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C++ string类
引言
本篇博客将深入探讨C++ string类的常用接口、容量管理、遍历与修改操作，并对其内部实现机制进行剖析。同时，我们还将介绍 auto 关键字和范围 for 语法，使代码更加简洁和现代化。此外，文章还涵盖了 string 在不同编译环境下的实现差异，并通过模拟实现 string 类，帮助读者更深入理解其底层原理。希望本文能为你提供全面的 string 类知识，并在日常开发中更高效地使用它！
string类文档介绍
注：在使用string类的时候，必须要包含#include头文件以及using namespace std；
1.auto和范围for
1.1 auto关键字
- 在C++11中：
auto不再是一个存储类型指示符了，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。——其作用是使编译器推导演绎得到变量的类型，从而减少代码长度。 - 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&。 - 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，然后推导出来的类型定义其他变量。
auto不能作为函数的参数，可以作为返回值，但是不建议使用——因为类型的嵌套可能会推导很久。auto不能直接用来声明数组。
1.2 范围for
格式
for循环括号中的内容被:分为两个部分，第一个部分是范围内用于迭代的变量，第二部分是表示被迭代的范围，其特点：自动迭代，自动取数据，自动判断结束。
作用
范围
for可以用作到数组和容器对象上的遍历
原理
范围
for的底层——容器遍历实际就是替换为迭代器，从汇编中就可以看到
代码示例
#include<iostream>
#include <string>
#include <map>
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——迭代器//方法1string::interator it = array.begin();while(it != array.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//方法2for (auto& e : array)e *= 2;for (auto e : array)cout << e << " " << endl;string str("hello world");for (auto ch : str){cout << ch << " ";}cout << endl;return 0;
}
2.string类的常用接口说明
2.1 string类对象的常见构造
| (constructor)函数名称 | 功能 |
|---|---|
| string() | 构造空的string类对象，即空字符串 |
| string(const char s)* | 用C-string（即以 \0 结尾的字符数组）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 |
代码示例
void Teststring()
{string s1; // 构造空的string类对象s1 string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(s2); // 拷贝构造s3——用对象s2初始化对象s3
}
2.2 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 | 检测字符串是否为空串，是返回true，否则返回false |
| clear | 清空所有有效字符 |
| reverse | 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 |
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, charc)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，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。
2.3 string类对象的访问及遍历操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| operator[] | 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 |
| rbegin+rend | begin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，然后反向迭代 |
| 范围for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |
2.4 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c |
| append | 在字符串后追加一个字符串 |
| operator+= | 在字符串后追加字符串str |
| c str | 返回C格式字符串（即以 \0 结尾的字符数组） |
| find + npos | 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，npos常量表示一个无效的位置或未找到的结果 |
| 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 |
注意：
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。
代码示例
string str = "Hello, World!";
size_t pos = str.find("World");if (pos != string::npos) {cout << "Found at position: " << pos << endl;
} else {cout << "Not found!" << endl;
}
2.5 string类非成员函数
| 函数 | 功能说明 |
|---|---|
| operator+ | 不建议用（因为传值返回，导致深拷贝效率低） |
| operator>> | 输入运算符重载 |
| operator<< | 输出运算符重载 |
| getline | 获取一行字符串(相较于cin，可以获取字符串中空格及其之后的部分) |
| relational operators | 大小比较的关系运算符 |
2.6 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
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。
- 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
指向堆空间的指针，用来存储字符串
3.浅拷贝，深拷贝，写时拷贝
浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。
深拷贝：值依旧像是浅拷贝一样拷贝下来，但是在资源上，每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享，如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。
写时拷贝：写时拷贝是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。
4.模拟实现string类
string.h文件
#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;
//构造函数等基本函数在声明文件实现class String
{
public:typedef char* iterator;static const size_t npos = -1;
public://构造函数//参数：const char* str：一个指向 C 风格字符串的指针，// 缺省值为空字符串 ""。//作用：如果传入的 str 是空字符串 ""，则创建一个空的 String 对象。//如果传入的 str 是一个有效的 C 风格字符串，则将其内容复制到 String 对象中String(const char* str = ""){if (nullptr == str){assert(false);return;}_size = strlen(str);_capacity = _size;//先申请和形参一样大小的空间_str = new char[strlen(str) + 1];//再赋值初始化strcpy(_str, str);}//拷贝构造函数String(const String& str):_str(nullptr)//初始化列表——确保 _str 在构造函数体执行之前有一个明确的初始值。,_size(0)//避免未初始化指针导致的未定义行为,_capacity(0){ //创建临时对象String strTmp(str._str); //参数为对象的变量//交换指针指向this->swap(strTmp);}//赋值重载String& operator= (String str){this->swap(str);return *this; }//析构函数~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}//iterator//需要在上边用 using iterator = char*;手动定义iterator//using iterator = char*;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}//modifyvoid pushback(char c)//字符串末尾插入一个字符{//先判断是否还有空间插入字符if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 1 : _capacity*2);}_str[_size++] = c;//不要忘了\0结尾_str[_size] = '\0';}String& operator+=(char c)//追加一个字符{pushback(c);return *this;}String& operator+=(const char* str)//追加一个字符串{append(str);return *this;}void append(const char* str) {if (str == nullptr) {return; // 如果传入的字符串为空，直接返回}size_t len = strlen(str); // 获取追加字符串的长度if (_size + len >= _capacity) {// 如果当前空间不足，扩展容量reserve(_size + len + 1); // +1 用于存储 '\0'}// 将 str 的内容复制到 _str 的末尾(_str+_size)strcpy(_str + _size, str);_size += len; // 更新字符串长度}//清除所有有效字符——但是空间都还在void clear(){_size = 0;//防止越界_str[_size] = '\0';}void swap(String& str){//空间 ，标记，内容都要互换std::swap(_str, str._str);std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);}//转换为C语言格式的过程中需要避免被修改const char* c_str()const{return _str;}//capacitysize_t size()const{return _size;}size_t capacity()const{return _capacity;}bool empty()const{if (_size != 0){return false;}else{return true;}}//将字符串中有效字符个数改到n个void resize(size_t newSize, char c = '\0'){//元素个数增多增加空间if (newSize > _size){if (newSize > _capacity){reserve(newSize);}//起始位置，所加字符，所加数量memset(_str + _size, c, newSize - _size);}//元素个数减小空间不变_size = newSize;_str[newSize] = '\0';}void reserve(size_t newCapacity){//申请空间if (newCapacity > _capacity){//先创建一个大的空间，再把原有字符串拷贝进去char* str = new char[newCapacity + 1];if(_str)strcpy(str, _str);// 释放原来旧空间,然后使用新空间delete[] _str;_str = str;_capacity = newCapacity;}//如果保留的空间小于原有的空间则不需要操作}//accesschar& operator[](size_t index){assert(index < _size);return _str[index];}const char& operator[](size_t index)const{assert(index < _size);return _str[index];}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 strcmp(_str, str._str) > 0;}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 strcmp(_str, str._str) != 0;}// 返回c在string中第一次出现的位置size_t find(char c, size_t pos = 0) const{while(pos < _size){if(_str[pos] == c){return pos;}pos++;}return String::npos;}// 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 {if (s == nullptr || s[0] == '\0') {return npos; // 如果子串为空，返回 npos}size_t s_len = strlen(s); // 子串的长度while (pos + s_len <= _size) {if (_str[pos] == s[0]) {// 检查子串是否匹配bool match = true;for (size_t i = 0; i < s_len; ++i) {if (_str[pos + i] != s[i]) {match = false;break;}}if (match) {return pos; // 返回子串的起始位置}}pos++;}return npos; // 未找到}// 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){if (pos > _size) // 位置超出范围{assert(false);return *this;}if (_size + 1 >= _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 1 : _capacity * 2);}for (size_t i = _size; i > pos; --i){_str[i] = _str[i - 1];}_str[pos] = c;++_size;_str[_size] = '\0';return *this;}String& insert(size_t pos, const char* str){if (pos > _size || str == nullptr){assert(false);return *this;}size_t len = strlen(str);if (_size + len >= _capacity){reserve(_size + len + 1);}for (size_t i = _size; i >= pos; --i){_str[i + len] = _str[i];}memcpy(_str + pos, str, len);_size += len;_str[_size] = '\0';return *this;}String& erase(size_t pos, size_t len = 1){if (pos >= _size){assert(false);return *this;}if (pos + len > _size)len = _size - pos;for (size_t i = pos; i + len < _size; ++i){_str[i] = _str[i + len];}_size -= len;_str[_size] = '\0';return *this;}private:friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const String& str);//friend istream& operator>>(istream& _cin, String& str);private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const String& str)
{// 不能使用这个, 因为string的字符串内部可能会包含\0// 直接cout时, 是将_str当成char*打印的，遇到内部的\0时后序内容就不打印了//cout << s._str;for (size_t i = 0; i < str.size(); ++i){_cout << str[i];}return _cout;
}