C++——string的模拟实现（上）

引言

成员变量

1.基本框架

成员函数

1.构造函数和析构函数

2.拷贝构造函数

3.容量操作函数

3.1 有效长度和容量大小

3.2 容量操作

3.3 访问操作

(1)operator[]函数

(2)iterator迭代器

3.4 修改操作

(1)push_back()和append()

(2)operator+=函数

引言

在 C++——string的了解和使用中，我们学习了string的一些基础用法。接下来我们可以试着模拟实现string。

在C++中，std::string是一个功能强大且广泛使用的类，用于处理字符串。然而，了解其内部实现原理对于深入理解C++和编写高效代码至关重要。通过模拟实现一个简单的string类，我们可以更好地理解字符串的存储、管理以及操作。这不仅有助于我们更好地使用std::string，还能让我们在遇到特定需求时，能够自定义字符串类来满足这些需求。

成员变量

1.基本框架

为了与STL库中的string区分开来，我们要使用命名空间namespace进行封装。

char* _str：指向字符数组的指针，用于存储字符串的实际内容。

size_t _size：表示字符串中有效字符的数量。

size_t _capacity：表示字符数组的容量，即可以存储的最大字符数量（包括结尾的空字符\0）。

namespace My_string
{class string {public:// ...private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

成员函数

老规矩，我们在 string.h 中，声明函数；在 string.cpp 中，实现函数的功能。

1.构造函数和析构函数

构造函数：接受一个C风格字符串作为参数，计算其长度，分配足够的内存来存储该字符串及其结尾的空字符，并复制字符串内容。

析构函数：释放分配给字符串的内存，并将指针设置为nullptr，以避免悬挂指针问题。同时，将_size和_capacity设置为0，表示对象已销毁。

string.h：

namespace My_string
{class string {public:string(const char* str);//构造函数~string();				//析构函数private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

string.cpp：

#include"string.h"
namespace My_string
{// 构造函数string::string(const char* str){_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];    // +1用于储存'\0'strcpy(_str, str);}// 析构函数string::~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}
}

我们可以测试一下：

通过调试观察一下：

调用构造函数：

调用析构函数：

2.拷贝构造函数

拷贝构造函数：接受一个string对象作为参数，分配足够的内存来存储原对象的字符串内容，并复制该内容。

这里提供了三种实现方式，包括直接复制、使用临时对象进行深拷贝以及使用swap函数进行资源转移。

string.h:

string(const string& str);		//拷贝构造函数

string.cpp:

// 拷贝构造函数(1)
string::string(const string& str)
{_str = new char[str._capacity + 1];	//额外多给一个空间，用于存放'/0'strcpy(_str, str._str);		//拷贝数据_capacity = str._capacity;	//设置容量_size = str._size;			//设置有效数据个数
}

我们在这里也有其他的方法可以实现拷贝构造：

// 拷贝构造函数(2)
string::string(const string& str)
{string tmp(str._str);std::swap(tmp._str, _str);std::swap(tmp._size, _size);std::swap(tmp._capacity, _capacity);
}

以上代码还可以接着简化：

string::string(const string& str)
{string tmp(str._str);swap(tmp);			// 这里的swap我们接下来会定义
}

3.容量操作函数

3.1 有效长度和容量大小

我们先写这两个函数：

size()和capacity()：分别返回字符串的有效长度和字符数组的容量。

string.h:

		size_t size() const;			// size()函数size_t capacity() const;		// capacity()函数

string.cpp:

// size()函数
size_t string::size() const
{return _size;
}// capacity()函数
size_t string::capacity() const
{return _capacity;
}

3.2 容量操作

c_str()：返回一个指向以空字符结尾的字符数组的指针，该数组包含与string对象相同的字符序列。这允许将string对象与接受C风格字符串的函数一起使用。

empty()：检查字符串是否为空（即长度为0）。

erase()：删除字符串中指定位置的字符或子字符串。

string.h：

const char* c_str() const;		// c_str()函数
bool empty() const;				// empty()函数
void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos);    // erase()函数

string.cpp:

// c_str()函数
const char* string::c_str() const
{return _str;
}
// empty()函数
bool string::empty() const
{return _size == 0;
}
// erase()函数
void string::erase(size_t pos,size_t len)
{assert(pos < _size);				 if (len == npos || len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';		// 位置pos置为'\0'_size = pos;			// 有效元素个数为pos个}else	// len小于后面的字符个数{// 将后面的字符拷贝到pos位置strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;			// 更新有效元素}
}

接下来再来实现扩容函数reserve()和resize()：

reserve()：增加字符数组的容量，以确保可以存储至少n个字符。如果当前容量不足，则分配新的内存并复制现有内容。

resize()：改变字符串的大小。如果新大小大于当前大小，则添加新字符（默认为\0）；如果新大小小于当前大小，则删除多余的字符。

string.h:

// 预留空间
void reserve(size_t n);
// resize()函数
void resize(size_t n, char ch = '\0');

string.cpp:

// 预留空间
void string::reserve(size_t n)
{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}
}
// resize()函数
void string::resize(size_t n, char ch)
{if (n > _size){if (n > _capacity){reserve(n);}// 使用 memset 函数将字符 ch // 填充到新添加的空间中memset(_str + _size, ch, n - _size);}_size = n;_str[n] = '\0';
}

3.3 访问操作

(1)operator[]函数

operator[]函数的功能：返回pos位置的字符

string.h:

// 非const版本
char& operator[](size_t pos);	//operator[]函数
// const版本
const char& operator[](size_t pos)const;

string.cpp:

// operator[]函数
char& string::operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}
// const版本
const char& string::operator[](size_t pos)const
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}

来个简单的代码测试一下：

(2)iterator迭代器

迭代器：提供begin()和end()函数来返回指向字符串开头和结尾的迭代器。这里简化了迭代器的实现，将其视为指向字符数组的指针。然而，在实际应用中，迭代器通常是一个更复杂的类，提供了更多的功能和安全性检查。

string.h:

//const版本的iterator
const_iterator begin() const;	//提供const_iterator begin()函数
const_iterator end() const;		//提供const_iterator end()函数//非const版本的iterator
iterator begin();				//提供iterator begin()函数
iterator end();					//提供iterator end()函数

string.cpp:

string::iterator string::begin()
{return _str;
}
string::iterator string::end()
{return _str + _size;
}
string::const_iterator string::begin() const
{return _str;
}
string::const_iterator string::end() const
{return _str + _size;
}

还是老样子，我们使用一个简单的函数测试一下：

void test3()
{My_string::string str("hello");for (auto i : str){cout << i << " ";}cout << endl;My_string::string::iterator it1 = str.begin();while (it1 != str.end()){cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;My_string::string::iterator it2 = str.end();if (it2 != str.begin()) { // 检查避免直接解引用 end()  --it2; // 先移动到一个有效的位置  while (it2 != str.begin()){std::cout << *it2 << " ";--it2;}std::cout << *it2 << " "; // 输出最后一个字符（begin() 之前的字符）  }std::cout << std::endl;
}

输出结果为：

3.4 修改操作

(1)push_back()和append()

string.h:

// 尾插一个字符
void push_back(char ch);
// 尾插一个字符串
void append(const char* str);

string.cpp:

//尾插一个字符
void string::push_back(char ch)
{if (_capacity == _size){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;_str[_size + 1] = '\0';_size++;
}//尾插一个字符串
void string::append(const char* str)
{size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity) {reserve(_size + len);}strcpy(_str+_size, str);_size += len;			
}

(2)operator+=函数

我们可以借助上面两个函数实现operator+=函数。

string.h:

//operator+=函数可以构成重载,函数名相同,参数不同
string& operator+=(char ch);			// 字符相加
string& operator +=(const char* str);	// 字符串相加

string.cpp:

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

来测试一下：