C++字符串处理指南：从基础操作到性能优化——基于std::string的全面解析

博主将从C++标准库中的 std::string 出发，详细探讨字符串的处理方法，涵盖常见操作、性能优化和实际应用场景。以下内容将围绕std::string 的使用展开，结合代码示例进行说明。

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一、std::string 的基本操作

1.1 创建与初始化

std::string 提供了多种构造函数，支持从C风格字符串、字符数组、字符列表等初始化。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 默认构造函数
    std::string s1;

    // 从C风格字符串初始化
    std::string s2 = "Hello, World!";

    // 从字符数组初始化
    char arr[] = {'H', 'i', '\0'};
    std::string s3(arr);

    // 重复字符初始化
    std::string s4(5, 'A'); // "AAAAA"

    std::cout << "s2: " << s2 << std::endl;
    std::cout << "s4: " << s4 << std::endl;

    return 0;
}

输出：

s2: Hello, World!
s4: AAAAA

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1.2 字符串的访问与修改

std::string 提供了多种访问和修改字符串内容的方法。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";

    // 访问字符
    char c = s[0]; // 'H'
    char c2 = s.at(1); // 'e'

    // 修改字符
    s[0] = 'h'; // "hello"
    s.at(1) = 'E'; // "hEllo"

    // 添加字符
    s += ", World!"; // "hEllo, World!"

    // 插入字符
    s.insert(5, " C++"); // "hEllo C++, World!"

    // 删除字符
    s.erase(5, 4); // "hEllo, World!"

    std::cout << s << std::endl;

    return 0;
}

输出：

hEllo, World!

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1.3 字符串的比较

std::string 支持通过 ==、!=、<、> 等运算符进行比较。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s1 = "apple";
    std::string s2 = "banana";

    if (s1 == s2) {
        std::cout << "s1 and s2 are equal" << std::endl;
    } else if (s1 < s2) {
        std::cout << "s1 is less than s2" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "s1 is greater than s2" << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

s1 is less than s2

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二、字符串的查找与替换

2.1 查找子字符串

std::string 提供了 find() 和 rfind() 方法，分别用于查找子字符串的首次和最后一次出现位置。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello, World! Hello, C++!";

    // 查找子字符串
    size_t pos = s.find("Hello");
    if (pos != std::string::npos) {
        std::cout << "Found 'Hello' at position: " << pos << std::endl;
    }

    // 从后向前查找
    size_t rpos = s.rfind("Hello");
    if (rpos != std::string::npos) {
        std::cout << "Last 'Hello' found at position: " << rpos << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

Found 'Hello' at position: 0
Last 'Hello' found at position: 14

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2.2 替换子字符串

std::string 提供了 replace() 方法，用于替换指定位置的子字符串。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello, World!";

    // 替换子字符串
    s.replace(7, 5, "C++"); // "Hello, C++!"

    std::cout << s << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Hello, C++!

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三、字符串的分割与连接

3.1 分割字符串

C++标准库没有直接提供字符串分割函数，但可以通过 find() 和 substr() 实现。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

std::vector<std::string> split(const std::string& s, char delimiter) {
    std::vector<std::string> tokens;
    size_t start = 0;
    size_t end = s.find(delimiter);

    while (end != std::string::npos) {
        tokens.push_back(s.substr(start, end - start));
        start = end + 1;
        end = s.find(delimiter, start);
    }
    tokens.push_back(s.substr(start));

    return tokens;
}

int main() {
    std::string s = "apple,banana,orange";
    std::vector<std::string> fruits = split(s, ',');

    for (const auto& fruit : fruits) {
        std::cout << fruit << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

apple
banana
orange

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3.2 连接字符串

std::string 支持通过 + 或 append() 方法连接字符串。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s1 = "Hello";
    std::string s2 = "World";

    // 使用 + 连接
    std::string s3 = s1 + ", " + s2 + "!";

    // 使用 append() 连接
    s1.append(", ").append(s2).append("!");

    std::cout << s3 << std::endl;
    std::cout << s1 << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Hello, World!
Hello, World!

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四、字符串的性能优化

4.1 预分配内存

通过 reserve() 方法预分配内存，减少频繁扩容的开销。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s;
    s.reserve(100); // 预分配100字节内存

    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        s += 'a';
    }

    std::cout << "Length: " << s.length() << std::endl;
    std::cout << "Capacity: " << s.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Length: 100
Capacity: 100

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4.2 使用 std::string_view（C++17）

std::string_view 提供零拷贝的字符串访问，适合只读操作。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>

void print(std::string_view sv) {
    std::cout << sv << std::endl;
}

int main() {
    std::string s = "Hello, World!";
    print(s); // 无需拷贝
    print("Literal"); // 直接处理字面量

    return 0;
}

输出：

Hello, World!
Literal

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五、实际应用场景

5.1 配置文件解析

使用字符串分割和查找功能解析配置文件。

示例：

# config.ini
name=John
age=30

#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include <unordered_map>

std::unordered_map<std::string, std::string> parse_config(const std::string& filename) {
    std::unordered_map<std::string, std::string> config;
    std::ifstream file(filename);

    std::string line;
    while (std::getline(file, line)) {
        size_t pos = line.find('=');
        if (pos != std::string::npos) {
            std::string key = line.substr(0, pos);
            std::string value = line.substr(pos + 1);
            config[key] = value;
        }
    }

    return config;
}

int main() {
    auto config = parse_config("config.ini");
    std::cout << "Name: " << config["name"] << std::endl;
    std::cout << "Age: " << config["age"] << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Name: John
Age: 30

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六、总结

std::string 是C++中处理字符串的核心工具，提供了丰富的操作方法。通过合理使用这些方法，可以高效地完成字符串的创建、修改、查找、分割和连接等任务。在实际开发中，结合性能优化技巧（如预分配内存、使用 std::string_view），可以进一步提升程序的效率。