【C++】string类的超详介绍（模拟实现源码）

秃头侠们好呀，今天咱们来聊聊 string类

为什么要学习string类？

C语言中，字符串是以’\0’结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP（面向对象）的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问或者内存泄漏等等。而且做OJ题，有关字符串的题目基本以string类的形式出现。而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数。

标准库中的string类

既然要学string，那就先来看看标准库里string是啥，有啥
string文档介绍

string是啥

1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_stringstring;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。
5. 包头文件#include < string >以及using namespace std

string类的常用接口

string类对象的常见构造

(constructor)函数名称	功能说明
string()	构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s)	用C-string来构造string类对象
string(size_t n, char c)	string类对象中包含n个字符c
string(const string&s)	拷贝构造函数

void Test()
{
    string s1; // 构造空的string类对象s1
    string s2("hello world"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
    string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty	检测字符串是否为空串，是返回true，否则返回false
clear	清空有效字符
reserve	为字符串预留空间
resize	将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

void Test1()
{
    // 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出
    string s("hello, world");
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.length() << endl;
    cout << s.capacity() << endl;
    cout << s << endl;
    // 将s中的字符串清空，注意清空时只是将size清0，不改变底层空间的大小
    s.clear();
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.capacity() << endl;
    // 将s中有效字符个数增加到10个，多出位置用'a'进行填充
    // “aaaaaaaaaa”
    s.resize(10, 'a');
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.capacity() << endl;
    // 将s中有效字符个数增加到15个，多出位置用缺省值'\0'进行填充
    // "aaaaaaaaaa\0\0\0\0\0"
    // 注意此时s中有效字符个数已经增加到15个
    s.resize(15);
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.capacity() << endl;
    cout << s << endl;
    // 将s中有效字符个数缩小到5个
    s.resize(5);
    cout << s.size() << endl;
    cout << s.capacity() << endl;
    cout << s << endl;
}

注意

1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用\0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
4. reserve(size_t res_arg=0)为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。
5. 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销。

string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[]	返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin+ end	begin()获取一个字符的迭代器 + end()获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend	rbegin()获取一个字符的迭代器 + rend()获取最后一个字符下一个位置的迭代器(反向)
范围for	C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

void Test()
{
    string s1("hello Wordl");
    const string s2("Hello World");
    cout << s1 << " " << s2 << endl;
    cout << s1[0] << " " << s2[0] << endl;
    s1[0] = 'H';
    cout << s1 << endl;
    // s2[0] = 'h'; 代码编译失败，因为const类型对象不能修改
}

void Teststring()
{
    string s("hello world");
    // 3种遍历方式：
    // 除了遍历string对象，还可以遍历修改string中的字符，
    // 第一种使用最多
     
    
    // 1. for+operator[]
    for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
        cout << s[i] << endl;//运算符重载
        //char&operator[](size_t pos)==char&at(size_t pos)
        //这里的引用返回不是为了减少拷贝，而是为了支持修改返回对象


    // 2.迭代器
    string::iterator it = s.begin();
    while (it != s.end())
    {
        cout << *it << endl;
        ++it;
    }
    string::reverse_iterator rit = s.rbegin();//反向
    while (rit != s.rend())
        cout << *rit << endl;


    // 3.范围for
    for (auto ch : s)
        cout << ch << endl;
        //范围for没什么高大上，其实就是编译时替换成迭代器
}

string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串后尾插字符c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+=	在字符串后追加字符串str
c_str	返回C格式字符串
find + npos	从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

void Teststring()
{
    string str;
    str.push_back(' '); // 在str后插入空格
    str.append("hello"); // 在str后追加一个字符"hello"
    str += 'w'; // 在str后追加一个字符'w'
    str += "orld"; // 在str后追加一个字符串"orld"
    cout << str << endl;
    cout << str.c_str() << endl; // 以C语言的方式打印字符串
    // 获取file的后缀
    string file("string.cpp");
    size_t pos = file.rfind('.');
    string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));
    cout << suffix << endl;
    // npos是string里面的一个静态成员变量
    // static const size_t npos = -1;
    // 取出url中的域名
    string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");
    cout << url << endl;
    size_t start = url.find("://");
    if (start == string::npos)
    {
        cout << "invalid url" << endl;
        return;
    }
    start += 3;
    size_t finish = url.find('/', start);
    string address = url.substr(start, finish - start);
    cout << address << endl;
    // 删除url的协议前缀
    pos = url.find("://");
    url.erase(0, pos + 3);
    cout << url << endl;
}

注意

1. 在string尾部追加字符时，s.push_back( c ) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
2. 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。

string类非成员函数

函数	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>	输入运算符重载
operator<<	输出运算符重载
getline	获取一行字符串
relational operators	大小比较

stoi：字符串转整形

int val=stoi("1234");

to_string:整形转字符串

string str=to_string(3.14);

string类的模拟实现

说明：上述string类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

浅拷贝

也称位拷贝、值拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以 当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。要解决浅拷贝问题，C++中引入了深拷贝。

浅拷贝就好像抄作业，你抄内容没问题，关键是你把人家名字都抄上了！

深拷贝

是你开一片新空间，然后把内容拷贝过来

传统string类

class string
{
public:
    string(const char* str = "")//构造函数
    {
        // 构造string类对象时，如果传递nullptr指针，认为程序非法，此处断言下
            if (nullptr == str)
            {
                assert(false);
                return;
            }
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

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

    string& operator=(const string& s)//赋值拷贝
    {
        if (this != &s)
        {
            char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1];
            strcpy(tmp, s._str);
            delete[] _str;
            _str = tmp;
        }
        return *this;
    }

    ~string()//析构函数
    {
        if (_str)
        {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
private:
    char* _str;
};

现代string类

class string
{
public:
    string(const char* str = "")//构造函数
    {
        if (nullptr == str)
            str = "";
        str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

    string(const string& s)//拷贝构造
        : _str(nullptr)
    {
        string strTmp(s._str);//复用构造函数
        swap(_str, strTmp._str);
    }
    
    string& operator=(string s)//赋值拷贝  （这里是拷贝构造的形参）
    {
        swap(_str, s._str);//复用拷贝构造
        return *this;
    }

    ~string()//析构函数
    {
        if (_str)
        {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
private:
    char* _str;
};

写时拷贝

简单了解一下写时拷贝技术

我们先来看一下浅拷贝存在的问题：
1、析构两次
2、其中一个对象进行修改会影响另一个对象

根据上面的问题就引出了：引用计数的写时拷贝（已经被淘汰~）

原理：
①解决第一个问题：比如当我们浅拷贝后有多个对象指向同一块区域，我们让计数器++，多一个就+1，当析构时，若计数器大于1，那么我们析构一次就让计数器-1，当计数器为1时，再调用析构函数。
②对于第二个问题，没办法啦，如果计数器不是1，需要修改对象，就必须先深拷贝了。

这个引用计数的写时拷贝就是在赌！赌对象是否修改，如果不修改，就只是增加引用计数，不进行深拷贝，提高了效率，赌对了就赚到，没赌对就拉到。

缺陷：
引用计数存在线程安全问题，需要加锁，在多线程环境下要付出代价；在动态库，静态库中有些场景会存在一些问题。

最后附上shring的模拟实现源码string模拟实现源码

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⭐感谢阅读，我们下期再见
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