C++ STL String底层实现分析
STL String是最重要，最常用的STL之一，能够大大降低我们处理字符串的工作量。今天我们来自己写一个MyString,在编码中理解它的工作原理。
目录
基本结构
构造方法
重载运算符
方法实现
迭代器
其它
整体代码
基本结构
从一个容器的角度讲，string的结构并不复杂，本质上还是一个顺序表。如图可以生动展示一个string所占用的空间。其中_size表示当前已经使用的空间,_capacity表示最大容量。特别需要注意的是，string的字符串结尾会固定存放一个'/0'来表示字符串结尾。在实践中我发现在不主动调用reserve()方法与resize()方法的情况下，string.capacity()的值往往与string().size()相同。
由此可以得到string的私有部分定义：
private:
char* _ptr; //实际存储字符串内容的空间
size_t _size; //存储字符串当前的容量
size_t _capacity; //存储字符串最大容量 构造方法
下面给出string的构造方法：
public:
//构造函数
MyString():_ptr(new char[1]),_size(0),_capacity(){
*_ptr='\0';
}//没有参数的构造函数
MyString(const char* ptr):_ptr(new char[strlen(ptr)+1]),_size(0),_capacity(0){//带参数的构造函数
strcpy(_ptr,ptr); //将字符串赋值给string
_size=strlen(_ptr); //将字符串的大小和容量更新为当前值
_capacity=strlen(_ptr);
}
MyString(const MyString& str):_ptr(nullptr),_size(0),_capacity(0){ //拷贝构造
strcpy(_ptr,str._ptr);
_size=strlen(_ptr);
_capacity=strlen(_ptr);
}
~MyString(){ //析构函数
if(_ptr){
delete[] _ptr;
_ptr=nullptr;
_size=0;
_capacity=0;
}
}上述代码基本没有新难点。
重载运算符
下面代码对一些运算符进行了重载
MyString& operator=(MyString str){ //对=符号进行重载
strcpy(_ptr,str._ptr);
_size=strlen(_ptr);
_capacity=strlen(_ptr);
return *this;
}
const char& operator[](size_t n) const{ //对[]符号进行重载,用以实现字符串随机访问
assert(n<_size);
return _ptr[n];
}
MyString& operator+=(const char& c){ //对+=重载，来实现+=字符的操作
this->push_back(c);
return *this;
}
MyString& operator+=(const char* str){
this->append(str);
return *this;
}
MyString& operator+=(const MyString& str){
this->append(str._ptr);
return *this;
}string的方法为了能够满足地址，指针和string三种情况的调用，往往要多次重写方法。建议先实现一些常用的方法再来完成运算符重载，这样可以直接调用已经写好的方法，避免出错，简化代码。例如上述代码中的push_back()与append()方法可以提前写好调试完成。
assert()方法在
方法实现
下面代码实现了一些常用的方法。
size_t strlen(const char *str){ //strlen方法从当前指针位置开始向后累加,计算到\0为止的字符串长度
size_t length=0;
if(str==nullptr) return 0;
while(*str++!='\0') length++;
return length;
}
char* strcpy(char *strDest, const char *strSrc){ //strcpy将strSrc的内容复制到strDest中,并且返回strDest的头指针
assert((strDest!=NULL) && (strSrc !=NULL)); //如果两个字符串都是空的就直接中断
char *address = strDest; //用address指向strDest开始地址
while( (*strDest++ = * strSrc++) != '\0' );
return address ; //返回strDest开始地址
}
void reserve(size_t newCapacity){ //reserve用来修改的是capacity
if (newCapacity>_capacity)
{
char* str = new char[newCapacity+1];//开新的空间
for (size_t i=0;i<_size;i++){
str[i] = _ptr[i];
}
delete[] _ptr;
_ptr = str;
_capacity = newCapacity;
}
}
void resize(size_t newSize){ //resize用来修改的是size
if(newSize>_capacity){ //如果string容量不足，要先开辟容量
reserve(newSize);
}
if(newSize>_size){
memset(_ptr+_size,'/0', newSize-_size); //memset用来对一块空间进行初始化,这里将没有赋值但在string容器内的内存赋值为/0
}
_size=newSize;
_ptr[_size]='\0';
}
void push_back(const char& c){ //在string后面插入新的字符
int newCapacity;
if(_size==_capacity){ //string已满,需要扩容
if(_capacity==0){ //string的容量为0,此时扩容为 32
newCapacity=32;
}else{
newCapacity=_capacity*2;
}
reserve(newCapacity); //执行实际的扩容操作
}
_ptr[_size]=c;
_size++;
_ptr[_size]='\0';
}
size_t size(){
return _size;
}
size_t capacity(){
return _capacity;
}
void append(const char* str){
int newLength=strlen(str);
if(newLength+_size>_capacity){//容量不足，需要扩容
reserve(newLength+_size);
}
_ptr[newLength+_size]='\0';
for(int i=_size;i<=_size+newLength;i++){//将str内容复制过来
_ptr[i]=str[i-_size];
}
_size+=newLength;
}
void insert(size_t position,const char& c){//插入一个字符
assert(position<=_size);
if (_size == _capacity){
size_t newCapacity;
if(_capacity==0){
newCapacity=32;
}else{
newCapacity=_capacity*2;
}
reserve(newCapacity);
}
size_t endPosition=_size;
while (endPosition-position)
{
_ptr[endPosition] =_ptr[endPosition-1]; //将插入点后面的元素右移一位
--endPosition;
}
_ptr[position]=c; //插入新字符
_ptr[++_size] = '\0';
}
void insert(size_t position, const char* str){
if(_size+strlen(str)>_capacity){//如果容量不足，就进行扩容
reserve(_size+strlen(str));
}
for(int i=0;i=0);
if (position+length>=_size){ //删除点后面没有需要保留的字符。直接将后续全部删除
_ptr[position]='\0';
_size=position;
return;
}
size_t start =position+length; //start为后半部分保留的字符指针，将后半部分逐个前移到删除点
while(start<_size){
_ptr[position++] =_ptr[start++];
}
_size-=length;
_ptr[_size]='\0'; //'/0'不能忘
}
size_t find(const char& c, size_t position=0){//查找position位置后面的第一个c的位置
assert(position<_size);
while(position<_size){
if (_ptr[position]==c){
return position;
}
position++;
}
return -1; //查不到就返回-1
}
char* strstr(char *src,char *substr){ //用于查询src中是否存在substr
assert(src != NULL && substr != NULL);
unsigned int size = strlen(src);
for(int i = 0; i < size; ++i,++src){
char *p = src;
for(char *q = substr;;p++,q++){
if(*q == '\0'){//在src中找到连续的substr子串停止并返回
return src;
}
if(*q != *p){
break;
}
}
}
}
size_t find(char* str, size_t position=0){
assert(position< _size);
char* s=strstr(_ptr+position, str);
if (s){
return s - _ptr;
}
return -1;
} 这部分代码量最然比较大，但大部分内容还是常规的顺序表操作。
值得一提的是，其中reserve()方法用来修改的是_capacity的值，也就是最大容量。而resize()方法用来修改的是_size,也就是已占用的空间。这让我对_size和_capacity的意义出现了混淆。所以我使用原版的string进行了验证，令我意外的是原版的string中_size与_capacity似乎是始终相等的。于是我通过下面的代码进行测试：
#include
#include
using namespace std;
int main(){
string s="abcabcabcabcabc"; //一个随意的字符串
cout< 得到了以下结果：
当我使用reserve()方法与resize()方法修改string的长度时，情况果然发生了改变。为了让结果更加明显，设置了500和600两个比较夸张的数字，得到的字符串后面出现了大量的空白。猜测是resize()导致的原字符串后面的填充，于是让程序输出后面随意一个空格的ASCII码，果然其值为0.也就是说，在string中，如果用户强行将其_size提高，那么新增的有效空间会用ASCII码为0的空字符填充。
由此可见，假如用户实际使用的空间<_size<_capacity，那么此时string中的存储情况是这样的：
另外，起初我使用的resize()的值大于reserve()的值，导致结果中size和capacity仍然是同样大的。这种现象是因为，当resize()的参数值大于reserve()时，会自动调用reserve()将string进行扩容，并扩容到resize()的大小。这一点在上面的resize()方法中已经体现。
迭代器
下面代码实现了string的迭代器。由于是顺序存储，所以迭代器并不复杂。
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin(){//首元素位置
return _ptr;
}
iterator end(){//末元素位置
return _ptr+_size;
}
const_iterator begin()const{
return _ptr;
}
const_iterator end()const{
return _ptr + _size;
}其它
为了让string能够符合用户习惯地输入和输出，需要对输入和输出进行一些处理。本质上其实属于'<<'和'>>'运算符的重载。
在MyString对象类中，加入以下代码：
friend ostream& operator<<(ostream& out, const MyString& str);
friend istream& operator>>(istream& in, MyString& str);其中friend是声明友元函数。友元函数可以调用本类中的私有部分。
在MyString对象之外加入以下代码：
ostream& operator<<(ostream& out, MyString& str){//重载输出运算符,注意添加头文件iostream
for (size_t i=0;i>(istream& in, MyString& str){//重载输入运算符
char ch;
str.resize(0);
str._size = str._capacity = 0;
while ((ch=getchar())!=EOF){
if (ch=='\n'){ //输入以回车作为结束
return in;
}
str+=ch;
}
return in;
} 在对‘<<’的重载中，主要实现的是用户可以通过cout<
整体代码
整体的代码如下：
#ifndef MYSTRING_H
#define MYSTRING_H
#include //size_t类型在assert.h头文件中
#include
#include
using namespace std;
class MyString{
private:
char* _ptr; //实际存储字符串内容的空间
size_t _size; //存储字符串当前的容量
size_t _capacity; //存储字符串最大容量
public:
//构造函数
MyString():_ptr(new char[1]),_size(0),_capacity(){
*_ptr='\0';
}//没有参数的构造函数
MyString(const char* ptr):_ptr(new char[strlen(ptr)+1]),_size(0),_capacity(0){//带参数的构造函数
strcpy(_ptr,ptr); //将字符串赋值给string
_size=strlen(_ptr); //将字符串的大小和容量更新为当前值
_capacity=strlen(_ptr);
}
MyString(const MyString& str):_ptr(nullptr),_size(0),_capacity(0){ //拷贝构造
strcpy(_ptr,str._ptr);
_size=strlen(_ptr);
_capacity=strlen(_ptr);
}
~MyString(){ //析构函数
if(_ptr){
delete[] _ptr;
_ptr=nullptr;
_size=0;
_capacity=0;
}
}
//运算符重载
MyString& operator=(MyString str){ //对=符号进行重载
strcpy(_ptr,str._ptr);
_size=strlen(_ptr);
_capacity=strlen(_ptr);
return *this;
}
const char& operator[](size_t n) const{ //对[]符号进行重载,用以实现字符串随机访问
assert(n<_size);
return _ptr[n];
}
MyString& operator+=(const char& c){ //对+=重载，来实现+=字符的操作
this->push_back(c);
return *this;
}
MyString& operator+=(const char* str){
this->append(str);
return *this;
}
MyString& operator+=(const MyString& str){
this->append(str._ptr);
return *this;
}
//方法实现
size_t strlen(const char *str){ //strlen方法从当前指针位置开始向后累加,计算到\0为止的字符串长度
size_t length=0;
if(str==nullptr) return 0;
while(*str++!='\0') length++;
return length;
}
char* strcpy(char *strDest, const char *strSrc){ //strcpy将strSrc的内容复制到strDest中,并且返回strDest的头指针
assert((strDest!=NULL) && (strSrc !=NULL)); //如果两个字符串都是空的就直接中断
char *address = strDest; //用address指向strDest开始地址
while( (*strDest++ = * strSrc++) != '\0' );
return address ; //返回strDest开始地址
}
void reserve(size_t newCapacity){ //reserve用来修改的是capacity
if (newCapacity>_capacity)
{
char* str = new char[newCapacity+1];//开新的空间
for (size_t i=0;i<_size;i++){
str[i] = _ptr[i];
}
delete[] _ptr;
_ptr = str;
_capacity = newCapacity;
}
}
void resize(size_t newSize){ //resize用来修改的是size
if(newSize>_capacity){ //如果string容量不足，要先开辟容量
reserve(newSize);
}
if(newSize>_size){
memset(_ptr+_size,'/0', newSize-_size); //memset用来对一块空间进行初始化,这里将没有赋值但在string容器内的内存赋值为/0
}
_size=newSize;
_ptr[_size]='\0';
}
void push_back(const char& c){ //在string后面插入新的字符
int newCapacity;
if(_size==_capacity){ //string已满,需要扩容
if(_capacity==0){ //string的容量为0,此时扩容为 32
newCapacity=32;
}else{
newCapacity=_capacity*2;
}
reserve(newCapacity); //执行实际的扩容操作
}
_ptr[_size]=c;
_size++;
_ptr[_size]='\0';
}
size_t size(){
return _size;
}
size_t capacity(){
return _capacity;
}
void append(const char* str){
int newLength=strlen(str);
if(newLength+_size>_capacity){//容量不足，需要扩容
reserve(newLength+_size);
}
_ptr[newLength+_size]='\0';
for(int i=_size;i<=_size+newLength;i++){//将str内容复制过来
_ptr[i]=str[i-_size];
}
_size+=newLength;
}
void insert(size_t position,const char& c){//插入一个字符
assert(position<=_size);
if (_size == _capacity){
size_t newCapacity;
if(_capacity==0){
newCapacity=32;
}else{
newCapacity=_capacity*2;
}
reserve(newCapacity);
}
size_t endPosition=_size;
while (endPosition-position)
{
_ptr[endPosition] =_ptr[endPosition-1]; //将插入点后面的元素右移一位
--endPosition;
}
_ptr[position]=c; //插入新字符
_ptr[++_size] = '\0';
}
void insert(size_t position, const char* str){
if(_size+strlen(str)>_capacity){//如果容量不足，就进行扩容
reserve(_size+strlen(str));
}
for(int i=0;i=0);
if (position+length>=_size){ //删除点后面没有需要保留的字符。直接将后续全部删除
_ptr[position]='\0';
_size=position;
return;
}
size_t start =position+length; //start为后半部分保留的字符指针，将后半部分逐个前移到删除点
while(start<_size){
_ptr[position++] =_ptr[start++];
}
_size-=length;
_ptr[_size]='\0'; //'/0'不能忘
}
size_t find(const char& c, size_t position=0){//查找position位置后面的第一个c的位置
assert(position<_size);
while(position<_size){
if (_ptr[position]==c){
return position;
}
position++;
}
return -1; //查不到就返回-1
}
char* strstr(char *src,char *substr){ //用于查询src中是否存在substr
assert(src != NULL && substr != NULL);
unsigned int size = strlen(src);
for(int i = 0; i < size; ++i,++src){
char *p = src;
for(char *q = substr;;p++,q++){
if(*q == '\0'){//在src中找到连续的substr子串停止并返回
return src;
}
if(*q != *p){
break;
}
}
}
}
size_t find(char* str, size_t position=0){
assert(position< _size);
char* s=strstr(_ptr+position, str);
if (s){
return s - _ptr;
}
return -1;
}
//迭代器
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin(){//首元素位置
return _ptr;
}
iterator end(){//末元素位置
return _ptr+_size;
}
const_iterator begin()const{
return _ptr;
}
const_iterator end()const{
return _ptr + _size;
}
friend ostream& operator<<(ostream& out, const MyString& str);
friend istream& operator>>(istream& in, MyString& str);
};
ostream& operator<<(ostream& out, MyString& str){//重载输出运算符,注意添加头文件iostream
for (size_t i=0;i>(istream& in, MyString& str){//重载输入运算符
char ch;
str.resize(0);
str._size = str._capacity = 0;
while ((ch=getchar())!=EOF){
if (ch=='\n'){ //输入以回车作为结束
return in;
}
str+=ch;
}
return in;
}
#endif