浅谈C++ 字符串类 —— string类

摘要：C++ string类的编写，牵涉最多的就是内存管理了。对此不太了解的，推荐阅读《C++ 构造函数执行原理》、《 C++ 拷贝构造函数》两篇文章，在文中有详细介绍了类的创建及销毁过程。同时，阐述了拷贝构造函数的调用时机。在此基础上，需要学习如何进行运算符重载以及学习const的相关用法，该文《C++ 修饰符const、static、extern、ref、volatile、explicit总结》中的const部分，阐述十分详尽并附带案例。学习起来很方便。在这些知识的基础上，那么就开始动手构建String类吧。

目录：

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 - String();

 - String(const char* str_ptr);

 - String(const String& str_ref);

 - ~String();

 - String& operator= (const String& str_ref);

 - String operator+ (const String& str_ref) const;

 - String& operator+= (const String& str_ref);

 - char operator[] (const unsigned int index) const;

 - bool operator== (const String& str_ref) const;

 - unsigned int size() const;

 - const char* c_str() const;

 - friend std::ostream& operator<< (std::ostream& output, const String& str_ref);

 - friend std::istream& operator>> (std::istream& input, String& str_ref);

C++中，字符串类的名称为string，位于std命名空间之下。本文模仿构造类String，同时将其位于mango命名空间之下。这里需要强调的是，标准库string类是用模板实现的，用以兼容大多数类型的情况，所以如果需要写底层库dll的话（库中.h文件不允许使用模板），string类是不可以的使用的，这时如果非要使用string的话，可以考虑两种方式：①不用模板，自己实现String类；②使用桥接技术，将.h内容转移到.cpp中实现。

摘选了一些具有代表性的几个函数，使用C语言函数对其进行了实现。这几个函数，几乎都牵涉到内存的管理，如果不太清楚的，请移步至本文开头处的文章。另外，在函数实现过程中，引入了C++异常捕获技术，阅读《浅谈C++ 标准库中的异常 —— stdexcept类》一文，可以了解更多这方面的知识。

以下为String类构造情况，

#pragma once
#include 

namespace mango
{
    class String
    {
    public:
        String();
        String(const char* str_ptr);
        String(const String& str_ref);
        ~String();
        String& operator= (const String& str_ref);
        String operator+ (const String& str_ref) const;
        String& operator+= (const String& str_ref);
        char operator[] (const unsigned int index) const;
        bool operator== (const String& str_ref) const;
        unsigned int size() const;
        const char* c_str() const;
    protected:
        friend std::ostream& operator<< (std::ostream& output, const String& str_ref);
        friend std::istream& operator>> (std::istream& input, String& str_ref);
    private:
        char* m_str_ptr;
        unsigned int m_str_size;
    };
}

String();

构造函数中，为了对内存进行统一释放，全部采用new char[]方式。这样，释放时就统一为delete[]。

String::String()
{
    m_str_size = 0;
    m_str_ptr = new char[1];
    if (m_str_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    *m_str_ptr = '\0';
}

String(const char* str_ptr);

String::String(const char* str_ptr)
{
    m_str_size = strlen(str_ptr);
    m_str_ptr = new char[m_str_size + 1];
    if (m_str_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    strcpy(m_str_ptr, str_ptr);
}

String(const String& str_ref);

这里注意，拷贝构造函数的参数必须为引用类型，否则将会陷入无休止的递归中。当前，如果不为&，编译器将会直接报错。

String::String(const String& str_ref)
{
    m_str_size = str_ref.m_str_size;
    m_str_ptr = new char[m_str_size + 1];
    if (m_str_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    strcpy(m_str_ptr, str_ref.m_str_ptr);
}

~String();

由于构造函数、拷贝构造函数已经统一了内存开辟方式。这里释放内存时，也全部使用delete[]。

String::~String()
{
    if (m_str_ptr){
        delete[] m_str_ptr;
        m_str_ptr = NULL;
    }
}

String& operator= (const String& str_ref);

为了进一步提高赋值效率，首先对自身赋值进行检查。另外一点需要特别注意的是，对this类中的m_str_ptr指针进行重定向时，一定要释放掉旧内存。否则必然内存泄漏。

String& String::operator = (const String& str_ref)
{
    if (this == &str_ref){
        return (*this);
    }
    if (m_str_ptr){
        delete[] m_str_ptr;
        m_str_ptr = NULL;
    }
    m_str_size = str_ref.m_str_size;
    m_str_ptr = new char[m_str_size + 1];
    if (m_str_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    strcpy(m_str_ptr, str_ref.m_str_ptr);
    return (*this);
}

String operator+ (const String& str_ref) const;

运算符+重载过程中，返回值为对象（非引用），这时候将调用拷贝构造函数。由于在拷贝构造函数中已经实现了深拷贝（对成员函数所指向的内存一并拷贝）技术，这种返回不会造成内存泄漏亦或是内存丢失的现象。

String String::operator + (const String& str_ref) const
{
    if (str_ref.m_str_ptr == '\0'){
        return (*this);
    }
    else if (m_str_ptr == '\0'){
        return str_ref;
    }
    String str_merge;
    if (str_merge.m_str_ptr){
        delete[] str_merge.m_str_ptr;
        str_merge.m_str_ptr = NULL;
    }
    str_merge.m_str_size = m_str_size + str_ref.m_str_size;
    str_merge.m_str_ptr = new char[str_merge.m_str_size + 1];
    if (str_merge.m_str_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    strcpy(str_merge.m_str_ptr, m_str_ptr);
    strcat(str_merge.m_str_ptr, str_ref.m_str_ptr);
    return str_merge;
}

String& operator+= (const String& str_ref);

该过程中，需要注意的是“+=操作”：①将覆盖原来的this类空间；或者是②this类指针将指向一块新空间。不管如何，这时候一定要释放掉原来的旧空间。

String& String::operator += (const String& str_ref)
{
    if (this == &str_ref){
        return (*this);
    }
    m_str_size = m_str_size + str_ref.m_str_size;
    char* str_merge_ptr = new char[m_str_size + 1];
    if (str_merge_ptr == NULL){
        throw std::length_error("Memory is not enough.");
    }
    strcpy(str_merge_ptr, m_str_ptr);
    strcat(str_merge_ptr, str_ref.m_str_ptr);
    if (m_str_ptr){
        delete[] m_str_ptr;
        m_str_ptr = NULL;
    }
    m_str_ptr = str_merge_ptr;
    return (*this);
}

char operator[] (const unsigned int index) const;

char String::operator[](const unsigned int index) const
{
    if (index < 0 || index >= m_str_size){
        throw std::out_of_range("Array index out of bounds.");
    }
    return m_str_ptr[index];
}

bool operator== (const String& str_ref) const;

bool String::operator == (const String& str_ref) const
{
    if (this == &str_ref){
        return true;
    }
    if (!strcmp(m_str_ptr, str_ref.m_str_ptr)){
        return true;
    }
    return false;
}

unsigned int size() const;

unsigned int String::size() const
{
    return m_str_size;
}

const char* c_str() const;

const char* String::c_str() const
{
    return m_str_ptr;
}

std::ostream& mango::operator<< (std::ostream& output, const String& str_ref)

由于使用了命名空间，友元函数并不属于类成员函数。

虽然在.cpp顶部使用了“using namespace mango;”，但是友元函数就相当于C语言中的全局函数一样，需要直接加上域限制的。

std::ostream& mango::operator<< (std::ostream& output, const String& str_ref)
{
    output << str_ref.m_str_ptr;
    return output;
}

std::istream& mango::operator>> (std::istream& input, String& str_ref)

重载输入流中，为了模拟cin>>（①不限字符串长度输入；以及②空格或者回车结束输入。），在实现过程中，采用了内存缓冲以加快输入过程。

std::istream& mango::operator>> (std::istream& input, String& str_ref)
{
    const int max_buffer_size = 5;
    char str_buffer[max_buffer_size] = { '\0' };
    int index = 0;
    do{
        str_buffer[index++] = input.get();
        if (str_buffer[index - 1] == ' ' || str_buffer[index - 1] == '\n'){
            str_buffer[index - 1] = '\0';
            str_ref += str_buffer;
            break;
        }
        if (index >= max_buffer_size - 1){
            str_buffer[index] = '\0';
            str_ref += str_buffer;
            index = 0;
        }
    } while (true);
    return input;
}

@qingdujun  

2017-7-20 于西安