C++ string类模拟实现
目录
string类成员变量
一.构造函数
二.析构函数
三.拷贝构造
四.size(),capacity()
五.operator [ ]
六. operator =
七.字符串比较
八.reserve（）
九.push_back（），append（）
十.operator+=
十一.insert（）
十二.迭代器
十二.erase（）
十三.swap（）
十四.find（）
十五.流提取，流输出
十六.对比库string和我们的String
上期我们已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。同时模拟实现string类对我们自身对类与对象的理解由进一步的提高。
string类成员变量
对于一个String类要有基本的存储体，和存储字符个数，还有存储容量。
class String
{
public:
//成员函数
private:
char* _str; //存储字符串
int _size; //字符个数
int _capacity;//容量
static const size_t npos = -1;
};
一.构造函数
在实现构造函数的时候，我们需要知道一般一个类要有一个默认构造函数，同时string类也要支持常量字符串初始化。
//默认构造函数
String()
:_str(new char[1]),_size(0),_capacity(0)
{
_str[0] = '\0';
}
//支持常量字符串初始化
String(const char* str)
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
_str = new char[_capacity + 1];//在实际开辟空间的时候，多开一个字节，用于存储‘\0’
strcpy(_str, str);
}这然写当然是没有问题的，但是其实还有更好的写法：
//既是默认构造，又能接收常量字符串构造
String(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
_str = new char[_capacity+1];//在实际开辟空间的时候，多开一个字节，用于存储‘\0’
//将str数据拷贝到_str里
strcpy(_str, str);
}注意：在设置_capacity时候，如果刚开始的时候，容量尽量不要是0。以免后面在进行倍数扩容是出现不必要的麻烦和判断。
二.析构函数
析构函数没有什么好介绍的大家直接看吧
~String()
{
delete[] _str;
_size = _capacity = 0;
}注意：虽然我们不写析构函数，编译器自己也会生成一个析构函数，但是今天这里编译器自己生成的不靠谱，因为我们由需要释放申请的堆空间。如果我们不去写那就会造成内存泄漏。
三.拷贝构造
拷贝构造就是使用一个已经有的String对象来初始化另一个String对象。
当然如果我们不写编译器也会自动生成一个，但是生成的这一个也是不靠谱的，因为编译器生成的只会做浅拷贝。
注意： 显然底层的_str 地址是一样的，那么就会导致对其中一个的操作必然会影响到另外一个。而且析构的时候会对同一块空间释放两次，导致出现出现一些内存问题。
深拷贝：
//拷贝构造:使用一个已经有的String对象来初始化另一个String对象。
//1.注意深拷贝
String(const String& s)
{
_capacity = s._capacity;
_size = s._size;
//深拷贝重新开的空间
_str = new char[_capacity+1];
strcpy(_str, s._str);
}
底层存储的地址不同，自然两者不再有任何影响。
四.size(),capacity()
一个String由对字符个数（长度）的管理，由于在类里面是私有成员，我们就要提供成员函数以供外部获取，也不能让外部修改——返回值const。针对普通对象和 const 对象分别提供。
//普通对象调用
const int size()
{
return _size;
}
const int capacity()
{
return _capacity;
}
//const对象调用
const int size() const
{
return _size;
}
const int capacity() const
{
return _capacity;
}
五.operator [ ]
[ ]运算符的重载是使得String类能够像数组一样去访问字符串的每一个成员字符。在重载时针对const 对象也要有考虑。考虑到越界的检查。
//operator[]普通对象调用
char& operator[](const int index)
{
assert(index >= 0 && index < _size);
return _str[index];
}
//operator[] const 对象调用,且不允许修改
const char& operator[](const int index) const
{
assert(index >= 0 && index < _size);
return _str[index];
} 
六. operator =
operator=重载赋值运算符，是使用一个已经有的String对象赋值给另一个String对象。这里我们需要考虑，左操作数容量的大小。如果左操作数容量足够还好，就算多了也即是浪费一点空间的问题，不够就会很麻烦，需要扩容。所以为了设计简单，无论左操作数容量是否足够，我们都直接重新开空间。
// operator=重载赋值运算符
void operator=(const String& s)
{
char* tmp = new char[s.capacity() + 1];
_size = s.size();
_capacity = s.capacity();
strcpy(tmp, s._str);
delete[] _str;
_str = tmp;
}
连续赋值，我们得operator[]返回值就要是赋值的左操作数本身。
// operator=重载赋值运算符
String& operator=(const String& s)
{
if (this != &s)//str=str时无需多余的运算
{
char* tmp = new char[s.capacity() + 1];
_size = s.size();
_capacity = s.capacity();
strcpy(tmp, s._str);
delete[] _str;
_str = tmp;
return *this;
}
}
注意：
- 这里不可以使用realloc来扩容，因为我们使用new来开辟的空间，直接new新的空间进行拷贝。
- 我们要尽量先将数据拷贝到临时的tmp里，再将_str释放掉，如果使用首先将_str释放了，如果在new的结果出现差错，就会触发异常，导致原数据丢失。而且如果面对同一个对象相互赋值时也会出现同样的问题。
七.字符串比较
字符串比较我们只需要实现一个等于，和大于或者小于，其他的直接复用。
//相等
bool operator==(const String& s)const
{
return strcmp(_str, s._str)==0;
}
//小于
bool operator<(const String& s)const
{
return strcmp(_str, s._str) < 0;
}
//不等于
bool operator!=(const String& s)const
{
return !(*this == s);
}
//小于等于
bool operator<=(const String& s)const
{
return *this == s || *this < s;
}
//大于
bool operator>(const String& s)const
{
return !( * this == s || *this < s);
}
//大于等于
bool operator>=(const String& s)const
{
return *this == s || *this > s;
}
八.reserve（）
重新设置容量，我们采取的方案也是，重新开空间，拷贝原来的数据。
//重新设置容量
void reserve(size_t capacity)
{
if (capacity > _capacity)//不允许容量的缩减
{
char* tmp = new char[capacity + 1];
_capacity = capacity;
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
}
}注意：可以使得容量变大，但是一般不允许容量减小。
九.push_back（），append（）
push_back 尾部插入一个字符，append（）尾部插入一个字符串。注意每次进行插入，都需要容量判断，以保证正常的插入。
//重新设置容量
void reserve(int capacity)
{
char* tmp = new char[capacity + 1];
_capacity = capacity;
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
}
void push_back(char ch)
{
//容量不足时
if (_size + 1 >= _capacity)
{
reserve(_capacity * 2);
}
_str[_size++] = ch;
_str[_size] = '\0';
}
void append(const char* s)
{
容量不足时
int len = strlen(s);
if (len + _size >= _capacity)
{
reserve(_capacity + len);
}
strcpy(_str + _size, s);
_size += len;
}注意：
append的扩容，不能采取2倍扩容。因为有可能插入的字符串本身长度就超过了原容量的二倍。
十.operator+=
可以+=一个字符，或者+=一个字符串，或者+=一个String对象。运算符重载+=的效果和append和push_back基本一致，但是用起来的感觉却大不相同。这里我们复用append和push_back。
String& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
String& operator+=(const char* s)
{
append(s);
return *this;
}
String& operator+=(const String& s )
{
append(s._str);
return *this;
}
十一.insert（）
insert支持在 index 位置插入一个字符，插入一个字符串。
void insert(size_t index, char ch)
{
//判断位置是否合法
assert(index >= 0 && index < _size);
//判断是否需要扩容
if (_size + 1 >= _capacity)
{
reserve(_capacity * 2);
}
//挪动数据
int end = _size+1;//end=_size+1,将‘\0’一起拷进去。
//注意:这里的end时int，index是size_t类型，进行比较的时候
//会发生类型提升，int --> size_t,当index=0，循环结束的条件是end为-1，
// 但是由于类型提升，end实际在比较的时候的值是一个很大的数。因此仍会进入循环。
//int end = _size;
//while (end >= index)
//{
// _str[end + 1] = _str[end];
//}
//如果我们代码这样写就会避免当index=0时，end的结束条件是-1。
while (end >= index+1)
{
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
//插入数据ch
_str[index] = ch;
_size++;
}
void insert(size_t index, const char* str)
{
//判断位置是否合法
assert(index >= 0 && index < _size);
int len = strlen(str);
if (len + _size >= _capacity)
{
reserve(_capacity + len);
}
//挪动数据
int end = _size+len;
while (end >= index + len)
{
_str[end] = _str[end-len];
end--;
}
//插入数据
int j = 0;
for (int i = index; i < index + len; i++)
{
_str[i] = str[j++];
}
_size += len;
}
十二.迭代器
string的迭代器，底层就是指针。迭代器提供了一种通用的遍历容器的手段。
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
//普通对象调用
iterator begin()
{
//返回字符数组的第一个位置
return _str;
}
iterator end()
{
//返回字符数组最后一个字符的下一个位置，与begin形成前闭后开。
return _str + _size;
}
//const 对象调用，返回值const_iterator-->const char*
const_iterator begin()const
{
return _str;
}
const_iterator end()const
{
return _str + _size;
}注意：
const_iterator-->const char* 迭代器，迭代器本身可以修改，但是迭代器所指向的内容不允许修改。
范围for的底层即使借助了迭代器实现遍历的。
十二.erase（）
erase支持从某一个位置开始删除后面的len个字符。
//删除pos位置之后的len个字符
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos >= 0 && pos < _size);
if (pos + len > _size || len == npos)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
return;
}
//1.挪动数据
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
//2.挪动数据
//int index = pos;
//while (index + len < _size)
//{
// _str[index] = _str[index + len];
// index++;
//}
_size -= len;
}注意：erase仅仅只是删除字符，减少了字符串的长度，但是并不会影响到容量的。
十三.swap（）
string类自己也提供了一个，swap交换函数。上期我们在介绍string接口的时候也是介绍了这个接口，还特意提到了，string提供的swap要比std的swap效率高的多。
//string提供的
void swap(String &str)
{
std::swap(_size, str._size);
std::swap(_capacity, str._capacity);
std::swap(_str, str._str);
}
//std提供的交换函数
template
void swap(T& e1,T& e2)
{
T tmp = e1;
e1 = e2;
e2 = tmp;
} 注意：string提供的swap之所以效率要比std提供的高，因为string提供的是一个类的成员函数，仅仅做类的私有成员变量的交换就可以了。而std提供的swap函数，是一个全局函数，交换的过程需要经过三次深拷贝。
十四.find（）
是string提供了从字符串中的某一位置开始查找一个字符，和查找字符串的功能。
size_t find( const char ch, size_t pos = 0)
{
assert(pos < _size);
for (int i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
{
return i;
}
}
return npos;
}
size_t find(const char* str, size_t pos = 0)
{
assert(pos < _size);
char* pindex = strstr(_str + pos, str);
if (pindex == nullptr)
{
return npos;
}
else
{
return pindex - _str;
}
}注意：strstr就是一个查找字串的函数，底层是一个暴力的查找算法。找到字串返回字串的手字符地址，没找到就返回nullptr。我们仅仅只要用的字串首字符地址，减去存储的首地址就是中间间隔的字符数，也就是找到的字串首字符的下标。
十五.流提取，流输出
//1.重载流输入
istream& operator>>(istream& in, String& str)
{
str.clear();
char ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
str.push_back(ch);
ch = in.get();
}
return in;
}
//2.重载流输入
istream& operator>>(istream& in, String& str)
{
str.clear();
char buffer[128];
char ch = in.get();
int i = 0;
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
buffer[i++] = ch;
if (i == 127)
{
buffer[i] = '\0';
str += buffer;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i != 0)
{
buffer[i] = '\0';
str += buffer;
}
return in;
}
//重载流输出
ostream& operator<<(ostream& out,const String& str)
{
for (auto e : str)
{
cout << e;
}
return out;
}
注意：流插入选取一个就可以，第一种实现的容易产生容量的浪费，第二种加入一个缓冲区，对容量利用更好。
十六.对比库string和我们的String
我们能够看到，库里面的string要比我们的多16字节。这是因为库里面的string多包涵了一个16字节的字符数组。当我们存储的字符串小于16字节时，就直接存储在数组中。如果大于了16字节，再向堆上开辟空间存储。
//std库中实现的string类私有成员变量
class string
{
public:
//....
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
char __str[16];
};在g++中的实现方式也是不一样。在g++中除了必要的长度，容量，指针以外还会有一个引用计数。
//g++下string类私有成员
class string
{
public:
//...
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
size_t _refcount;//引用计数
};在拷贝时，g++下不会首先使用深拷贝，而是首先使用浅拷贝，并且引用计数加一。只有其中一个对象发生写入改变时才会开辟新的空间进行深拷贝，我们称这种机制也叫做，写时拷贝。这种机制普遍存在linux中，一定程度上可以节省空间和提升效率。