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string类模拟实现

std::string 类作为 C++ 标准库中非常重要的一个类型，它封装了字符串的动态分配、内存管理以及其他字符串操作。

基本构思与设计

一个简化版的 string 类需要满足以下基本功能：

• 存储一个字符数组（char*）。
• 记录字符串的长度和容量。
• 实现一些常见的字符串操作：如拷贝构造、赋值、拼接、访问字符等。
• 动态扩展数组以支持变长字符串。

基础成员变量和构造函数

首先，我们定义一个 String 类的基本结构。为了模拟 std::string，我们需要存储字符数组、字符串的大小以及容量。

class String
{
public:// ...private:char* data;size_t size;size_t capacity;
};

其中data是字符数组，size表示已存储字符个数，capacity表示能存储字符个数（不包括"\0"）

// 默认构造函数
String():data(new char[1])
{data[0] = '\0';size = capacity = 0;
}// 构造函数：根据 C 字符串初始化
String(const char* str)
{size = strlen(str);capacity = size;data = new char[capacity + 1]; // 多一个空间用于存放'\0'strcpy(data, str);
}

两个构造函数还可以合二为一采用缺省值写法。

String::String(const char* str = "")
{size = strlen(str);capacity = size;data = new char[capacity + 1];strcpy(data, str);
}

特别注意：此处的缺省值只能给str = ""表示一个空串。若给其他值会导致在构造空串时不合理。

拷贝构造函数和赋值

// 拷贝构造函数
String(const String& rhs)
{size = rhs.size;capacity = rhs.capacity;data = new char[capacity + 1];strcpy(data, rhs.data);
}// 赋值操作符重载
String& operator=(const String& rhs)
{// 检查自赋值    if (this != &rhs){delete[] data; // 释放原有的内存资源size = rhs.size;capacity = rhs.capacity;data = new char[capacity + 1];strcpy(data, rhs.data);}return *this;
}

特别注意：赋值操作符重载时不要忘记释放原有的内存资源

reserve函数

// 重新分配内存
void String::reserve(size_t new_capacity)
{// 如果新的容量小于当前容量，不做任何事情if (new_capacity > capacity) {char* new_data = new char[new_capacity + 1];strcpy(new_data, data);delete[] data;// 释放原有的内存资源data = new_data;capacity = new_capacity;}
}

字符串拼接相关函数

// 追加字符
void push_back(char ch)
{if (size == capacity){// 重新分配内存// 先判断capacity是否为0，如果为0，新的容量为2，否则为原来的2倍size_t new_capacity = capacity == 0 ? 2 : 2 * capacity;reserve(new_capacity);}data[size++] = ch;data[size] = '\0'; // 添加字符串结束符
}// 追加字符串
void append(const char* str)
{size_t new_size = size + strlen(str);if (new_size > capacity){// 重新分配内存size_t new_capacity = capacity == 0 ? 2 : 2 * capacity;// 扩容到足够容纳新字符串的大小,以2倍数扩容while (new_capacity < new_size){new_capacity *= 2;}reserve(new_capacity);}strcat(data, str);size = new_size;
}

重载+=运算符

// 重载+=运算符
String& String::operator+=(char ch)
{push_back(ch);return *this;
}
String& String::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}

直接复用上面的代码

insert函数

String& insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= size);if (size == capacity){// 重新分配内存size_t new_capacity = capacity == 0 ? 2 : 2 * capacity;reserve(new_capacity);}// 将pos位置及其后面的字符向后移动一个位置for (size_t i = size; i > pos; --i){data[i] = data[i - 1];}data[pos] = ch;++size;return *this;
}String& insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= size);size_t len = strlen(str);size_t new_size = size + len;if (new_size > capacity){// 重新分配内存size_t new_capacity = capacity == 0 ? 2 : 2 * capacity;// 扩容到足够容纳新字符串的大小,以2倍数扩容while (new_capacity < new_size){new_capacity *= 2;}reserve(new_capacity);}// 将pos位置及其后面的字符向后移动len个位置for (size_t i = size; i >= pos; --i){data[i + len] = data[i];}// 将str插入到pos位置for (size_t i = 0; i < len; ++i){data[pos + i] = str[i];}size = new_size;return *this;
}

此处需要注意挪动数据的方式。

erase函数

// 删除函数
String& erase(size_t pos, size_t len = npos)
{assert(pos < size);// 如果len超过pos到字符串末尾的长度，只删除pos到字符串末尾的长度if (len > size - pos) {data[pos] = '\0';size = pos;}else {// 将pos+len位置及其后面的字符向前移动len个位置size_t i = pos + len;while (i <= size){data[pos++] = data[i++];}size -= len;}return *this;
}

其中npos是一个常量

const static size_t npos = -1;

resize函数

// 调整字符串大小
void resize(size_t new_size, char ch = '\0')
{if (new_size > size){if (new_size > capacity){// 重新分配内存reserve(new_size);}// 将ch添加到字符串末尾for (size_t i = size; i < new_size; ++i){data[i] = ch;}}data[new_size] = '\0'; // 添加字符串结束符size = new_size;
}

查找函数

size_t find(char ch, size_t pos) const
{for (size_t i = pos; i < size; ++i) {if (data[i] == ch) {return i;}}return npos;
}size_t find(const char* str, size_t pos) const
{char* p = strstr(data + pos, str);return p ? p - data : npos;
}

输入输出

istream& operator>>(istream& is, String& str)
{char ch;ch = is.get();while (ch != ' ' && ch != '\n') {str.push_back(ch);ch = is.get();// 读取下一个字符,可以读取空格}return is;
}istream& getline(istream& is, String& str)
{char ch;ch = is.get();while (ch != '\n') {str.push_back(ch);ch = is.get();// 读取下一个字符,可以读取空格}return is;
}ostream& operator<<(ostream& os, const String& str)
{os << str.c_str();return os;
}

比较运算符重载

bool operator==(const String& lhs, const String& rhs)
{int ret = strcmp(lhs.c_str(), rhs.c_str());return ret == 0;
}bool operator!=(const String& lhs, const String& rhs)
{return !(lhs == rhs);
}bool operator<(const String& lhs, const String& rhs)
{int ret = strcmp(lhs.c_str(), rhs.c_str());return ret < 0;
}bool operator>(const String& lhs, const String& rhs)
{int ret = strcmp(lhs.c_str(), rhs.c_str());return ret > 0;
}bool operator<=(const String& lhs, const String& rhs)
{return !(lhs > rhs);
}bool operator>=(const String& lhs, const String& rhs)
{return !(lhs < rhs);
}

重载[]运算符

char& operator[](size_t i)
{return data[i];
}const char& operator[](size_t i) const
{return data[i];
}

迭代器

iterator begin()
{return data;
}const_iterator begin() const
{return data;
}iterator end()
{return data + size;
}const_iterator end() const
{return data + size;
}

其中iterator来自typedef

typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;

大小相关

size_t Size() const
{return size;
}size_t length() const
{return size;
}size_t Capacity() const
{return capacity;
}

完整代码

GitHub链接