[C++]string类的模拟实现和相关函数的详解
目录
- string总体架构
- 具体实现
-
- 默认成员函数
-
- 构造函数
- 构造拷贝函数
- 析构函数
- 赋值重载
-
- =
- []
- +=
- 相关操作函数
-
- c_str() && size()
- reserve() && resize()
- push_back() && append()
- find()
- insert
- erase() && clear
- 其余操作符重载
-
- <
- == 、 <=、 >、 >=、 !=
- << >>（流提取，流插入）
- 完整代码
string总体架构
首先由于自定义类不能和已有类重名，所以在自定义命名空间中进行string类的模拟
namespace aiyimu
{
//string类的模拟
class string
{
public:
//成员函数的实现
private:
//成员变量的定义
char* _str;
size_t _size;//开辟空间大小
size_t _capacity;//有效容量
};
//非成员函数的实现
}
具体实现
默认成员函数
构造函数
构造函数进行成员变量的初始化：给_str申请空间，并将_size和_capacity初始化
参数使用缺省值：
- 如果是无参构造则将_size,_capacity初始化为0，给_str开辟空间后将*str拷贝给_str
- 如果传入char* 类型的字符串，如
string str("hello");，此时会设置好相应的大小/容量，然后将传入的数据拷贝给_str（即创建的str）
string(const char* str = "")//用'\0'也可
:_size(strlen(str))
,_capacity(_size)
{
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
构造拷贝函数
传统写法*
传统写法中直接将传入的字符串的相应变量赋值给_str，最后进行new空间给_str
但该写法有一个缺点：没有对内存分配过程进行异常处理，在调用new运算符分配内存时发生了内存不足或者其他错误，程序会抛异常，可能会导致程序崩溃等。
string(const string& s)
:_size(s._size)
,_capacity(s._capacity)
{
_str = new char[s._capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
}
现代写法*
现代写法在此处进行了优化：
- 在构造函数中使用了一个临时的string对象tmp来存储参数s的_str字符串内容
- 通过调用成员函数swap来交换临时对象和当前对象之间的_str、_size和_capacity变量
该方法避免了构造函数和赋值运算符重载中内存分配和释放的重复操作，提高了代码的效率。
//交换两个字符串
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
string(const string& s)
:_str(nullptr)
,_size(0)
,_capacity(0)
{
string tmp(s._str);//tmp临时存储s._str字符串的内容
//this->swap(tmp)
swap(tmp);//直接交换
}
注：自行实现的
swap()函数后续依然有用，所以建议写成函数
析构函数
析构函数进行资源的清理释放：
- 释放掉_str指向的空间并置空_str
- 将_size，_capacity赋值0
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
赋值重载
- 由于 =、 []、 +=是strig类对自身进行操作的操作符，所以写为成员函数
- 而 <、== 等是判断两个string类的时候使用，所以写成非成员函数
=
传统写法*
string& operator=(const string& s)
{
//自己赋值自己，不进入if语句，直接返回
if (this != &s)
{
//开辟空间
char* tmp = new char[s._capacity + 1];
strcpy(tmp, s._str);//将字符串拷贝到开辟的空间
_str = tmp;
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}
现代写法*
赋值就是赋值，直接赋值即可
既然已有自定义的swap函数，那就用吧：
此处调用先前拷贝构造时写的swap，直接把s的成员变量给_str
string& operator=(string s)
{
//this->swap(s);
//直接交换
swap(s);
return *this;
}
[]
方括号用于取下标，在不越界的前提下返回_str[pos]即可
//可读 + 可修改
char& operator[](size_t pos)
{
//防止越界
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
//只读
const char& operator[](size_t pos) const
{
//防止越界
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
+=
+=单个字符
- +=执行
push_back()（尾插）的操作即可 - 执行+=运算时，需要返回+=后的值，所以返回*this
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
+=字符串
- 同单个字符串一样，执行apped()（追加字符串）即可
string& operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}
push_back(), append()都在下文
相关操作函数
c_str() && size()
c_str()
该函数返回一个指向字符串中第一个字符的常量指针，用来兼容c的字符串，同时便于我们测试打印
const char* c_str() const //不改变_str的函数推荐后const，const和非const都能用
{
return _str;
}
size()
size()用于得到此时string的大小（元素个数）
size_t size() const
{
return _size;
}
reserve() && resize()
reserve()
reserve()是扩容函数：预留出一定的空间- 当输入n小于此时容量时就不执行操作，所以使用if语句
- 创建tmp开辟n+1（多开一个存’\0’）的空间
- 将_str拷贝给tmp，销毁_str指向的空间，将tmp给_str
- 最后更新_capacity
![[C++]string类的模拟实现和相关函数的详解_第1张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/cbc91e3773ce48d0a08413d514bf265d.jpg)
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];//多开辟一个存'\0'
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
//_capacity += n; //预留n个元素的内存空间
_capacity = n;
}
}
_capacity = n将空间扩容为n
_capacity += n预留出n个元素的空间
resize()
- 如果将
reserve()理解为扩容，那么resize()可以认为扩容+初始化 / 缩容 reserve()只改变_capacity的大小，而resize()会改变_size,_capacity的大小，支持增容和缩容。- 具体思路：代码+注释
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
//缩容
//若要改变的空间大小小于原本空间容量，直接缩小把最后一位给'\0'
if (n <= _size)
{
_size = n;
_str[_size] = '\0';
}
else
{
//判断是否需要扩容
if (n > _capacity)
{
reserve(n);//直接利用reserve扩容
}
//将多出的空间全部设为ch，共有n - _size个元素
memset(_str + _size, ch, n - _size);
_size = n;//更新_size
_str[_size] = '\0';
}
}
push_back() && append()
push_back()
- 尾插函数，向字符串中插入一个字符
- 先进行扩容，后直接在尾部（_size位）赋值ch（插入的字符）即可，
- 最后更新_size：将_size扩一位，补’\0’
void push_back(char ch)
{
//判断是否需要增容
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
//尾插后把最后一位置'\0'
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
append()
- 和push_back()思路一致：
- 判断扩容（扩容大小为 待追加的字符串str长度+_size）
- 直接把str拷贝到字符串最后位置，更新_size
void append(const char* str)
{
size_t len = strlen(str);
//判断扩容
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, str);//把str拷贝到_str最后位置
_size += len;
}
find()
找到指定字符
- 遍历_str，如果存在ch，返回下标
- 不存在ch，返回npos（设npos = -1）
size_t find(char ch)
{
for (size_t i = 0; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
{
return i;
}
}
return npos;
}
找到指定字符串
- 利用c库函数
strstr()（找字符串的子串） strstr()：找不到返回空，找得到返回该位置的指针（即该位置到后面所有的字符）- 当
find()找不到我们返回npos，找到返回该位置下标
size_t find(const char* s, size_t pos = 0)
{
//_str的第pos位找是否有子串s
const char* ptr = strstr(_str + pos, s);
if (ptr == nullptr)
{
//没有该子串
return npos;
}
else
{
return ptr - _str;
}
}
insert
指定位置插入字符
- 在pos位插入元素前，需要将pos后的所有元素后移一位
- 然后在pos位插入元素，更新size即可
string& insert(size_t pos, char ch)
{
//防止pos越界
assert(pos <= _size);
//判断扩容
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
//需要将pos后的元素后移，记录size后一位位置
size_t end = _size + 1;
while (end >= pos)
{
//把pos后的所有元素后移一位
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}
_str[pos] = ch;//插入
++_size;//更新size
return *this;
}
指定位置插入字符串
- 和前面
append()与push_back()的区别一致 - 先记录待插入字符串长度len，将pos后的元素后移len位
，再插入s即可
string& insert(size_t pos, const char* s)
{
assert(pos <= _size);
//记录插入字符串长度
size_t len = strlen(s);
//判断扩容
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - len];//把pos后的元素后移len位，给将要插入的字符串留空
--end;
}
strncpy(_str + pos, s, len);//将s插入到留的空中
return *this;
}
erase() && clear
erase()
- erase()删除指定位置pos 长度为len的字符（串）
- 当
pos + len > _size时，此时要从pos位删除的数据已经超出pos位后的所有元素，直接将pos位置为’\0’，然后更新_size即可 - 反之直接将pos位后面len位拷贝给pos位，然后更新_size
string& erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
//防止pos越界
assert(pos < _size);
//pos位置后面的全部删除
if (pos + len >= _size)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}
clear
清空s的元素，用于流插入
void clear()
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
其余操作符重载
<
法一
- 分别定义s1,s2的下标i1,i2
- while循环中依次比较两个字符串中每个位置上字符的大小，如果发现在某个位置上
s1[i1] < s2[i2]，说明s1比s2小，返回true；如果s1[i1] > s2[i2]，说明s1比s2大，返回false；如果s1[i1] == s2[i2]，说明当前位置上两个字符串相同，向后移动下标继续比较。 - 当任意一个字符串遍历完毕时，此时哪个字符串还有元素哪个字符串就大。（这里直接假设i2）
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
size_t i1 = 0, i2 = 0;
while (i1 < s1.size() && i2 < s2.size())
{
//比较每个位置元素的大小
if (s1[i1] < s2[i2])
{
return true;
}
else if (s1[i1] > s2[i2])
{
return false;
}
else//该下标元素相同向后走
{
++i1;
++i2;
}
}
//其中一个走完，还有元素的字符串更大
return i2 < s2.size() ? true : false;
}
法二
- 由于前面实现了
c_str()函数，可以兼容c的字符串，这里直接用c库函数strcmp()比较即可
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}
== 、 <=、 >、 >=、 !=
==
和 < 的法二相同，调用strcmp()即可
bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
实现了 < == 剩下的就是小菜一碟了
<=
bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
{
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
>
bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 <= s2);
}
>=
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 < s2);
}
!=
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 == s2);
}
<< >>（流提取，流插入）
完整代码
string类的模拟实现+测试用例