C++ STL—— String库
在C++编程中，字符串操作是几乎每个项目都会涉及的基础功能。C++标准模板库（STL）中的
string类为我们提供了强大而灵活的工具，使得字符串的处理变得简单高效。无论是字符串的创建、修改、查找，还是复杂的文本处理，string库都能轻松应对。
一、常用的String函数：
| 函数 | 功能 |
| length( ) | 返回字符串的长度 |
| size( ) | 返回字符串的长度 |
| push_back( ) | 在字符串尾部添加一个字符 |
| append( ) | 在字符串尾部添加一个字符串 |
| find(str,pos) | 查找str在pos（含）之后第一次出现的位置，若不写pos，默认为pos=0。如果找不到，返回-1，注意需要强制转换为int型才能输出-1（后面的模拟实现会讲到） |
| substr(pos,len) | 返回从pos位置开始截取最多len个字符组成的字符串，如果从pos开始的子串长度不足len，则截取这个子串 |
| insert(index,count,str) | 在index出连续插入count次字符串str |
| insert(index,str) | 在index处插入字符串str |
| erase(index,count) | 将字符串从index位置开始（含）的count个字符删除，若不传参给count，则表示删除index位置及以后的所有字符 |
| replace(pos,count,str) | 把从pos位置开始count个字符的子串替换为str |
| replace(first,last,str) | 把以first开始（含）、last结束（不含）的子串（左闭右开区间）替换为str，其中first和last均为迭代器 |
| empty( ) | 判断字符串是否为空，如果为空返回1，不为空则返回0 |
二、底层实现
以下是 C++ STL 中
std::string类相关运算符和成员函数的底层实现原理的详细说明。由于标准库的具体实现因编译器而异（如 GCC 的libstdc++或 LLVM 的libc++），此处描述的是通用的设计思路和典型实现方式。
1、运算符重载的底层实现
1. operator+（字符串连接）
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功能：将两个字符串连接成一个新字符串。
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底层实现：
std::string operator+(const std::string& lhs, const std::string& rhs) { std::string result; result.reserve(lhs.size() + rhs.size()); // 预分配内存 result = lhs; // 复制左操作数 result.append(rhs); // 追加右操作数 return result; }-
创建新字符串对象，分配足够内存（
lhs.size() + rhs.size()）。 -
依次复制左、右操作数的字符内容。
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返回新对象（可能触发移动语义优化，避免深拷贝）。
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2. operator==（相等比较）
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功能：判断两个字符串内容是否相同。
-
底层实现：
bool operator==(const std::string& lhs, const std::string& rhs) { if (lhs.size() != rhs.size()) return false; // 长度不同直接返回 false return memcmp(lhs.data(), rhs.data(), lhs.size()) == 0; // 逐字节比较 }-
先比较长度，长度不同直接返回
false。 -
使用
memcmp快速比较内存块。
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3. operator< 和 operator>（字典序比较）
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功能：按字典序比较字符串。
-
底层实现（以
<为例）：bool operator<(const std::string& lhs, const std::string& rhs) { size_t min_len = std::min(lhs.size(), rhs.size()); int cmp = memcmp(lhs.data(), rhs.data(), min_len); // 比较前 min_len 个字符 if (cmp != 0) return cmp < 0; // 发现不同字符 return lhs.size() < rhs.size(); // 前面字符全相同，比较长度 }-
逐字符比较，直到找到第一个不同的字符。
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若所有字符相同，则长度较短的字符串更小。
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2、成员函数的底层实现
1. length() 和 size()
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功能：返回字符串长度。
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底层实现：
size_t size() const noexcept { return _size; // 直接返回内部维护的 size 成员变量 } size_t length() const noexcept { return _size; // 通常与 size() 完全等价 }-
直接返回内部存储的
size值，时间复杂度 O(1)。
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2. push_back(char c)
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功能：在字符串末尾追加一个字符。
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底层实现：
void push_back(char c) { if (_size + 1 > _capacity) { // 容量不足时扩容 reserve(_capacity * 2 + 1); // 通常按指数扩容（如 2 倍） } _data[_size] = c; // 写入新字符 _size++; // 更新长度 _data[_size] = '\0'; // 添加终止符（某些实现可能省略） }-
若容量不足，触发扩容（
reserve）。 -
在末尾写入字符并更新长度，时间复杂度 平摊 O(1)。
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3. append(const std::string& str)
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功能：追加另一个字符串。
-
底层实现：
std::string& append(const std::string& str) { if (_size + str.size() > _capacity) { reserve(_size + str.size()); // 确保容量足够 } memcpy(_data + _size, str.data(), str.size()); // 复制内容 _size += str.size(); // 更新长度 return *this; }-
类似
operator+，但直接在原字符串上操作，时间复杂度 O(n)。
-
4. find(const std::string& str, size_t pos)
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功能：从
pos位置开始查找子串str。 -
底层实现（简化版）：
size_t find(const std::string& str, size_t pos = 0) const { if (pos > _size || str.size() > _size - pos) return npos; for (size_t i = pos; i <= _size - str.size(); ++i) { if (memcmp(_data + i, str.data(), str.size()) == 0) { return i; // 找到匹配 } } return npos; // 未找到 }-
暴力匹配算法，时间复杂度 O(n*m)（实际可能优化为 KMP 或 Boyer-Moore）。
-
在C++中，
string::find函数的返回值类型为size_t（无符号整数类型）。当未找到目标时，它返回string::npos，其值实际上是size_t类型的最大值（例如，64位系统中为18446744073709551615）。以下是关键原因：为什么强制转换为
int会输出-1？
无符号到有符号的转换：
size_t是无符号的，而int是有符号的。当string::npos（即size_t最大值）被强制转换为int时，会发生二进制位的直接截断。
例如，size_t的18446744073709551615（二进制全1）转换为int时，会解释为补码形式的-1。实现依赖行为：
这种转换的结果依赖于平台和编译器。若int为32位，则高位被丢弃，剩余的32位全1即对应-1；若int为64位，则结果可能不同。因此，强制转换并非完全可靠。示例验证
#include <iostream> #include <string> using namespace std; int main() { string s = "abc"; size_t pos = s.find("d"); // 未找到，pos = string::npos cout << "直接输出 size_t: " << pos << endl; // 输出 18446744073709551615 cout << "强制转为 int: " << (int)pos << endl; // 输出 -1 return 0; }正确做法
直接比较是否等于
string::npos：if (s.find("xxx") == string::npos) { cout << "未找到" << endl; }避免依赖强制转换：
强制转换可能导致不可移植性，尤其在跨平台代码中。若必须输出-1，可以显式判断：size_t pos = s.find("xxx"); cout << (pos == string::npos ? -1 : (int)pos) << endl;总结
find未找到时返回string::npos（无符号最大值），直接输出会显示大整数。强制转换为
int后输出-1，是因为二进制截断触发了补码的符号位机制，但这是实现相关的。推荐使用
pos == string::npos进行逻辑判断，而非依赖强制转换后的值。
5. substr(size_t pos, size_t len)
-
功能：返回从
pos开始的长度为len的子串。 -
底层实现：
std::string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const { len = std::min(len, _size - pos); // 修正 len 为有效值 return std::string(_data + pos, len); // 直接构造新 string }-
构造新字符串并复制指定区间的字符，时间复杂度 O(len)。
-
6. insert(size_t index, size_t count, char c) 和 insert(size_t index, const std::string& str)
-
功能：在指定位置插入字符或字符串。
-
底层实现（插入字符串）：
std::string& insert(size_t index, const std::string& str) { if (index > _size) throw std::out_of_range(...); if (_size + str.size() > _capacity) reserve(_size + str.size()); memmove(_data + index + str.size(), _data + index, _size - index); // 后移原有字符 memcpy(_data + index, str.data(), str.size()); // 插入新内容 _size += str.size(); // 更新长度 return *this; }-
使用
memmove处理内存重叠，时间复杂度 O(n)。
-
7. erase(size_t index, size_t count)
-
功能：删除从
index开始的count个字符。 -
底层实现：
std::string& erase(size_t index, size_t count = npos) { count = std::min(count, _size - index); // 修正实际删除长度 memmove(_data + index, _data + index + count, _size - index - count); _size -= count; // 更新长度 _data[_size] = '\0'; // 终止符 return *this; }-
用
memmove将后续字符前移覆盖被删除部分，时间复杂度 O(n)。
-
8. replace(size_t pos, size_t count, const std::string& str)
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功能：替换从
pos开始的count个字符为str。 -
底层实现：
std::string& replace(size_t pos, size_t count, const std::string& str) { erase(pos, count); // 删除旧内容 insert(pos, str); // 插入新内容 return *this; }-
组合
erase和insert，时间复杂度 O(n + m)。
-
9. empty()
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功能：判断字符串是否为空。
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底层实现：
bool empty() const noexcept { return _size == 0; // 直接检查长度是否为 0 }-
时间复杂度 O(1)。
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3、关键实现细节
-
内存管理：
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使用动态数组（
char* _data）存储字符。 -
维护
size（当前长度）和capacity（当前容量）。 -
扩容时通常按指数增长（如
reserve(2 * _capacity)）以平摊时间复杂度。
-
-
短字符串优化（SSO）：
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短字符串（如长度 ≤15）直接存储在对象内部，避免堆内存分配。
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-
异常安全：
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内存分配失败时可能抛出
std::bad_alloc。
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移动语义（C++11）：
-
移动构造函数直接“窃取”源对象的
_data，避免深拷贝。
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三、 String库函数的直接应用
# include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{
//定义、初始化、赋值
string s1; // 定义一个空字符串s1
string s2 = "bcd"; // 定义并初始化字符串s2为"bcd"
s2 = "efg"; // 将s2重新赋值为"efg"
cout << s2 << endl; // 输出s2的值。输出:efg
string s("abc"); // 定义并初始化字符串s为"abc"
string s3(s); // 定义字符串s3并用s初始化，s3为"abc"
//长度
cout << s.length() << endl; // 输出字符串s的长度。输出:3
//遍历
for (int i = 0; i < s.size(); i++)
cout << s[i];
cout << endl; // 遍历并输出字符串s的每个字符。输出:abc
//添加，合并字符串
s.push_back('d');
cout << s << endl; // 在s的末尾添加字符'd'。输出:abcd
s.append('efg');
cout << s << endl; // 在s的末尾添加字符串"efg"。输出:abcdefg
s = s + 'h';
s += 'i';
cout << s << endl; // 在s的末尾添加字符'h'和'i'。输出:abcdefghi
//用重载的 + 在尾部添加字符。输出：abcdefgh1
s = s + "jk";
s += "lmnabc";
s = "xyz" + s;
cout << s << endl;
// 在s的末尾添加字符串"jk"和"lmnabc"，并在s的开头添加"xyz"。输出:xyzabcdefghijklmnabc
//输出：xyzabcdefghijklmnabc
string s4 = "uvw"; // 定义并初始化字符串s4为"uvw"
cout << s + s4 << endl; //合并字符串。输出：xyzabcdefghijklmnabcuvw
//查找字符串字符串
cout << "pos of b = "<<s.find('b') << endl;
// 查找字符'b'第一次出现的位置。输出:pos of b = 4
cout << "pos of ef = "<<s.find('ef') << endl;
// 查找字符串"ef"第一次出现的位置。输出:pos of ef = 8
cout << "pos of ab = "<<s.find('ab',5) << endl;
// 从s[5]开始查找字符串"ab"第一次出现的位置。输出:pos of ab = 18
cout << "pos of hello = "<<(int)s.find('hello') << endl;
// 查找字符串"hello"第一次出现的位置，未找到返回-1。输出:pos of hello = -1
//截取字符串
cout << s.substr(3, 5) << endl; // 从s[3]开始截取5个字符构成的字符串。输出:abcde
cout << s.insert(4,"opq") << endl; // 在s[4]位置插入字符串"opq"。输出:xyzoppqabcdefghijklmnabc
//删除、替换
cout << s.erase(10,2)<< endl;
//从s[10]开始删除两个字符。输出:xyzaopqbcdghijklmnabc
cout << s.erase(10)<< endl;
//从s[10]开始删除后面的所有字符。输出:xyzaopqbcd
cout << s.replace(2,3,"1234")<< endl;
//把从s[2]开始的3个字符替换为"1234"。输出:xy1234pqbcd
cout << s.replace(s.begin() + 7,s.begin() + 9,"5678")<< endl;
//把s[7]->s[8]替换为"1234"。输出:xy1234p5678cd
//清理、判断
cout << s.empty()<< endl; //判断是否为空，不空返回0，空返回1。输出:0
s.clear(); //清空
cout << s.empty()<< endl; //输出:1
//比较
string s5 = "abc";
string s6 = "abc";
string s7 = "bc";
if(s5 == s6)
cout << "== "<< endl;
if(s5 < s7)
cout << "<" << endl;
if(s5 > s7)
cout << ">" << endl;
if(s5 != s7)
cout << "!=" << endl;
return 0;
}