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008-C++String

news 来源：原创 2025/6/7 8:46:01

string类

1. string类存在的原因

1.1 C语言中的字符串

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OOP（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。

1.2 C++的string类

C++STL库中将字符串封装成了string类，并提供了相应的结构，这样我们对字符串的使用就能更加方便快捷，并且不用担心越界等风险。

2. 标准库中的string类

2.1 string类

C++文档中的介绍：string - C++ Reference — string - C++ Reference

Strings are objects that represent sequences of characters.

The standard string class provides support for such objects with an interface similar to that of a standard container of bytes, but adding features specifically designed to operate with strings of single-byte characters.

The string class is an instantiation of the basic_string class template that uses char (i.e., bytes) as its character type, with its default char_traits and allocator types (see basic_string for more info on the template).

Note that this class handles bytes independently of the encoding used: If used to handle sequences of multi-byte or variable-length characters (such as UTF-8), all members of this class (such as length or size), as well as its iterators, will still operate in terms of bytes (not actual encoded characters).

总结：

  1. string是表示字符串的字符串类

  2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。

  3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string;

  4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

在使用string类时必须包含头文件#include <string>，string类也在std命名空间中。

2.2 string类的常用结构

  1. string类常见构造

    函数名称功能说明
    string()构造空的string类对象，即空字符串
    string(const char* s)用C的字符串来构造string类对象
    string(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符c
    string(const string& s)拷贝构造函数
    int main()
{string s1; // 空字符串string s2("hello string"); // 使用C语言字符串进行构造string s3(9, 'a'); // 创建一个包含9个'a'字符的字符串string s4(s2); //拷贝构造return 0;
}

  2. string类对象的容量操作

    函数名称功能说明
    size返回字符串有效字符长度
    length返回字符串有效字符长度
    capacity返回空间总大小
    empty检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
    clear清空有效字符
    reserve为字符串预留空间
    resize将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充，如果未指定字符，则填充0
    int main()
{string s1("hello string");cout << s1.size() << endl;cout << s1.length() << endl;cout << s1.capacity() << endl;cout << s1.empty() << endl;s1.clear();cout << s1.empty() << endl;s1.reserve(20);cout << s1.capacity() << endl;s1.resize(30, '0');cout << s1 << endl;return 0;
}

    在这里插入图片描述

    注意：

    • 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()。
    • clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
    • 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。
    • reserve(size_t n=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。

  3. string类对象的访问及遍历操作

    函数名称功能说明
    operator[]返回字符串对应下标位置的引用（与C语言字符串功能类似）
    begin、endbegin()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、rendrbegin()获取一个字符的反向迭代器、rend()获取最后一个字符下一个位置的反向迭代器
    cbegin、cend与begin、end不同的是，这个是const修饰的迭代器，也就是不允许修改指向的内容
    crbegin、crendconst修饰的反向迭代器。

    关于迭代器：

    • 暂时可以将它理解成一个指针，可以进行解引用操作。
    • begin就是第一个字符串中第一个位置的指针，end就是指向字符串中最后一个位置下一个位置的指针（左闭右开），rbegin和rend正好相反，rbegin是指向最后一个位置的指针，rend是指向第一个位置的前一个位置的指针。
    • 对正向迭代器进行++操作会将迭代器往后移一个位置，对反向迭代器++则是将迭代器往前移一个位置。
    • string中正向迭代器的类型是string::iterator、反向迭代器则是string::reverse_iterator
    int main()
{string s1("hello string");cout << s1[0] << endl;auto it = s1.begin(); // 因为迭代器类型较长，这里可以使用auto自动识别，更加方便一些while (it != s1.end())cout << *it++;cout << endl;auto rit = s1.rbegin();while (rit != s1.rend())cout << *rit++;cout << endl;return 0;
}

    在这里插入图片描述

    补充：string类的对象也同样支持前面说过的范围for（详见：001-C++入门-CSDN博客文章中9. 基于范围的for循环）

  4. string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
    append在字符串后追加一个字符串
    operator+=在字符串后追加一个字符串
    c_str返回C格式字符串（const char*）
    find从字符串指定位置开始往后找字符c或字符串，不传指定位置默认从第一个位置开始找，返回该字符在字符串中的位置，没找到返回npos（size_t的最大值，转成int本质上就是-1）。
    rfind从字符串指定位置开始往前找字符c，不传指定位置默认从最后一个位置开始找，返回该字符在字符串中的位置，没找到返回npos
    substr在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回。
    int main()
{string s;s.push_back('a');s.append("bb");s += "ccc";printf("%s\n", s.c_str());cout << s.find('a') << ' ' << (int)s.find('d') << endl;cout << s.rfind('c') << ' ' << (int)s.rfind('d') << endl;cout << s.substr(0, 3) << endl;return 0;
}

    在这里插入图片描述

    说明：

    • 在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
    • 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好，这样可以减少底层扩容的次数，提升效率。

  5. string类非成员函数

    函数名称功能说明
    operator+将两个字符串拼接称一个字符串返回，尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
    operator>>输入运算符重载（读取到空格就停止）
    operator<<输出运算符重载
    getline从指定流中获取一行字符串（读取到换行符才停止）
    relaticonal operators（关系运算符重载，也就是<、<=、>、>=、==、!=的重载）大小比较
    int main()
{string s1("aaa");string s2("bbb");cout << s1 + s2 << endl;string s3;cout << "输入：";getline(cin, s3);cout << s3 << endl;return 0;
}

    在这里插入图片描述

  6. 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 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。

      在这里插入图片描述

    • 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：

      • 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。

3.string类的模拟实现

这里我们只实现部分上面提及的常用接口。

String.hpp

#pragma once#include <iostream>namespace my
{class String{friend void swap(String& s1, String& s2);public:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;String(const char* s = ""):_size(strlen(s)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s);_str[_size] = '\0';}String(size_t n, char c):_capacity(n),_size(n){_str = new char[_capacity + 1];for (int i = 0; i < _size; i++)_str[i] = c;_str[_size] = '\0';}String(const String& s){String tmp(s._str);swap(*this, tmp);}String& operator=(String s){swap(*this, s);return *this;}~String(){delete[] _str;}size_t size(){return _size;}size_t length(){return _size;}size_t capacity(){return _capacity;}bool empty(){return _size == 0;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity || (n < _capacity && n > _size)){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void resize(size_t n, char c = '\0'){if (n < _size){_str[n] = '\0';_size = n;return;}if (n > _capacity)reserve(n);while (_size < n)_str[_size++] = c;_str[_size] = '\0';}char& operator[](size_t n){return _str[n];}const char& operator[](size_t n) const{return _str[n];}const char* c_str() const{return _str;}iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator cbegin() const{return _str;}const_iterator rend() const{return _str + _size;}void push_back(char c){if (_capacity == _size){size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;char* tmp = new char[newCapacity + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;}_str[_size++] = c;_str[_size] = '\0';}String& operator+=(const char* s){size_t sz = strlen(s);reserve(sz + _size);for (int i = 0; i < sz; i++)push_back(s[i]);return *this;}String& operator+=(char c){push_back(c);return *this;}String& operator+=(const String& s){reserve(s._size + _size);for (int i = 0; i < s._size; i++)push_back(s[i]);return *this;}size_t find(char c, size_t pos = 0){for (int i = pos; i < _size; i++)if (_str[i] == c)return i;return npos;}size_t find(const char* s, size_t pos = 0){char* p = strstr(_str + pos, s);if (p != nullptr) return p - _str;return npos;}String substr(size_t pos, size_t len = npos){String sub;len = std::min(len, _size - pos);for (int i = pos; i < pos + len; i++)sub += _str[i];return sub;}private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;public:static const size_t npos;};const size_t String::npos = -1;String operator+(String s1, String& s2){s1 += s2;return s1;}std::istream& operator>>(std::istream& in, String& s){s.clear();char c;char tmp[128];int i = 0;c = in.get();while (c != '\n' && c != ' '){tmp[i++] = c;if (i == 127){tmp[i] = '\0';s += tmp;i = 0;}c = in.get();}if (i != 0){tmp[i] = '\0';s += tmp;}return in;}std::ostream& operator<<(std::ostream& out, String& s){out << s.c_str();return out;}bool operator<(String& s1, String& s2){return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;}bool operator==(String& s1, String& s2){return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;}bool operator<=(String& s1, String& s2){return s1 < s2 || s1 == s2;}bool operator>(String& s1, String& s2){return !(s1 <= s2);}bool operator>=(String& s1, String& s2){return !(s1 < s2);}bool operator!=(String& s1, String& s2){return !(s1 == s2);}std::istream& getline(std::istream& in, String& s){s.clear();char c;char tmp[128];int i = 0;c = in.get();while (c != '\n'){tmp[i++] = c;if (i == 127){tmp[i] = '\0';s += tmp;i = 0;}c = in.get();}if (i != 0){tmp[i] = '\0';s += tmp;}return in;}void swap(String& s1, String& s2){std::swap(s1._str, s2._str);std::swap(s1._capacity, s2._capacity);std::swap(s1._size, s2._size);}
}

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