C++要笑着学：模拟实现string类
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写在前面
本章将正式介绍深浅拷贝，在模拟实现 string 的同时带着去理解深浅拷贝。我们模拟实现 string类不是为了造更好的轮子，而是为了去学习它，理解它的本质！你自己造一次，心里会更清楚，也有利于加深对 string 的理解。
Ⅰ. 深浅拷贝
0x00 引入：
我们先来实现 string 的构造和析构：
string.h
namespace chaos { // 命名空间
class string {
public:
string(const char* str) {
// ...
}
~string() {
// ...
}
private:
char* _str;
};
}这里为了和原有的 string 进行区分，我们搞一个命名空间给它们括起来。
❓ 思考一个问题，构造函数能不能这样初始化呢？
string(char* str)
: _str(str) {}
这是不行的，因为你初始化这个 string 时，比如我们通常情况会这么写：
void test_string1() {
string s1("hello world");
}这是一个常量字符串，退一万步来讲，就算它不是常量字符串，它也是一个指针，
是不能被修改的，那我们后面要实现修改、插入删除，怎么扩容嘛？
你就只能对堆上的空间扩容了，所以是不能这么写的！那该怎么写呢？
我们可以这么写：
string(const char* str)
: _str(new char[strlen(str) + 1]) { // 开strlen大小的空间
strcpy(_str, str);
}
值得注意的是，这里要 strlen(str) + 1，因为 strlen 算的是有效字符的长度，没算 \0 。
然后我们实现析构，用 new[] 对应的 delete[] 来析构：
~string() {
delete[] _str; // 释放空间
_str = nullptr; // 置空
}
我们来测试一下：
string.h
#include
using namespace std;
namespace chaos {
class string {
public:
string(const char* str)
: _str(new char[strlen(str) + 1]) {
strcpy(_str, str);
}
~string() {
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
private:
char* _str;
};
void test_string1() {
string s1("hello world");
}
} test.h
#include "string.h"
int main(void)
{
chaos::test_string1();
return 0;
}运行结果如下：
此时我们改一下测试用例 test_string1，如果我们要用 s1 拷贝构造一下 s2：
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2(s1);
}运行结果如下：
详细解析：
❓ 如何解决这样的问题呢？
我们 s2 拷贝构造你 s1，本意并不是想跟你指向一块空间！
我们的本意是想让 s2 有一块自己的空间，并且能内容是 s1 里的 hello world
所以这里就涉及到了深浅拷贝的问题，我们下面就来探讨一下深浅拷贝的问题。
0x01 深浅拷贝问题
举个最简单的例子 —— 拷贝就像是在抄作业！
浅拷贝：直接无脑照抄，连名字都不改。
（直接把内存无脑指过去）
深拷贝：聪明地抄，抄的像是我自己写的一样。
（开一块一样大的空间，再把数据拷贝下来，指向我自己开的空间）
浅拷贝就是原封不动地把成员变量按字节依次拷贝过去，
深拷贝就是进行深一个层次的拷贝，不是直接拷贝，而是拷贝你指向的空间。
0x02 拷贝构造的实现
我们之前实现日期类的时候，用自动生成的拷贝构造（浅拷贝）是可以的，
所以当时我们不用自己实现拷贝构造，让它默认生成就足够了。
但是像 string 这样的类，它的拷贝构造我们不得不亲自写。
string 的拷贝构造：
/* s2(s1) */
string(const string& s)
: _str(new char[strlen(s._str) + 1]) {
strcpy(_str, s._str);
}我们监视看一下效果：
0x03 赋值的深拷贝
现在有一个 s3，如果我们想把 s3 赋值给 s1：
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2(s1);
string s3("pig");
s1 = s3;
}如果你不自己实现赋值，就和之前一样，会是浅拷贝，也会造成崩溃：
所以，我们仍然需要自己实现一个 operator= ，实现思路如下：
代码实现 operator=
/* s1 = s3 */
string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) { // 防止自己给自己赋值
delete[] _str; // 释放原有的空间
_str = new char[strlen(s._str) + 1]; // 开辟新的空间
strcpy(_str, s._str); // 把s3的值赋给s1
}
return *this;
}代码解析：
根据我们的实现思路，首先释放原有空间，然后开辟新的空间，
最后把 s3 的值赋值给 s1。为了防止自己给自己赋值，我们可以判断一下。
这时我们还要考虑一个难以发现的问题，如果 new 失败了怎么办？
抛异常！抛异常！抛异常！
失败了没问题，也不会走到 strcpy，但问题是我们已经把原有的空间释放掉了，
神不知鬼不觉地，走到析构那里二次释放可能会炸，所以我们得解决这个问题！
⚡ 我们可以试着把释放原有空间的步骤放到后面：
/* s1 = s3 */
string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) { // 防止自己给自己赋值
char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1]; // 开辟新的空间到tmp中
strcpy(tmp, s._str); // 把s3的值赋给 tmp
delete[] _str; // 释放原有的空间
_str = tmp; // 把tmp的值赋给 s1
}
return *this;
}代码解析：
这样一来，就算是动态内存开辟失败了，我们也不用担心出问题了。
这是更标准的实现方式，我们先去开辟空间，放到临时变量 tmp 中，
tmp 没有翻车，再去释放原有的空间，最后再把 tmp 的值交付给 s1，
这是非常保险的，有效避免了空间没开成还把 s1 空间释放掉的 "偷鸡不成蚀把米" 的事发生。
Ⅱ. string 的实现
0x00 引入
刚才我们为了方便讲解深浅拷贝的问题，有些地方所以没有写全，
是没有考虑增删查改的问题的，所以我们现在要增加一些成员：
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity; // 有效字符的空间数，不算\00x01 成员函数 _size 和 _capacity
加上 _size 和 _capacity 后，在刚才实现的 string 基础上修改完善：
#include
using namespace std;
namespace chaos
{
class string {
public:
string(const char* str)
: _size(strlen(str))
, _capacity(_size) {
_str = new char[_capacity + 1]; // 多开一个空间给\0
strcpy(_str, str);
}
/* s2(s1) */
string(const string& s)
: _size(s._size)
, _capacity(s._capacity) {
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
}
/* s1 = s3 */
string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) { // 防止自己给自己赋值
char* tmp = new char[s._capacity + 1]; // 开辟新的空间到tmp中
strcpy(tmp, s._str); // 把s3的值赋给 tmp
delete[] _str; // 释放原有的空间
_str = tmp; // 把tmp的值赋给 s1
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}
~string() {
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity; // 有效字符的空间数，不算\0
};
} 
为了减少 strlen 的次数，我们在初始化列表里只处理 _size 和 _capacity。
0x02 c_str() 的实现
c_str() 返回的是C语言字符串的指针常量，是可读不写的。
c_str 的实现：
/* 返回C格式字符串：c_str */
const char* c_str() const {
return _str;
}const char*，因为是可读不可写的，所以我们需要用 const 修饰。
c_str 返回的是当前字符串的首字符地址，这里我们直接 return _str 即可实现。
我们来测试一下：
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2;
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
（c_str 是认 \0 的，下面我们探讨不带参全缺省值给什么值的时候需要知道这个点）
0x03 全缺省构造函数
我们还要考虑不带参的情况，比如下面的 s2：
void test_string1() {
string s1("hello world"); // 带参
string s2; // 不带参
}不带参初始化：
string()
: _str(new char[1])
, _size(0)
, _capacity(0) {
_str[0] = '\0';
}这里我们开一个空间给 \0，既然都这么写了，我们不如直接在缺省值上动手脚：
string(const char* str = "")
: _size(strlen(str))
, _capacity(_size) {
_str = new char[_capacity + 1]; // 多开一个空间给\0
strcpy(_str, str);
}一般的类都是提供全缺省的，值得注意的是，这里缺省值给的是 " "
有人看到指针 char* 就突发恶疾，这里缺省值就忍不住想给个空 nullptr：
string(const char* str = nullptr)
不能给！给了就崩。因为 strlen 是不会去检查空的，它是去找 \0 ，
void test_string2() {
string s1("hello world");
string s2;
cout << s1.c_str() << endl;
cout << s2.c_str() << endl;
}也就相当于直接对这个字符串进行解引用了，这里的字符串又是空，所以会引发空指针问题。
所以我们这里给的是一个空的字符串 " "，常量字符串默认就带有 \0，这样就不会出问题：
string(const char* str = "")
0x04 size() 和 operator[] 的实现
size() 的实现：
size_t size() const {
return _size;
}
size() 只需要返回成员函数 _size 即可，考虑到不需要修改，我们加上 const。
operator[] 的实现：
/* operator[] */
char& operator[](size_t pos) {
return _str[pos]; // 返回字符串对应下标位置的元素
}
直接返回字符串对应下标位置的元素，
因为返回的是一个字符，所以我们这里引用返回 char。
我们来测试一下，遍历整个字符串，这样既可以测试到 size() 也可以测试到 operator[] ：
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2;
for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) {
cout << s1[i] << " ";
}
cout << endl;
}运行结果如下：
我们再来测试一下 operator[] 的 "写" 功能：
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2;
s1[0] = 'F';
for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) {
cout << s1[i] << " ";
}
cout << endl;
}
普通对象可以调用，但是 const 对象呢？所以我们还要考虑一下 const 对象。
我们写一个 const 对象的重载版本：
const char& operator[](size_t pos) const {
return _str[pos];
}
因为返回的是 pos 位置字符的 const 引用，所以可读但不可写。
最后我们还需要考虑一下越界的问题，这里我们使用断言暴力处理一下：
#include
...
char& operator[](size_t pos) {
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const {
assert(pos < _size);
return _str[pos];
} 
测试一下效果如何：
void test_string1() {
string s1("hello world");
s1[30];
}
Ⅲ. 实现迭代器
0x00 引入 - 再探迭代器
在上一章中，我们首次讲解迭代器，为了方便理解，我们当时解释其为像指针一样的类型。
实际上，有没有一种可能，它就是一种指针呢？
遗憾的是，迭代器并非指针，而是类模板。 只是它表现地像指针，模拟了指针的部分功能。
0x01 迭代器的实现
实际上迭代器的实现非常简单，它就是一个 char* 的指针罢了（但也不一定）。
后面我们讲解 list 的时候它又™不是指针了，又是自定义类型了。如何评价？
我的评价是 —— 似是而非。
它是一个像指针的东西，有可能是指针有可能不是指针。
实现迭代器的 begin() 和 end() ：
typedef char* iterator;
iterator begin() {
return _str; // 返回第一个字符位置
}
iterator end() {
return _str + _size; // 返回最后一个数据的下一个位置
}我们来测试一下：
void test_string2() {
string s1("hello world");
// 迭代器写
string::iterator it = s1.begin();
while (it != s1.end()) {
*it += 1;
it++;
}
// 迭代器读
it = s1.begin(); // 重置起点
while (it != s1.end()) {
cout << *it << " ";
it++;
}
}运行结果如下：
0x02 const 迭代器的实现
我们知道，const 迭代器就是可以读但是不可以写的迭代器。
const 迭代器：
typedef const char* const_iterator;
const_iterator begin() const {
return _str; // 返回第一个字符位置
}
const_iterator end() const {
return _str + _size; // 返回最后一个数据的下一个位置
}这里用 const 修饰，意味着解引用时可以读但不可以写。
0x03 再度思考迭代器
它的底层是连续地物理空间，给原生指针++解引用能正好贴合迭代器的行为，就能做到遍历。
但是对于链表和树型结构来说，迭代器的实现就没有这么简单了。
但是，强大的迭代器通过统一的封装，无论是树、链表还是数组……
它都能用统一的方式遍历，这就是迭代器的优势，也是它的强大之处。
0x04 再探范围 for
上一章讲 string 类对象的遍历时，我们讲的第三种方式就是范围 for，回忆一下 ——
（五毛特效）
我们上一章提到过，我们现在就来演示一下范围 for 的实现：
for (auto e : s1) {
cout << e << " ";
}
cout << endl;你会发现根本就不需要自己实现，你只要把迭代器实现好，范围 for 直接就可以用。
范围 for 的本质是由迭代器支持的，编译时范围 for 会被替换成迭代器。
这么一看，又是自动加加，又是自动判断结束的范围 for，好像也没那么回事儿。
注意事项：
它的替换是认 begin 和 end 的，我们可以试着把我们实现的迭代器 begin 的 b 改成大写 B 试试：
typedef char* iterator;
iterator Begin() {
return _str;
}
iterator end() {
return _str + _size;
}void test_string2() {
string s1("hello world");
string::iterator it = s1.Begin();
while (it != s1.end()) {
*it += 1;
it++;
}
it = s1.Begin(); // 重置起点
while (it != s1.end()) {
cout << *it << " ";
it++;
}
for (auto e : s1) {
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
迭代器是可以正常用的，但是范围 for 就寄了。
因为它是按迭代器固定的名称去替换的，begin 和 end，
如果你自己实现迭代器时没有按固定的规范去实现，
比如 begin 取名为 start，那范围 for 就不支持了。
Ⅳ. string的增删查改
0x00 reserve() 的实现
我们先实现一下 reserve 增容：
/* 增容：reverse */
void reserve(size_t new_capacity) {
if (new_capacity > _capacity) {
char* tmp = new char[new_capacity + 1]; // 开新空间
strcpy(tmp, _str); // 搬运
delete[] _str; // 释放原空间
_str = tmp; // 没问题，递交给_str
_capacity = new_capacity; // 更新容量
}
}这里可以检查一下是否真的需要增容，万一接收的 new_capacity 比 _capacity 小，就不动。
这里我们之前讲数据结构用的是 realloc，现在我们熟悉熟悉用 new，
还是用申请新空间、原空间数据拷贝到新空间，再释放空间地方式去扩容。
我们的 _capacity 存储的是有效字符，没算 \0，所以这里还要 +1 为 \0 开一个空间。
0x01 push_back() 的实现
push_back：
/* 字符串尾插：push_back */
void push_back(char append_ch) {
if (_size == _capacity) { // 检查是否需要增容
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = append_ch; // 插入要追加的字符
_size++;
_str[_size] = '\0'; // 手动添加'\0'
}首先检查是否需要增容，如果需要就调用我们上面实现的 reserve 函数，
参数传递可以用三目操作符，防止容量是0的情况，0乘任何数都是0从而引发问题的情况。
然后在 \0 处插入要追加的字符 append_ch，然后 _size++ 并手动添加一个新的 \0 即可。
我们来测试一下效果如何：
void test_string4() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('!');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('A');
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
0x02 append() 的实现
append：
/* 字符串追加：append */
void append(const char* append_str) {
size_t len = strlen(append_str); // 计算要追加的字符串的长度
if (_size + len > _capacity) { // 检查是否需要增容
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, append_str); // 首字符+大小就是\0位置
_size += len; // 更新大小
}append 是追加字符串的，首先我们把要追加的字符串长度计算出来，
然后看容量够不够，不够我们就交给 reserve 去扩容，扩 _size + len，够用就行。
这里我们甚至都不需要用 strcat，因为它的位置我们很清楚，不就在 _str + _size 后面插入吗。
用 strcat 还需要遍历找到原来位置的 \0，太麻烦了。
0x03 operator+= 的实现
这就是我们一章说的 "用起来爽到飞起" 的 += ，因为字符和字符串都可以用 += 去操作。
所以我们需要两个重载版本，一个是字符的，一个是字符串的。
我们不需要自己实现了，直接复用 push_back 和 append 就好了。
operator+=
/* operator+= */
string& operator+=(char append_ch) {
push_back(append_ch); // 复用push_back
return *this;
}
string& operator+=(const char* append_str) {
append(append_str); // 复用append
return *this;
}
测试一下看看：
void test_string5() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += '!';
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += "this is new data";
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
0x04 insert() 的实现
insert：字符
/* 插入：insert */
string& insert(size_t pos, char append_ch) {
assert(pos <= _size);
// 检查是否需要增容
if (_size == _capacity) {
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
// 向后挪动数据
//size_t end = _size;
//while (end >= (int)pos) {
// _str[end + 1] = _str[end];
// end--;
//}
size_t end = _size + 1;
while (end > pos) {
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
// 插入
_str[pos] = append_ch;
_size++;
return *this;
}
insert：字符串
string& insert(size_t pos, const char* append_str) {
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(append_str);
// 检查是否需要增容
if (_size + len > _capacity) {
reserve(_size + len);
}
// 向后挪动数据
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len) {
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
// 插入
strncpy(_str + pos, append_str, len);
_size += len;
return *this;
}测试一下：
void test_string6() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(0, 'X');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(0, "hahahaha");
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
insert 都实现了，那 push_back 和 append 直接复用，岂不美哉？
⚡ 修改 push_back 和 append：
/* 字符串尾插：push_back */
void push_back(char append_ch) {
//if (_size == _capacity) { // 检查是否需要增容
// reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
//}
//_str[_size] = append_ch; // 插入要追加的字符
//_size++;
//_str[_size] = '\0'; // 手动添加'\0'
insert(_size, append_ch);
}
/* 字符串追加：append */
void append(const char* append_str) {
//size_t len = strlen(append_str); // 计算要追加的字符串的长度
//if (_size + len > _capacity) { // 检查是否需要增容
// reserve(_size + len);
//}
//strcpy(_str + _size, append_str); // 首字符+大小就是\0位置
//_size += len; // 更新大小
insert(_size, append_str);
}测试一下 push_back 和 append，和复用它们两实现的 operator+= 有没有问题：
void test_string4() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('!');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('A');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.append("this is new data");
}
void test_string5() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += "!";
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += "this is new data";
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
0x05 resize() 的实现
我们为了扩容，先实现了 reverse，现在我们再顺便实现一下 resize。
这里再提一下 reverse 和 resize 的区别：
resize 分给初始值和不给初始值的情况，所以有两种：
他们也是这么实现的。
但是我们上面讲构造函数的时候说过，我们可以使用全缺省的方式，这样就可以二合一了。
resize 实现的难点是要考虑种种情况，我们来举个例子分析一下：
如果欲增容量比 _size 小的情况：
因为标准库是没有缩容的，所以我们实现的时候也不考虑去缩容。我们可以加一个 \0 去截断。
如果预增容量比 _size 大的情况：
resize 是开空间 + 初始化，开空间的工作我们就可以交给已经实现好的 reserve，
然后再写 resize 的初始化的功能，我们这里可以使用 memset 函数。
resize：
/* resize */
void resize(size_t new_capacity, char init_ch = '\0') {
// 如果欲增容量比_size小
if (new_capacity <= _size) {
_str[new_capacity] = '\0'; // 拿斜杠零去截断
_size = new_capacity; // 更新大小
}
// 欲增容量比_size大
else {
if (new_capacity > _capacity) {
reserve(new_capacity);
}
// 起始位置，初始化字符，初始化个数
memset(_str + _size, init_ch, new_capacity - _size);
_size = _capacity;
_str[_size] = '\0';
}
}0x06 find() 的实现
find：查找字符
/* find */
size_t find(char aim_ch) {
for (size_t i = 0; i < _size; i++) {
if (aim_ch == _str[i]) {
// 找到了
return i; // 返回下标
}
}
// 找不到
return npos;
}
遍历整个字符串，找到了目标字符 aim_ch 就返回对应的下标。
如果遍历完整个字符串都没找到，就返回 npos（找到库的来）。
这个 npos 我们可以在成员变量中定义：
...
private:
/* 成员变量 */
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity; // 有效字符的空间数，不算\0
public:
static const size_t npos;
};
/* 初始化npos */
const size_t string::npos = -1; // 无符号整型的-1，即整型的最大值。
...
}find：查找字符串
size_t find(const char* aim_str, size_t pos = 0) {
const char* ptr = strstr(_str + pos, aim_str);
if (ptr == nullptr) {
return npos;
}
else {
return ptr - _str; // 减开头
}
}
这里我们可以用 strstr 去找子串，如果找到了，返回的是子串首次出现的地址。如果没找到，返回的是空。所以我们这里可以做判断，如果是 nullptr 就返回 npos。如果找到了，就返回对应下标，子串地址 - 开头，就是下标了。
0x07 erase() 的实现
erase：
/* 删除：erase */
string& erase(size_t pos, size_t len = npos) {
assert(pos < _size);
if (len == pos || pos + len >= _size) {
_str[pos] = '\0'; // 放置\0截断
_size = pos;
}
else {
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}测试一下：
void test_string7() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.erase(5, 2); // 从第五个位置开始，删两个字符
cout << s1.c_str() << endl;
s1.erase(5, 20); // 从第五个位置开始，删完
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
Ⅴ. 传统写法和现代写法
0x00 拷贝构造的传统写法
对于深拷贝，传统写法就是本本分分分地去完成深拷贝。
我们刚才实现的方式，用的就是传统写法：
/* 拷贝构造函数：s2(s1) */
string(const string& s) // 拷贝构造必须使用引用传参，一般用const修饰
: _size(s._size) // 将s1的size给给s2
, _capacity(s._capacity) // 将s1的capacity给给s2
{
_str = new char[_capacity + 1]; // 开辟空间
strcpy(_str, s._str); // 将s1字符串给给s2
}这就是传统写法，非常的老实。
0x01 拷贝构造的现代写法
现在我们来介绍一种现代写法，它和传统写法本质工作是一样的，即完成深拷贝。
现代写法的方式不是本本分分地去按着 Step 一步步干活，而是 "投机取巧" 地去完成深拷贝。
直接看代码：（为了方便讲解，我们暂不考虑 _size 和 _capacity）
// 现代写法
string(const string& s)
: _str(nullptr) // 为tmp置空做准备
{
string tmp(s._str);
swap(_str, tmp._str); // 交换
}
现代写法的本质就是复用了构造函数。
我想拷贝，但我又不想自己干，我把活交给工具人 swap 来帮我干。妙啊！资本家看了都说好！
❓ 我们为什么要在初始化列表中，给 _str 个空指针：
string(const string& s)
: _str(nullptr)我们可以设想一下，如果我们不对他进行处理，那么它的默认指向会是个随机值。
这样交换看上去没啥问题，确实能完成深拷贝，但是会引发一个隐患！
tmp 是一个局部对象，我们把 s2 原来的指针和 tmp 交换了，那么 tmp 就成了个随机值了。
tmp 出了作用域要调用析构函数，对随机值指向的空间进行释放，怎么释放？
都不是你自己的 new / malloc 出来的，你还硬要对它释放，就可能会引发崩溃。
但是 delete / free 一个空，是不会报错的，因为会进行一个检查。
所以是可以 delete 一个空的，我们这里初始化列表中把 nullptr 给 _str，
是为了交换完之后， nullptr 能交到 tmp 手中，这样 tmp 出了作用域调用析构函数就不会翻车了。
我们来看看效果如何：
如果还是不放心，我们还可以在析构函数那进行一个严格的检查：
/* 析构函数 */
~string() {
if (_str != nullptr) {
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
_size = _capacity = 0;
}0x02 赋值重载的现代写法
传统写法：
/* 赋值重载：s1 = s3 */
string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) { // 防止自己给自己赋值
char* tmp = new char[s._capacity + 1]; // Step1：先在tmp上开辟新的空间
strcpy(tmp, s._str); // Step2：把s3的值赋给tmp
delete[] _str; // Step3：释放原有的空间
_str = tmp; // Step4：把tmp的值赋给s1
// 把容量和大小赋过去
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this; // 结果返回*this
}
传统写法，全都自己干，自己开空间自己拷贝数据。
现代写法：复用拷贝构造
/* 赋值重载：s1 = s3 */
string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) {
string tmp(s); // 复用拷贝构造
swap(_str, tmp._str);
}
return *this;
}
我们先通过 s3 拷贝构造出 tmp，这样 tmp 就是 _str 的工具人了。
tmp 里的 "pig" ，s1 看的简直是垂涎欲滴，我们让 tmp 和 s1 交换一下
交换完之后，正好让 tmp 出作用域调用析构函数，属实是一石二鸟的美事。
把 tmp 压榨的干干净净，还让 tmp 帮忙把屁股擦干净（释放空间）。
⚡ 还有更简洁的写法：
/* 赋值重载：s1 = s3 */
string& operator=(string s) {
swap(_str, s._str);
return *this;
}和上面的写法本质是一样的。这种写法不用引用传参，它利用了拷贝构造。
这里的形参 s 就充当了 tmp，s 就是 s3 的拷贝，再把 s1 和 s 交换。简直是物尽其用！
注意：但是这种写法也有小缺点，可能会导致自己给自己赋值时地址被换。
你会发现我们这里没有加个 if 去判断自己给自己赋值的问题了。
因为这里没办法判断自己给自己赋值了。之前 s 就是 s3，this 就是 s1。
现在 this 还是 s1，但是 s 已经不是 s3 了，所以判断不到自己
if (this != &s) ？？？？？？
s1 s1
所以这里加上 if 判断也没用。但是其实也没太大问题，谁会自己给自己赋值啊。
0x03 整体代码改进
我们现在再去考虑 _size 和 _capacity，我们来把之前写的传统写法都改成现代写法。
拷贝构造函数：s2(s1)
/* 拷贝构造函数：s2(s1) */
string(const string& s)
: _str(nullptr) // 为tmp置空做准备
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
swap(_str, tmp._str);
swap(_size, tmp._size);
swap(_capacity, tmp._capacity);
}
赋值重载函数：s1 = s3
/* 赋值重载：s1 = s3 */
string& operator=(string s) {
swap(_str, s._str);
swap(_size, s._size);
swap(_capacity, s._capacity);
return *this;
}这里也是进行交换的，真是跟 tmp 交换改成了跟 s 交换。
我们不如写一个 Swap 函数：
void Swap(string& s) {
swap(_str, s._str);
swap(_size, s._size);
swap(_capacity, s._capacity);
}这样就很简单了 ——
/* 拷贝构造函数：s2(s1) */
string(const string& s)
: _str(nullptr) // 为tmp置空做准备
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
Swap(tmp); // this->Swap(tmp);
}
/* 赋值重载：s1 = s3 */
string& operator=(string s) {
Swap(s);
return *this;
}0x04 总结
现代写法在 string 中体现的优势还不够大，因为好像和传统写法差不多。
但是到后面我们实现 vector、list 的时候，你会发现现代写法的优势真的是太大了。
现代写法写起来会更简单些，比如如果是个链表，传统写法就不是 strcpy 这么简单的了，
你还要一个一个结点拷贝过去，但是现代写法只需要调用 swap 交换一下就可以了。
现代写法更加简洁，只是在 string 这里优势体现的不明显罢了，我们后面可以慢慢体会。
Ⅵ. operator 运算符重载
0x00 引入
学日期类的时候我们就说过，我们只需实现 < 和 ==，剩下的都可以复用解决。
0x00 operator<
我们在全局实现：
/* s1 < s2*/
bool operator<(const string& s1, const string& s2) {
size_t i1 = 0, i2 = 0;
while (i1 < s1.size() && i1 < s2.size()) {
if (s1[i1] < s2[i2]) {
return true;
}
else if (s1[i1] > s2[i2]) {
return false;
}
else {
i1++;
i2++;
}
}
return i2 < s2.size() ? true : false;
}当然，我们还可以实现的更简单些，直接用 strcmp 偷个懒：
/* s1 < s2*/
bool operator<(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}0x01 operator=
全局作用域下：
/* s1 == s2 */
bool operator==(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}0x02 剩下的直接复用
operator<=
/* s1 <= s2 */
bool operator<=(const string& s1, const string& s2) {
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
operator>
/* s1 > s2 */
bool operator>(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 <= s2);
}operator>=
/* s1 >= s2 */
bool operator>=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2);
}operator!=
/* s1 != s2 */
bool operator!=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 == s2);
}
Ⅶ. 流插入和流提取
0x00 引入
我们当时实现日期类的流插入和流提取时，也详细讲过这些，当时讲解了友元。
在友元那一章我们说过 "占参问题" ，这里就不再多做解释了。
如需复习猛戳
【C++要笑着学】友元 | 初始化列表 | 关键字explicit | 静态成员static | 内部类
如果我们重载成成员函数，第一个位置就会被隐含的 this 指针占据。
这样实现出来的流插入必然会不符合我们的使用习惯，所以我们选择在全局实现。
在全局里不存在隐含的 this 指针了。
0x01 operator<< 的实现
operator<<
// cout << s1 → operator<<(cout, s1)
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
//for (auto ch : s) {
// out << ch;
//}
for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) {
out << s[i];
}
return out;
}0x02 operator>> 的实现
operator>>
// cin >>
istream& operator<<(istream& in, string& s) {
char ch = in.get();
while (ch == '\n') {
s += ch;
ch = in.get();
}
return in;
}Ⅷ. 完整代码
#include
#include
using namespace std;
namespace chaos
{
class string {
public:
/* 构造函数 */
string(const char* str = "")
: _size(strlen(str)) // 计算出字符串str的大小
, _capacity(_size) { // 初始容量等于字符串大小
_str = new char[_capacity + 1]; // 开辟一块 "容量+1" 大小的空间 (_capacity存的是有效字符）
strcpy(_str, str); // 将传入的字符串str复制到 _str中
}
void Swap(string& tmp) {
swap(_str, tmp._str);
swap(_size, tmp._size);
swap(_capacity, tmp._capacity);
}
/* 拷贝构造函数：s2(s1)
string(const string& src)
: _size(src._size) // 拷贝string大小
, _capacity(src._capacity) { // 拷贝string容量
// 拷贝string内容
_str = new char[src._capacity + 1]; // 开辟一块和src相同容量的空间
strcpy(_str, src._str); // 将src中的_str内容拷贝到自己的_str中
}
*/
string(const string& src)
: _str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0) {
string tmp(src._str); // 拷贝构造一个src
Swap(tmp); // 现代写法：交换
}
/* 赋值重载：s1 = s3
string& operator=(const string& src) {
// 防止自己跟自己赋值
if (this != &src) {
// 1. 暂时用tmp开辟一块相同的空间
char* tmp = new char[src._capacity + 1];
// 2. 把src的值复制给tmp
strcpy(tmp, src._str);
// 3. 释放this原空间
delete[] _str;
// 4. 没翻车，把tmp交付给_src
_str = tmp;
_size = src._size;
_capacity = src._capacity;
}
return *this;
}
string& operator=(const string& src) {
// 防止自己跟自己赋值
if (this != &src) {
string tmp(src); // 复用拷贝构造
Swap(tmp);
}
return *this;
}
*/
string& operator=(string src) {
Swap(src); // 正好调用拷贝构造，不如让形参充当tmp
return *this;
}
/* 返回C格式的字符串：c_str */
const char* c_str() const {
return _str;
}
/* 求字符串大小：size() */
size_t size() const {
return _size;
}
/* operator[] */
char& operator[](size_t pos) {
assert(pos < _size);
return _str[pos]; // 返回字符串对应下标位置的元素
}
const char& operator[](size_t pos) const {
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
/* 迭代器 */
typedef char* iterator;
iterator begin() {
return _str; // 返回第一个字符的位置
}
iterator end() {
return _str + _size; // 返回最后一个字符的位置
}
/* const迭代器 */
typedef const char* const_iterator;
const_iterator begin() const {
return _str;
}
const_iterator end() const {
return _str + _size;
}
/* reserve() */
void reserve(size_t new_capacity) {
if (new_capacity > _capacity) { // 检查是否真的需要扩容
char* tmp = new char[new_capacity + 1]; // 开空间
strcpy(tmp, _str); // 先搬运数据到tmp
_str = tmp; // 没翻车，递交给_str
_capacity = new_capacity; // 更新容量
}
}
/* 字符尾插：push_back() */
void push_back(char append_ch) {
/*
if (_size == _capacity) { // 检查是否需要扩容
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); // 首次给4，其他情况默认扩2倍
}
_str[_size] = append_ch; // 插入要追加的字符
_size++;
_str[_size] = '\0'; // 手动添加'\0'
*/
insert(_size, append_ch);
}
/* 字符串追加：append() */
void append(const char* append_str) {
/*
size_t len = strlen(append_str); // 计算出要追加的字符串的长度
if (_size + len > _capacity) { // 检查是否需要扩容
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, append_str); // 首字符+大小，就是'\0'位置
_size += len; // 更新大小
*/
insert(_size, append_str);
}
/* operator+= */
string& operator+=(char append_ch) {
push_back(append_ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* append_str) {
append(append_str);
return *this;
}
/* insert */
string& insert(size_t pos, char append_ch) {
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity) { // 检查是否需要扩容
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
// 向后挪动数据
size_t end = _size + 1;
while (end > pos) {
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
// 插入
_str[pos] = append_ch;
_size++;
return *this;
}
string& insert(size_t pos, const char* append_str) {
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(append_str);
if (_size + len > _capacity) { // 检查是否需要增容
reserve(_size + len);
}
// 向后挪动数据
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len) {
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
// 插入
strncpy(_str + pos, append_str, len);
_size += len;
return *this;
}
/* resize */
void resize(size_t new_capacity, char init_ch = '\0') {
// 如果欲增容量比_size小
if (new_capacity <= _size) {
_str[new_capacity] = '\0'; // 拿斜杠零去截断
_size = new_capacity; // 更新大小
}
// 欲增容量比_size大
else {
if (new_capacity > _capacity) {
reserve(new_capacity);
}
// 起始位置，初始化字符，初始化个数
memset(_str + _size, init_ch, new_capacity - _size);
_size = _capacity;
_str[_size] = '\0';
}
}
/* find */
size_t find(char aim_ch) {
for (size_t i = 0; i < _size; i++) {
if (aim_ch == _str[i]) {
// 找到了
return i; // 返回下标
}
}
// 找不到
return npos;
}
size_t find(const char* aim_str, size_t pos = 0) {
const char* ptr = strstr(_str + pos, aim_str);
if (ptr == nullptr) {
return npos;
}
else {
return ptr - _str; // 减开头
}
}
/* 删除：erase */
string& erase(size_t pos, size_t len = npos) {
assert(pos < _size);
if (len == pos || pos + len >= _size) {
_str[pos] = '\0'; // 放置\0截断
_size = pos;
}
else {
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}
/* 析构函数 */
~string() {
if (_str != nullptr) {
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
_size = _capacity = 0;
}
private:
/* 成员变量 */
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
public:
static const size_t npos;
};
/* 初始化npos */
const size_t string::npos = -1; // 无符号整型的-1，即整型最大值
/* s1 < s2*/
bool operator<(const string& s1, const string& s2) {
/*
size_t i1 = 0, i2 = 0;
while (i1 < s1.size() && i1 < s2.size()) {
if (s1[i1] < s2[i2]) {
return true;
}
else if (s1[i1] > s2[i2]) {
return false;
}
else {
i1++;
i2++;
}
}
return i2 < s2.size() ? true : false;
*/
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}
/* s1 == s2 */
bool operator==(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
/* s1 <= s2 */
bool operator<=(const string& s1, const string& s2) {
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
/* s1 > s2 */
bool operator>(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 <= s2);
}
/* s1 >= s2 */
bool operator>=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2);
}
/* s1 != s2 */
bool operator!=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 == s2);
}
// cout << s1 → operator<<(cout, s1)
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
/*
for (auto ch : s) {
out << ch;
}
*/
for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) {
out << s[i];
}
return out;
}
// cin >>
istream& operator<<(istream& in, string& s) {
char ch = in.get();
while (ch == '\n') {
s += ch;
ch = in.get();
}
return in;
}
/* 测试用 */
void test_string1() {
string s1("hello world");
string s2(s1);
cout << s1.c_str() << endl;
cout << s2.c_str() << endl;
string s3("pig");
cout << s3.c_str() << endl;
s1 = s3;
cout << s1.c_str() << endl;
}
void test_string2() {
string s1("hello world");
string s2;
for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) {
cout << s1[i] << " ";
}
cout << endl;
}
void test_string3() {
string s1("hello world");
string s2;
s1[0] = 'F';
for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) {
cout << s1[i] << " ";
}
cout << endl;
}
void test_string4() {
string s1("hello world");
// 迭代器写
string::iterator it = s1.begin();
while (it != s1.end()) {
*it += 1;
it++;
}
// 迭代器读
it = s1.begin(); // 重置起点
while (it != s1.end()) {
cout << *it << " ";
it++;
}
}
void test_string5() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('!');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('A');
cout << s1.c_str() << endl;
}
void test_string6() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += '!';
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += "this is new data";
cout << s1.c_str() << endl;
}
void test_string7() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(0, 'X');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(0, "hahahaha");
cout << s1.c_str() << endl;
}
void test_string8() {
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.erase(5, 2); // 从第五个位置开始，删两个字符
cout << s1.c_str() << endl;
s1.erase(5, 20); // 从第五个位置开始，删完
cout << s1.c_str() << endl;
}
}
参考资料
Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .
. C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.
百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]. .
[ 笔者 ] 王亦优
[ 更新 ] 2022.5.6
❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */
[ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
本章完。