【C++】string的使用与模拟实现
string的使用与模拟实现
✨前言：string 是 C++ 中最常用的类之一，但你真的了解它的底层实现吗？本文将带你快速掌握 string 的核心用法，并深入模拟实现其关键功能，理解深浅拷贝等核心概念。
📖专栏：【C++成长之旅】
目录
- string的使用与模拟实现
- 一、标准库中的string类
- 1.1 auto和范围for
- 1.2 string类的常用接口说明
- 二、string类的模拟实现
- 2.1 string.h
- 2.2浅拷贝与深拷贝
- 2.3 string.cpp
- 三、简单总结
一、标准库中的string类
首先，对于string类的学习我们也可以参考：
【string类文档介绍】
然后，在此之前，我们在这里学习2个C++11的小语法，方便我们后面的学习：
1.1 auto和范围for
auto关键字
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。
int main()
{int a = 10;auto b = a;auto c = 'a';return 0;
}
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&；
int main()
{int x = 10;auto y = &x;auto* z = &x;auto& m = x;return 0;
}
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。
int main()
{//编译报错：error C3538: 在声明符列表中，“auto”必须始终推导为同一类型auto cc = 3, dd = 4.0;return 0;
}
auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
// 不能做参数
void func2(auto a)
{
}
// 可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto func3()
{return 3;
}
auto不能直接用来声明数组
int main()
{//编译报错：error C3318: “auto []”: 数组不能具有其中包含“auto”的元素类型auto array[] = { 4, 5, 6 };return 0;
}
int main()
{// 编译报错:rror C3531: “e”: 类型包含“auto”的符号必须具有初始值设定项,不然无法推导auto e;return 0;
}
范围for
对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。
范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器。
对于迭代器简单解释一下：
我们可以把迭代器在行为上看做是指针（因为它模拟指针的用法），但实际上它的实现不一定是指针，而是一个为了统一遍历各种数据结构而设计的抽象工具。
其实这种“统一接口”的特性，正是C++ STL（标准模板库）的基石。（慢慢体会）
#include<iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };// C++98的遍历for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i){array[i] *= 2;}for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i){cout << array[i] << endl;}// C++11的遍历for (auto& e : array)e *= 2;for (auto e : array)cout << e << " " << endl;string str("hello world");//用"hello world"构造了一个stringfor (auto ch : str){cout << ch << " ";}cout << endl;return 0;
}
有了上面两个的基础，我们在C++中遍历容器就比较方便。
1.2 string类的常用接口说明
对于string类我只讲解最常用的接口，因为各种原因导致string类有些冗余。
- string类对象的常见构造
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
string() (重点) | 构造空的 string 类对象，即空字符串 |
string(const char* s) (重点) | 用 C-string 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) (重点) | 拷贝构造函数 |
void test()
{string s1; // 构造空的 string 类对象 s1string s2("hello world"); // 用 C 格式字符串构造 string 类对象 s2string s3(s2); // 拷贝构造 s3
}
- string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 | 返回字符串有效字符长度 |
capacity | 返回空间总大小 |
empty (重点) | 检测字符串是否为空串，是返回 true，否则返回 false |
clear (重点) | 清空有效字符 |
reserve (重点) | 为字符串预留空间** |
resize (重点) | 将有效字符的个数改成 n 个，多出的空间用字符填充 |
说明：
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 res_arg=0)：
为string预留空间，不改变有效元素个数，但是reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver会不会缩容是不确定的。
我们来看官方说法：
不确定的，也就是说reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver会不会缩容是不确定的。但是：
此函数不会影响字符串长度，也无法修改其内容。其实可以看出来reserve()函数还是很温柔的，它只是建议保留n个空间。
- string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 获取第一个字符的迭代器，end 获取最后一个字符下一个位置的迭代器 （左闭右开） |
rbegin + rend | rbegin 获取最后一个字符的迭代器，rend 获取第一个字符前一个位置的迭代器 |
| 范围for (C++11) | C++11 支持更简洁的范围 for 的新遍历方式 |
#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{string str = "hello world";// 1. operator[] 访问for (size_t i = 0; i < str.size(); ++i){cout << str[i] << " ";}cout << endl;// 2. 迭代器遍历for (auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it){cout << *it << " ";}cout << endl;// 3. 反向迭代器遍历for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit){cout << *rit << " ";}cout << endl;// 4. 范围for遍历 (C++11)for (char ch : str){cout << ch << " ";}cout << endl;return 0;
}
- 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 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 (const char* 类型) |
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 |
std::string str = "hello";// 1. push_back - 尾插字符
str.push_back('!'); // str becomes "hello!"// 2. append - 追加字符串
str.append(" world"); // str becomes "hello! world"// 3. operator+= - 追加字符串（更常用）
str += " C++"; // str becomes "hello! world C++"// 4. c_str - 返回C格式字符串
const char* cstr = str.c_str(); // 可用于C语言接口// 5. find - 查找字符/字符串
size_t pos = str.find('o'); // 返回第一个'o'的位置
if (pos != std::string::npos)
{ // npos表示未找到std::cout << "Found at: " << pos << std::endl;
}// 6. rfind - 反向查找
size_t rpos = str.rfind('o'); // 从后往前找第一个'o'// 7. substr - 截取子串
std::string sub = str.substr(0, 5); // 截取前5个字符："hello"
对于npos解释：
它的字面意思是 “not a position” 或 “no position”，用于表示无效的或未找到的位置。
由于 size_t 是无符号类型，-1 会变成该类型能表示的最大值,即0xFFFFFFFF，我们的string的大小不可能是npos，就用npos表示无效的或未找到的位置
简单来说，npos 就是一个官方定义的、用来判断字符串查找操作是否成功的“失败标志”。
注意（习惯）：
- 在string尾部追加字符时，s.push_back© / 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。
- string类非成员函数
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
operator+ | 字符串拼接，但尽量少用，因为传值返回导致深拷贝，效率低 |
operator>> (重点) | 输入运算符重载（用于从流中提取字符串） |
operator<< (重点) | 输出运算符重载（用于将字符串插入到流中） |
getline (重点) | 获取一行字符串（可指定分隔符） |
relational operators (重点) | 大小比较（包括 ==, !=, <, <=, >, >= 等） |
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;int main() {string s1 = "Hello";string s2 = "World";// 1. operator+ (不推荐频繁使用)string s3 = s1 + " " + s2; // 产生临时对象，深拷贝效率低cout << s3 << endl; // Output: Hello World// 2. operator>> 输入string input;cout << "Please enter a string: ";cin >> input; // 遇到空格停止cout << "You entered: " << input << endl;// 3. operator<< 输出cout << s1 << " " << s2 << endl; // Output: Hello World// 4. getline 获取一行（推荐）cin.ignore(); // 清除输入缓冲区cout << "Please enter a line: ";getline(cin, input); // 读取整行，包括空格cout << "You entered: " << input << endl;// 5. relational operators 比较if (s1 == s2) {cout << "Strings are equal" << endl;} else if (s1 < s2) {cout << s1 << " is less than " << s2 << endl;} else {cout << s1 << " is greater than " << s2 << endl;}return 0;
}
对于string类的接口还有很多，上面的几个接口大家了解一下，后续慢慢练习就熟悉了。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前面说过的文档即可。
二、string类的模拟实现
2.1 string.h
上面已经对string类进行了简单的介绍，我们只要能够正常使用即可。但是在面试中，面试官总喜欢让我们自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。
string的底层我们可以看作是：
当然，也可以更为简化，但是，我们为了方便书写代码，就可以像我这种，下面我们来完成string类的实现：
可以根据下面头文件中的声明来试着实现一下：
string.h:
class string
{friend std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, const sxn::string& s);friend std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s);
public://迭代器重命名typedef char* iterator;
public:string(const char* str = "");string(const string& s);//string& operator=(const string& s);string& operator=(string s);~string();// iteratoriterator begin();iterator end();// modifyvoid swap(string& s);void push_back(char c);string& operator+=(char c);void append(const char* str);string& operator+=(const char* str);void clear();void swap(string& s);const char* c_str()const;// capacitysize_t size()const;size_t capacity()const;bool empty()const;void resize(size_t n, char c = '\0');void reserve(size_t n);// accesschar& operator[](size_t index);const char& operator[](size_t index)const;//relational operatorsbool operator<(const string& s);bool operator==(const string& s);bool operator<=(const string& s);bool operator>(const string& s);bool operator>=(const string& s);bool operator!=(const string& s);// 返回c在string中第一次出现的位置size_t find(char c, size_t pos = 0) const;// 返回子串s在string中第一次出现的位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置string& insert(size_t pos, char c);string& insert(size_t pos, const char* str);// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置string& erase(size_t pos, size_t len);private:char* _str = NULL;size_t _capacity = 0;size_t _size = 0;
};
2.2浅拷贝与深拷贝
这里就有个问题：拷贝构造和赋值重载需要我们自己实现吗？
回答是，要，必须要。
这里就涉及到了深浅拷贝的问题，前面的文章也说过了，但是都没有实操的机会，这里真好赶上了，就展开再说说，就以拷贝构造为例，假如是编译器自己生成的，就是浅拷贝/值拷贝，会导致：
这是我们想要的结果吗，不是，它还会导致在调用析构函数的时候，会调用两次，出现问题。
所以这里我们就要实现深拷贝，深拷贝之后要达到的效果：
其实也很好理解，因为编译器不知道你这里到底指向资源还是干什么，它只知道在这块空间上放着_str、_size、_capacity这三个，所以它只能完成浅拷贝。
有了深浅拷贝的理解，这些代码就很好完成了。
2.3 string.cpp
#include"string.h"const size_t string::npos = -1;//构造函数
string::string(const char* str):_str(new char[strlen(str) + 1])
{_size = strlen(str);strcpy(_str, str);_capacity = _size;// std::cout << "string(const char* str)" << std::endl;
}
//拷贝构造函数
/*string::string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}*///现代写法
string::string(const string& s)
{string tmp(s._str);swap(tmp);
}//析构函数
string::~string()
{delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity;//std::cout << "~string()" << std::endl;
}
// iterator
string::iterator string::begin()
{return _str;
}
string::iterator string::end()
{return _str + _size;
}
//赋值
/*string& string::operator=(const string& s)
{delete[] _str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;
}*/
//现代写法
/*string& string::operator=(const string& s)
{string tmp(s._str);swap(tmp);return *this;
}*/
string& string::operator=(string s)
{swap(s);return *this;
}// modify
//尾插
void string::push_back(char c)
{reserve(_size + 1);_str[_size++] = c;
}
string& string::operator+=(char c)
{push_back(c);return *this;
}
//追加
void string::append(const char* str)
{int len = strlen(str);reserve(_size + len);strcpy(_str + _size, str);_size = _size + len;
}
string& string::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}
void string::clear()
{_size = 0;_str[0] = '\0';
}
void string::swap(string& s)
{std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);
}
const char* string::c_str()const
{return _str;
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
// capacity
size_t string::size()const
{return _size;
}
size_t string::capacity()const
{return _capacity;
}
bool string::empty()const
{return _size == 0;
}
void string::resize(size_t n, char c)
{if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);while (_size < n){_str[_size++] = c;}_str[_size] = '\0';}
}
void string::reserve(size_t n)
{static size_t count = 0;if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;std::cout << "reserve->" << ++count << std::endl;}
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
// access
char& string::operator[](size_t index)
{assert(index < _size);return _str[index];
}
const char& string::operator[](size_t index)const
{assert(index < _size);return _str[index];
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
//relational operators
bool string::operator<(const string& s)
{int i = 0;int j = 0;while (i < _size && j < s._size){if (_str[i++] >= s._str[j++]){return false;}}if (i < _size && j == s._size)return false;return true;
}
bool string::operator==(const string& s)
{int i = 0;int j = 0;while (i < _size && j < s._size){if (_str[i++] != s._str[j++]){return false;}}if (i != _size || j != s._size)return false;return true;
}
bool string::operator<=(const string& s)
{return *this == s || *this < s;
}
bool string::operator>(const string& s)
{return !(*this <= s);
}
bool string::operator>=(const string& s)
{return *this == s || *this > s;
}bool string::operator!=(const string& s)
{return !(*this == s);
}// 返回c在string中第一次出现的位置
size_t string::find(char c, size_t pos) const
{if (pos >= _size)return npos;while (pos < _size){if (_str[pos] == c)return pos;}return npos;
}
// 返回子串s在string中第一次出现的位置
size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{char* str = strstr(_str + pos, s);if (str == nullptr){return npos;}return str - _str;
}
// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
string& string::insert(size_t pos, char c)
{assert(pos <= _size);reserve(_size + 1);size_t i = _size + 1;while (i > pos){_str[i] = _str[i - 1];--i;}_str[pos] = c;++_size;return *this;
}
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (len == 0)return *this;reserve(_size + len);size_t i = _size + len;while (i >= pos + len){_str[i] = _str[i - len];--i;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;
}// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
string& string::erase(size_t pos, size_t len)
{assert(pos < _size);if (pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{int i = 0;while (len <= _size){_str[pos + i] = _str[pos + len];i++;len++;}_size = pos + i - 1;}return *this;
}//输入输出
std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, const sxn::string& s)
{int n = 0;while (n < s._size){_out << s._str[n++];}return _out;
}/* std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s){s.clear();char ch = (char)_in.get();while (ch != '\n'){s.reserve(++s._size);s._str[s._size-1] = ch;s._str[s._size] = '\0';//不写这个reserve函数中的strcpy()拷贝就会出错ch = _in.get();}s._str[s._size] = '\0';return _in;}*/
std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s)
{s.clear();//用一个数组做缓冲，减少开辟内存的时间const int N = 5;char buffer[N];//要使用get函数才行，因为cin以及输入时将空格忽视int ch = _in.get();int i = 0;while (ch != '\n'){//先写入bufferif (i < N){buffer[i++] = ch;}else{s.reserve(s._size + N);strncpy(s._str + s._size, buffer, N);s._size += N;s._str[s._size] = '\0';i = 0;}ch = _in.get();}if (i > 0){s.reserve(s._size + i + 1);strncpy(s._str + s._size, buffer, i + 1);s._size += i + 1;s._str[s._size] = '\0';}return _in;
}
在这里再提一个点：
可以看看区别，巧妙：
函数之后，s自动析构，只能说，完美。
对于string类的模拟实现不仅仅是一个编程练习，更是理解C++面向对象、资源管理和运算符重载等核心概念的绝佳范例，要时间都可以练习练习。
三、简单总结
记住，真正掌握一个类，不仅要会用，更要知其所以然。正是我们迈向C++高手之路的重要一步！
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