【C++STL精讲】string的模拟实现

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文章目录

  • 专栏导读
  • 文章导读
  • 定义string类
  • 构造函数
  • 拷贝构造函数
  • 赋值重载
  • 析构函数
  • []操作符重载
  • 比较运算符重载
  • c_str、size、capacity
  • resize与reserve
  • 添加数据 - push_back、append、+=重载
  • insert
  • erase
  • find
  • swap
  • clean
  • 迭代器
  • >> 与 << 重载
  • 完整源码

专栏导读

作者简介:花想云,在读本科生一枚,致力于 C/C++、Linux 学习。

本文收录于 C++系列,本专栏主要内容为 C++ 初阶、C++ 进阶、STL 详解等,专为大学生打造全套 C++ 学习教程,持续更新!

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文章导读

本章我们将参照STL源码,来模拟实现string类,但不一定非要与库中完全相同。我们将其中重要的、常用的接口进行模拟实现,旨在加深string类的学习与记忆。
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定义string类

为了区别于标准库中的string类,我们使用自己的命名空间,在自己命名空间中模拟实现string类。

string类包含这三个基本成员

  • char* _str 字符数组;
  • size_t _size 大小;
  • size_t _capacity 容量;

此外还需声明一个static成员nposnpos为将来实现的某些成员函数的缺省值,值位-1

namespace hxy
{
	class string
	{
	public:
		//...
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		
		//类中进行声明
		static const size_t npos;
	}
	
	//类外定义npos
	const size_t string::npos = -1;
}

构造函数

string类提供两种构造方法:

  • 直接构造
	string str;
  • 传字符串构造
	string str("hello world");
  • 对于传字符串构造的情况,我们可以实现用const char* str 来接收它;
  • 对于直接构造的情况,我们可以用缺省值来解决;
	//构造函数
	string(const char* str = "")  //使用缺省值
		:_size(strlen(str))
	{
		_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;  //_capacity初始值不能为0
		_str = new char[_capacity + 1];  //为'\0'预留位置
		strcpy(_str, str);
	}

注意

  • _capacity的值不能初始化为0,因为扩容时可能出现0*n=0的情况。

拷贝构造函数

我们还会遇到用string类对象进行构造的情况:

	string s1;
	string s2(s1);

拷贝构造虽然不写,编译器会自动实现,但是自动实现的拷贝构造为浅拷贝,对于string类中,成员变量会申请资源的情况,浅拷贝是行不通的,所以需要我们自己实现。

//拷贝构造
	string(const string& s)
		:_size(s._size)
		, _capacity(s._capacity)
	{
		_str = new char[_capacity + 1];
		strcpy(_str, s._str);
	}

赋值重载

	string s1;
	string s2 = s1;
	//赋值重载
	string& operator=(const string& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			char* tmp = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(tmp, s._str);

			delete[] _str;
			_str = tmp;

			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
		}
		return *this;
	}

析构函数

	//析构函数
	~string()
	{
		delete[] _str;
		_str = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}

[]操作符重载

注意应对const对象与非const对象须实现不同的重载函数。

	//用于const对象只读
	const char& operator[](size_t pos) const
	{
		assert(pos < _size);
		return _str[pos];
	}
	//用于普通对象可读可写
	char& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos < _size);
		return _str[pos];
	}

比较运算符重载

	//比较运算符重载
	bool operator>(const string& s) const
	{
		return strcmp(_str, s._str) > 0;
	}

	bool operator==(const string& s) const
	{
		return strcmp(_str, s._str) == 0;
	}

	bool operator>=(const string& s) const
	{
		return *this > s && *this == s;
	}

	bool operator<(const string& s) const
	{
		return !(*this >= s);
	}

	bool operator<=(const string& s) const
	{
		return !(*this > s);
	}

	bool operator!=(const string& s) const
	{
		return !(*this == s);
	}

c_str、size、capacity

  • c_str:返回C风格的字符串。
  • size:返回_size;
  • capacity:返回_capacity;
	const char* c_str()
	{
		return _str;
	}
	
	size_t size() const
	{
		return _size;
	}

	size_t capacity() const
	{
		return _capacity;
	}

resize与reserve

  • resize:扩容并初始化;
  • reserve:只扩容;
	void resize(size_t n, char ch = '\0')
	{
		if (n < _size)
		{
			_str[n] = '\0';
			_size = n;
		}
		else if (n > _size)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				reserve(n);
			}

			size_t i = _size;
			while (i < n)
			{
				_str[i] = ch;
				++i;
			}
			_size = n;
			_str[_size] = '\0';
		}
	}
	
	void reserve(size_t n)
	{
		if (n > _capacity)
		{
			char* tmp = new char[n + 1];
			strcpy(tmp, _str);

			delete _str;
			_str = tmp;
			_capacity = n;
		}
	}

添加数据 - push_back、append、+=重载

  • push_back:尾插一个字符;
  • append:尾插一个字符串;
  • +=:尾插一个字符或字符串;
	void push_back(char ch)
	{
		//考虑扩容
		if (_size + 1 > _capacity)
		{
			reserve(_capacity * 2);
		}

		_str[_size] = ch;
		_size++;

		_str[_size] = '\0';
	}

	void append(const char* str)
	{
		size_t len = strlen(str);

		//考虑扩容
		if (_size+len > _capacity)
		{
			reserve(_size + len);
		}

		strcpy(_str + _size, str);
		_size += len;
	}

	string& operator+=(char ch)
	{
		push_back(ch);
		return *this;
	}

	string& operator+=(const char* str)
	{
		append(str);
		return *this;
	}

insert

  • insert:在pos位置插入一个字符或字符串;
	string& insert(size_t pos, char ch)
	{
		assert(pos <= _size);
		if (_size + 1 > _capacity)
		{
			reserve(_capacity * 2);
		}
		size_t end = _size + 1;
		while (end > pos)
		{
			_str[end] = _str[end - 1];
			end--;
		}

		_str[pos] = ch;
		++_size;

		return *this;
	}
	
	string& insert(size_t pos, const char* str)
	{
		assert(pos <= _size);
		size_t len = strlen(str);
		if (_size + len > _capacity)
		{
			reserve(_size + len);
		}

		//挪动数据
		size_t end = _size + len;
		while (end > pos + len - 1)
		{
			_str[end] = _str[end - len];
			end--;
		}

		strncpy(_str + pos, str, len);
		_size += len;

		return *this;
	}

erase

  • erase:删除pos位置向后的n个字符;
	string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
	{
		assert(pos < _size);
		if (len == npos || pos + len >= _size)
		{
			_str[pos] = '\0';
			_size = pos;
		}
		else
		{
			strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
			_size -= len;
		}

		return *this;
	}

find

  • find:从pos位置开始向后查找指定字符或字符串,并返回起始位置的下标。
	size_t find(char ch, size_t pos = npos)
	{
		assert(pos < _size);

		for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
		{
			if (_str[i] == ch)
			{
				return i;
			}
		}
		return npos;
	}

	size_t find(const char* str, size_t pos = npos)
	{
		assert(pos < _size);

		char* p = strstr(_str, str);
		if (p == nullptr)
		{
			return npos;
		}
		else
		{
			return p - str;
		}
	}

swap

  • swap:交换两个对象的内容;
	void swap(string& s)
	{
		std::swap(_str, s._str);
		std::swap(_size, s._size);
		std::swap(_capacity, s._capacity);
	}

clean

  • clean:清理数据;
	void clean()
	{
		_str[0] = '\0';
		_size = 0;
	}

迭代器

有了迭代器,我们就能对自己实现的类使用范围for了。

	//迭代器
	typedef char* iterator;
	typedef const char* const_iterator;

	iterator begin()
	{
		return _str;
	}

	iterator end()
	{
		return _str + _size;
	}

	const_iterator begin() const
	{
		return _str;
	}

	const_iterator end()const
	{
		return _str + _size;
	}

>> 与 << 重载

注意这两个函数须定义在类外

    ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
	{
		for (auto ch : str)
		{
			out << ch;
		}
		
		return out;
	}

	istream& operator>>(istream& in, string& str)
	{
		str.clean();

		char ch = in.get();
		char buff[128]; //避免因频繁扩容导致效率过低
		size_t i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[127] = '\0';
				str += buff;
				i = 0;
			}
			ch = in.get();
		}

		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			str += buff;
		}

		return in;
	}

完整源码

#pragma once
#include
#include

namespace hxy
{
	class string
	{
	public:
		//迭代器
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}

		const_iterator end()const
		{
			return _str + _size;
		}

		//构造函数
		string(const char* str = "")  //使用缺省值
			:_size(strlen(str))
		{
			_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;  //_capacity初始值不能为0
			_str = new char[_capacity + 1];  //为'\0'预留位置
			strcpy(_str, str);
		}
		
		//拷贝构造
		string(const string& s)
			:_size(s._size)
			, _capacity(s._capacity)
		{
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
		}
		
		//赋值重载
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				char* tmp = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(tmp, s._str);

				delete[] _str;
				_str = tmp;

				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}
			return *this;
		}

		//析构函数
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

		const char* c_str()
		{
			return _str;
		}
		
		//用于const对象只读
		const char& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}
		
		//用于普通对象可读可写
		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}

		//比较运算符重载
		bool operator>(const string& s) const
		{
			return strcmp(_str, s._str) > 0;
		}

		bool operator==(const string& s) const
		{
			return strcmp(_str, s._str) == 0;
		}

		bool operator>=(const string& s) const
		{
			return *this > s && *this == s;
		}

		bool operator<(const string& s) const
		{
			return !(*this >= s);
		}

		bool operator<=(const string& s) const
		{
			return !(*this > s);
		}

		bool operator!=(const string& s) const
		{
			return !(*this == s);
		}

		void resize(size_t n, char ch = '\0')
		{
			if (n < _size)
			{
				_str[n] = '\0';
				_size = n;
			}
			else if (n > _size)
			{
				if (n > _capacity)
				{
					reserve(n);
				}

				size_t i = _size;
				while (i < n)
				{
					_str[i] = ch;
					++i;
				}
				_size = n;
				_str[_size] = '\0';
			}
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);

				delete _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}

		void push_back(char ch)
		{
			//考虑扩容
			if (_size + 1 > _capacity)
			{
				reserve(_capacity * 2);
			}

			_str[_size] = ch;
			_size++;

			_str[_size] = '\0';
		}

		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);

			//考虑扩容
			if (_size+len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}

		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}

		string& insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size + 1 > _capacity)
			{
				reserve(_capacity * 2);
			}
			size_t end = _size + 1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				end--;
			}

			_str[pos] = ch;
			++_size;

			return *this;
		}
		
		string& insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			//挪动数据
			size_t end = _size + len;
			while (end > pos + len - 1)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				end--;
			}

			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;

			return *this;
		}

		string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || pos + len >= _size)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}

			return *this;
		}

		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

		size_t find(char ch, size_t pos = npos)
		{
			assert(pos < _size);

			for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
			{
				if (_str[i] == ch)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}

		size_t find(const char* str, size_t pos = npos)
		{
			assert(pos < _size);

			char* p = strstr(_str, str);
			if (p == nullptr)
			{
				return npos;
			}
			else
			{
				return p - str;
			}
		}

		void clean()
		{
			_str[0] = '\0';
			_size = 0;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;

		static const size_t npos;
	};

	//定义npos
	const size_t string::npos = -1;

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
	{
		for (auto ch : str)
		{
			out << ch;
		}

		return out;
	}

	istream& operator>>(istream& in, string& str)
	{
		str.clean();

		char ch = in.get();
		char buff[128];
		size_t i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[127] = '\0';
				str += buff;
				i = 0;
			}
			ch = in.get();
		}

		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			str += buff;
		}

		return in;
	}
}


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