string模拟实现：

string模拟实现：

在这里插入图片描述

img上一篇博客，我们对String类有了一个基本的认识，本篇博客我们来从0~1去模拟实现一个String类，当然我们实现的都是一些常用的接口。

❓我们这里定义了一个string类型，然后STL标准库里面也有string，两个名字一样我们分不清楚怎么办呢？

  • 为了跟库的string区分开，我们可以定义一下命名空间
namespace st
{class string{public:private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

有了类的成员变量，我们需要对这些成员变量进行初始化和释放，我们来写一下string的构造函数和析构函数

首先来观察一下string类的成员变量，string类有三个成员变量_str(字符指针)、__size和 _capacity。

_size和 _capacity都比较容易初始化，直接置为0就好。

_str作为字符指针比较麻烦，具体的原因往下看！

1深浅拷贝：

我们来写一下我们自己string类的构造和析构函数

class string{public:string(const char* str):_str(str),_size(str._size), _capacity(str._capacity){}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;
}

❓上面这种构造函数我们调用的时候是否能编译通过呢？

💡这是不行的，因为你初始化这个 string 时，比如我们通常情况会这么写：string s1("hello world");

❓我们为string的初始化提供构造函数，这里为什么报错呢？

image-20230527162645015

💡原因是这里权限放大了，str是一个const char *类型，而_str只是一个char * 类型，这里赋值过来会直接权限放大报错了，同理可得：常量字符串是不可以直接赋值给char *类型的(char*b="bcd";)

解决方法将_str也设为const char*就好啦

  • 🔥const char*类型这里是只允许读，不允许写的

但是我们写的String类需要有增删查改的功能，因此上述的写法不可以的

我们可以这样写：

string(const char* str): _str(new char[strlen(str) + 1]) {    // 开strlen大小的空间strcpy(_str, str);
}
  • 🔥strlen函数是计算字符串的有效长度，是不含\0的！！！！！

我们这里strlen+1是为了给字符串的\0预先留一个位置的

析构函数：

~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}

拷贝构造函数：

void TestString()
{String s1("hello xiaolu!!!");String s2(s1);
}

我们来运行一下，通过s1来拷贝构造s2

🚩 运行结果如下：

image-20230527165906710

❓这里显示strcpy是unsafe（不安全的）的，这是为什么呢？如何解决呢？（当前完整代码如下）

#include<string.h>
namespace xiaolu
{class string{public:string(const char* str): _str(new char[strlen(str) + 1]){    // 开strlen大小的空间strcpy(_str, str);}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};void TestString(){string s1("hello xiaolu!!!");string s2(s1);}
}
int main()
{xiaolu::TestString();return 0;
}

🔑详细解析：

首先我们先来了解一下strcpy函数，strcpy函数是一个值拷贝函数，她将hello xiaolu的字符一个一个按字节拷贝到s1

这里其实不是strcpy函数的问题，而是

当string s2(s1);这里是发生拷贝构造，而这里我没有写拷贝构造，因此编译器调用的就是默认拷贝构造，也就是浅拷贝，因为_str是char*类型，它发生值拷贝将地址直接拷贝过去，因此s1和s2指向同一块地址

image-20230530171211065

解决方法：我们这里写一个拷贝构造，来进行深拷贝！

因为这里涉及到深浅拷贝的问题，因此我们来探讨一下深浅拷贝:

深浅拷贝的区别：

简单来说：

  • 🔥浅拷贝就是编译器自己执行值拷贝（按照字节，一个一个字节拷贝）

image-20230601110201130举个例子

当发生拷贝的是指针，编译器会将指针的4个字节依次拷贝另外一个变量，这样会导致两个变量指向一个地址，而当delete的时候，这一块地址会被释放两次地址，就会报错了！！！

image-20230601111605745

当一个类有动态内存的时候，类的拷贝有构造函数、赋值运算符重载以及析构函数基本上不可以用浅拷贝，会出现上面的问题，要用到深拷贝。

  • 🔥深拷贝：深拷贝就是让编译器按照我们的想法进行拷贝或者赋值，一般来说是（开一块一样大的空间，再把数据拷贝下来，指向我自己开的空间）

image-20230601111741977

我们自己需要写一个string的深拷贝：

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

image-20230601105448444

void TestString(){string s1("hello xiaolu!!!");string s2;s2 = s1;}

image-20230601143540161

这里的我们没有提供默认的构造函数，当我们需要创建一个新的空白的string对象的时候，就会报错，我们可以给构造函数提供缺省值

string(const char* str = ""):_size(strlen(str)){_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}

深拷贝的常用情景，不止经常在拷贝构造，在赋值下也很经常！

赋值的深拷贝：

赋值的深拷贝思路跟拷贝构造一样是否可以呢？他们都是拿一个已有的变量来定义一个新的变量

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

image-20230601143928845

显然这里报错了，我们来分析一下：

🔑详细解析：

这里我们先释放了原来的_str，然后new了一块新的对象，再strcpy

首先我们new了一块新的空间，new失败了会怎么样？

会抛异常！抛异常！抛异常！无关紧要

失败了没问题，也不会走到 strcpy，但问题是我们已经把原有的空间释放掉了，

神不知鬼不觉地，走到析构那里二次释放可能会炸，所以我们得解决这个问题！

我们将开辟空间的步骤提前，然后释放向后移动

string& operator=(const string& str){if (&str == this)return *this;//防止自己给自己赋值char* tmp = new char[str._capacity + 1];//防止开辟失败strcpy(tmp, str._str);delete[] this->_str;_str = tmp;_size = str._size;_capacity = str._capacity;return *this;}

再提供一种相对现代一点的写法：

String& operator=(String s){swap(_str, s._str);return *this;}

写时拷贝

在我们经常使用的STL标准模板库中的string类，也是一个具有写时才拷贝技术的类。C++曾在性能问题上被广泛地质疑和指责过，为了提高性能，STL中的许多类都采用了Copy-On-Write技术。这种偷懒的行为的确使使用STL的程序有着比较高要性能。

Copy-On-Write一定使用了“引用计数”，是的，必然有一个变量类似于RefCnt。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RefCnt为1或是0，此时，程序才会真正的Free这块从堆上分配的内存。

是的，引用计数就是string类中写时才拷贝的原理！

2.string类常用接口的实现：

size()和capacity()

size_t size()const
{return  _size;
}
size_t capacity()const
{return  _capacity;
}

clear函数

对于 clear() 而言就是去清除当前对象的数据，我们直接在_str[0]这个位置放上一个\0即可，并且再去修改一下它的_size = 0即可

  • 不过这个接口来说我们不要去加【const成员】，因为修改了其成员变量_size
void clear()
{_str[0] = '\0';_size = 0;
}

c_str函数

image-20230601152014529

返回一个指向数组的指针，该数组包含一个以空字符结尾的字符序列(即C-string)，表示string对象的当前值。

这个数组包含的字符序列与string对象的值相同，另外还包含一个以空字符(‘\0’)结尾的字符串。

  • 🔥c_str返回的是一个const char*的数组指针，只读不写
const char* c_str()const
{return _str;
}

❓调试到这个地方就直接崩了，不应该直接打印null吗？

image-20230808092614437

image-20230601110201130如果我们换成std中的string，不会报错，说明我们初始化存在问题

image-20230423164140071

namespace st
{class string{public:string():_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){}string(const char* str):_str(str), _size(strlen(str)), _capacity(strlen(str)){}const char* c_str(){return _str;}private:const char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};void test_string1(){string s1;string s2("hello world");std::cout << s1.c_str() << std::endl;std::cout << s2.c_str() << std::endl;}
}
int main()
{st::test_string1();return 0;
}

2.1全缺省构造函数

我们还要考虑不带参数的构造函数，如下：

void test_string1() {string s1("hello world");    // 带参string s2;                   // 不带参
}

当我们要给一个空的字符串定义时，s2应该是‘\0’，我们可以直接在缺省值上设置

string(const char* str = ""):_size(strlen(str)){_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}

🔥这里值得注意的是缺省值，我们给了一个“”

🔑详细解析：

str是一个char*类型，正常情况下，我们会给缺省值为nullptr

string(const char* str = nullptr)

这里运行后会崩！！！

strlen是不会去检查空的，它是一直找到 \0为止的

也就相当于直接对这个字符串进行解引用了，这里的字符串又是空，所以会引发空指针问题。

所以我们这里给的是一个空的字符串 " "，常量字符串默认就带有 \0，这样就不会出问题：

string(const char* str = "")

image-20230808094102098

❓为什么我们用new char[1]而不是直接用new char，都是一个啊为什么啊？

🔥为了跟有参构造那里匹配析构函数，这样就方便释放

string():_str(new char[1]), _size(0), _capacity(0){_str[0] = '\0';}string(const char* str):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}

❓这里可以优化吗？

string(const char*str=nullptr)
string(const char* str = '\0')

🔑详细解析：

这两个都不可以，不可以解引用空指针

​ string(const char* str = "\0")

这样是可以的，给常量字符串，但是没必要这样，可以下面这样

string(const char* str = "")

如果我们不写拷贝构造函数，默认生成了一个拷贝构造函数，会报错！

void test_string2(){string s1;string s2("hello world");string s3(s2);std::cout << s1.c_str() << std::endl;std::cout << s2.c_str() << std::endl;std::cout << s3.c_str() << std::endl;}

这里发生浅拷贝，同一块空间会被释放两次

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

2.2拷贝构造函数

2.3operator[]的实现

❓[]重定向，这里有什么问题呢？

char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}
//成员变量
private:const char* _str;size_t _size;size_t _capacity;

普通对象可以调用，但是 const 对象呢？所以我们还要考虑一下 const 对象。

我们可能会修改pos位置的字符，也可能加字符，这里会报错，因为str为const char*类型

const char& operator[](size_t pos)const{assert(pos < _size);return _str[pos];}char& operator[](size_t pos)//构成函数重载{assert(pos < _size);return _str[pos];}

2.4operator=的实现及其必要性

赋值的话，不写拷贝构造的话也是值拷贝（浅拷贝)

s1 = s3;

下图拷贝构造分为三种：

第一种：s1的空间和s3的空间一样大

第二种：s1的空间比s3的空间大

第三种：s1的空间比s3的空间小

image-20230424093406343

显然：这里第三种情况内存不够，要先释放防止内存泄漏，第二种是内存浪费，干脆全部都重新开空间就好了

string& operator=(const string& str){if (&str == this)return *this;//防止自己给自己赋值char*tmp = new char[str._capacity + 1];//防止开辟失败strcpy(tmp, str._str);delete[] this->_str;_str = tmp;_size = str._size;_capacity = str._capacity;return *this;}

2.5Print函数

image-20230424112050548

这里权限放大了

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

const函数，修饰this指针，但是这样另外一个地方又报错了

image-20230424112552841

构成函数重载就可以解决问题了，各调用各的，这里调用第二个就可以了，this没有const修饰，并且返回类型没有const，就可以进行++等修改操作了

const char& operator[](size_t pos)const{assert(pos < _size);return _str[pos];}char& operator[](size_t pos)//构成函数重载{assert(pos < _size);return _str[pos];}

3.迭代器的实现

我们先来看看STL库中的string类的迭代器

image-20230808104654329

3.1begin和end的实现

typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){//返回迭代器最后一个位置的下一个位置return _str + _size;}

3.2迭代器的扩展引用——范围for

for (auto ch : s1){std::cout << ch << " ";}std::cout << std::endl;

这里可以支持范围for，范围for的底层是迭代器实现的

🔥范围for遇上const类型的对象，会报错，因此要提供const迭代器

typedef const char* const_iterator;

const迭代器，自己可以修改，指向的对象不可以修改，有点像const指针

4.一些常用的运算符重载

bool operator>(const string&str){return strcmp(_str, str._str) > 0;}bool operator==(const string& str){return strcmp(_str, str._str) == 0;}bool operator>=(const string& str){return *this > str || *this == str;}bool operator<(const string& str){return !(*this >= str);}bool operator<=(const string& str){return !(*this > str);}

5.string类的增删查改

5.1reserve函数

reserve是一个增容函数

我们先来实现一下reserve函数，再来检验一下实用性

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

image-20230808110250901

5.2push_back函数

这是一个增加字符到字符串的函数

首先检查是否需要增容，如果需要就调用我们上面实现的 reserve 函数，

参数传递可以用三目操作符，防止容量是0的情况，0乘任何数都是0从而引发问题的情况。

然后在 \0 处插入要追加的字符 append_ch，然后 _size++ 并手动添加一个新的 \0 即可。

void push_back(char ch){if (_size + 1 > _capacity){reserve(_capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}

5.3append函数

append函数是追加字符串的函数

void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}

5.4 operator+= 的实现

比起push_back和append函数，我们更加喜欢用+=运算符来追加字符串或字符

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

5.5insert函数

image-20230425110304561

🔥如果npos是const可以在类内初始化，这种情况只能出现在整形的情况，double不可以

static const size_t npos=-1;

但是不推荐这样写，推荐老老实实写，这里语法有点冲突，但是不会报错

image-20230425110553877

void insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size + 1 > _capacity){reserve(2 * _capacity);}size_t end = _size;//size_t是一个无符号整数while (end >= pos){_str[end + 1] = _str[end];--end;}_str[pos] = ch;++_size;}

🔑详细解析：

上面代码是错的，end是一个无符号整数，-1的话变为max-1了，这里是等号两边的类型不同，会发生整形提升，有符号会变成无符号的

string& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 3 : 2 * _capacity;reserve(newcapacity);}//int cur = pos;size_t end = _size + 1;//size_t是一个无符号整数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){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 3 : 2 * _capacity;reserve(newcapacity);}size_t str_cur = 0;//str的下标size_t end = _size + 1;return *this;}

5.6resize函数

n有三种情况

image-20230425145641725

void resize(size_t n, char ch = '\0'){if (n <= _size){_size = n;_str[n] = '\0';}else {if (n > _capacity){reserve(n);}size_t i = _size;while (i < n){_str[i] = ch;++i;}_size = n;_str[n] = '\0';}}

5.7erase函数

erase的三种情况

image-20230505110652661

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

5.8find函数

	size_t find( char ch,size_t pos=0){assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; ++i){if (_str[i] == ch)return i;}return npos;}size_t find(const char* str, size_t pos = 0){assert(pos < _size);char* p = strstr(_str + pos, str);if (p == nullptr){return npos;}else{return p - _str;}}

在这里插入代码片

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