
  注意erase也需要谨慎使用，因为删除也要挪动数据。
  

• replace
  将字符串的一部分替换为一个字符或字符串。
  
  repalce也会挪动数据所以也不要大量使用。

• c_str
  返回C格式字符串.兼容c语言返回c语言字符串的首地址。
  如果len大于pos后的字符长度或len==npos。
  就从pos构造到最后一个位置。

• find_first_of
  在一个string中查找出现在另一个字符串的字符第一次出现的位置
  另外再字符串中表示转义字符如\n，只需要多加一个\即可。因为对\转义字符转义后就表示不是转义字符了。

• find_last_of
  在一个string从后往前查找出现在另一个字符串的字符第一次出现的位置。
  这时我们就可以利用这个接口完成windows或linux下的路径分割。
  

• substr
  用另一个string从pos位置后的len个字符构造string。

2.5string类非成员函数

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。

• operator+
  这里perator+重载成全局的是为了支持这样的写法。
  
  如果重载成成员函数，那this指针就会锁定左边第一个位置。
  也就不支持，字符串+string的写法了。
• relational operators
  支持string与string或字符串比较。
• getlibe
  自定义IO输入终止符。

以这道题为例。
题目：最后一个单词的长度

2.6字符串补充接口

刷题时可能需要用到一些快速判断的接口。

二.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 one
value_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：
  

二. string的实现

2.1string的定义

这里我们用一个char*指针指向字符串空间。
一个size表示有效字符个数。一个capacity表示空间大小。
在定义一个npos。

class string
{
private:char* _s;size_t _size;size_t _capacity;static const size_t npos;
};

前面我们说静态成员不能再声明的位置给缺省值，因为他不走初始化列表。但是注意这里的static const相当于就是一个定义，可以给缺省值。可以认为是编译器特殊处理了。并且只有static const 整形可以。

private:char* _s;size_t _size;size_t _capacity;static const size_t npos=-1;static const int N = 10;int buff[N];
};

某种程度可以理解为这样的设计，方便定义一个整形常量。去定义一个数组。

2.2 构造和拷贝构造

这里我们给一个缺省值就可以构造函数和拷贝构造都一起实现。注意缺省值要给空字符串而不能给空指针，表示有一个字符串但字符串为空。同时申请空间时要多开一个给\0。

string::string(const char* str="")
{_capacity = _size = strlen(str);_s = new char[_size + 1];strcpy(_s, str);
}

2.3 operator[]

直接返回字符的引用即可。
operator[]还可以实现const版本只读不写。

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

2.4 迭代器

迭代器就是模拟指针的行为。
我们直接返回第一个字符和最后一个字符端点指针即可。

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

还有注意范围for必须按照库里的命名风格走，他只是傻瓜式的替换。
例如我们把begin换成大写的。范围for我们自己写的迭代器能跑，范围for不行。

2.5 string比较

这里我们实现operator<和operator==再复用即可。

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);
}
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);
}

2.6 reserve

这里我们直接new手动开空间，注意要多开一个给\0.
然后拷贝原数据。释放旧空间。

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

2.7 push_back

这里插入我们先检查一下是否需要扩容。然后再进行插入，同时size++，末尾补上\0

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

2.8 append

这里我们先计算插入字符串的长度。然后检查一下二倍扩容是否够。不够就申请size+len的空间。再拷贝数据，更新size即可。

void string::append(const char* str)
{size_t len = strlen(str);if (_size+len > _capacity){reserve(_size + len>2*_capacity? _size + len:2*_capacity);}strcpy(_s + _size, str);_size += len;
}

2.9 operator+=

这里我们直接复用append和push_back即可。

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

2.10 insert

这里我需要检查扩容。然后再挪动数据。插入数据，再更新size即可。

void string::insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}for (int i = _size+1; i >pos; i--){_s[i] = _s[i-1];}_s[pos] = ch;_size++;
}
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{int len = strlen(str);assert(pos <= _size);if (_size+len > _capacity){reserve(_size + len >2*_capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}for (int i = _size+len; i >=pos+len; i--){_s[i] = _s[i-len];}int j = 0;for (int i = pos; i <pos+len; i++){_s[i] = str[j++];}_size+=len;
}

2.11 find

find查找

size_t string::find(char ch, size_t pos)
{assert(pos < _size);for (int i = pos; i < _size; i++){if (_s[i] == ch){return  i;}}return npos;
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{assert(pos < _size);const char* ch = strstr(_s+pos, str);if (ch == nullptr){return npos;}return  ch - _s;
}

2.12 clear

直接把size改为0，同时在补上\0即可。

	void string::clear(){_s[0] = '\0';_size = 0;}

2.13erase

如果pos开始的len个字符长度超过剩余的最大长度。那就直接把pos位置不上/0,更改size即可。
如果长度不超过剩余的最大长度，那就直接挪动数据。
再更改size即可。

void string::erase(size_t pos, size_t len)
{assert(pos >= 0 && pos < _size);if (pos + len >= _size ){_s[pos] = '\0';_size = pos;}else{for (int i = pos+len; i <= size(); i++){_s[i-len] = _s[i];}_size -= len;}
}

2.43 IO流

operator<< 输出直接遍历字符输出即可。
operator>>输入为了避免频繁插入扩容和空间浪费
我们先用一个大小适中的字符数据存储读取数据。
当字符数据满了就把字符数据尾插入到str。
依次这样读取数据即可。
当读取结束再将字符数据的数据尾插str即可。

ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
{for (auto& x : str){out << x;}return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& str)
{str.clear();//清空数据char ch;const int N = 256;char buff[N];//定义字符数组int i = 0;ch = in.get();//字符while (ch != ' ' && ch != '\n')//遇到空格和换行结束{buff[i++] = ch;if (i == N - 1)//空间满{buff[i] = '\0';str += buff;//将数据插入stri = 0;}ch = in.get();//继续读取。}if (i > 0)//读取结束且还有数据未插入{buff[i] = '\0';str += buff;//将数据插入str}return in;
}

2.15 operator=

这里我们可以手动new空间在拷贝内容。更新size和capacity。
也可用算法库里的swap交换。相当于让编译器帮我们干活。

void string::swap(string& str)
{std::swap(_s, str._s);std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);
}
string& string::operator=(const string& tmp)//传统写法
{if (this != &tmp){delete[] _s;_s = new char[tmp._capacity + 1];strcpy(_s, tmp._s);_size = tmp._size;_capacity = tmp._capacity;}return *this;
}
string& string::operator=(string str)
{swap(str);return *this;
}

后言

这就是string类深度解剖及其模拟实现。大家不熟悉string的可以去官方查文档。今天就分享到这，感谢大家的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~