C++---string类的使用和模拟实现

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前言

今天我们来讲一将STL库中string类，因为有了string的支撑下，提供了许许多多的接口和一些运算符的重载，让我们实现起来许多项目和程序就变得容易起来了！
接下来就让我们看看
文章中的题的答案在最后结尾提供！！！

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正文开始

一、 为什么学习string类？

1.1 C语言中的字符串

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。
OOP的核心思想：
面向对象的编程方法OOP是九十年代才流行的一种软件编程方法。它强调对象的“抽象”、“封装”、“继承”、“多态”。讲程序设计是由“数据结构”+“算法”组成的。从宏观的角度讲，OOP下的对象是以编程为中心的，是面向程序的对象。

1.2 两个面试题

字符串转整形数字
字符串相加

在OJ中，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。

二、标准库中的string类

2.1 string类(了解)

string类的文档介绍

1. 字符串是表示字符序列的类
2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作
   单字节字符字符串的设计特性。
3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信
   息，请参阅basic_string)。
4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits
   和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个
   类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结：

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_string
   string;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。
   >在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

2.2 string类的常用接口说明(最常用的)

1. string类对象的常见构造

void Teststring()
{
	 string s1; // 构造空的string类对象s1
	 string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
	 string s3(s2); // 拷贝构造s3
	 string s4(10,'x');//构造10个x字符放入字符串
}

2. string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size（重点）	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 （重点）	检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点）	清空有效字符
reserve （重点）	为字符串预留空间
resize （重点）	将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充

// size/clear/resize
void Teststring1()
{
	 // 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出
	 //因为内部已经重载<<和>>运算符
	 string s("hello, ROSE!!!");
	 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; 
}
//================================================================================

void Teststring2()
{
	 string s;
	 // 测试reserve是否会改变string中有效元素个数
	 s.reserve(100);
	 cout << s.size() << endl;
	 cout << s.capacity() << endl;
	 // 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小
	 s.reserve(50);
	 cout << s.size() << endl;
	 cout << s.capacity() << endl;
}
// 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销
//================================================================================

void TestPushBack()
{
	 string s;
	 size_t sz = s.capacity();
	 cout << "making s grow:\n";
	 for (int i = 0; i < 100; ++i)
	 {
		 s.push_back('c');
	 if (sz != s.capacity())
	 {
		 sz = s.capacity();
		 cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
	 }
	 }
}
void TestPushBackReserve()
{
	 string s;
	 s.reserve(100);
	 size_t sz = s.capacity();
	 
	 cout << "making s grow:\n";
	 for (int i = 0; i < 100; ++i)
	 {
	 	s.push_back('c');
	 if (sz != s.capacity())
	 {
	 	sz = s.capacity();
	 	cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
	 }
	 }
}

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。

3.string类对象的访问及遍历操作

void Teststring()
{
	 string s1("hello Bit");
	 const string s2("Hello Bit");
	 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 ROSE");
	 // 3种遍历方式：
	 // 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，
	 // 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多
	 // 1. for+operator[]
	 for(size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
	 	cout<<s[i]<<endl;
	 
	 // 2.迭代器
	 string::iterator it = s.begin();
	 while(it != s.end())
	 {
		 cout<<*it<<endl;
		 ++it;
	 }
	 
	 string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	 while(rit != s.rend())
	 	cout<<*rit<<endl;
	 
	 // 3.范围for
	 for(auto ch : s)
	 	cout << ch << endl;
}

4.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+= (重点)	在字符串后追加字符串str
c_str(重点)	返回C格式字符串
find + npos(重点)	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

**注意：

1. 在string尾部追加字符时，s.push_back© / 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。**

5.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>> （重点）	输入运算符重载
operator<< （重点）	输出运算符重载
getline （重点）	获取一行字符串
relational operators	（重点） 大小比较

上面的几个接口大家了解一下，下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的
操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

6. 牛刀小试

仅仅反转字母
找字符串中第一个只出现一次的字符
字符串里面最后一个单词的长度–
验证一个字符串是否是回文
字符串相加

三、string类的模拟实现

3.1 经典的string类问题

上面已经对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。大家看下以
下string类的实现是否有问题？

namespace rose
{
	class string
	{
	public:
		/*string()
		:_str(new char[1])
		{*_str = '\0';}
		*/
		//string(const char* str = "\0") 错误示范
		//string(const char* str = nullptr) 错误示范
		string(const char* str = "")
		{
			// 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()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}

	private:
		char* _str;
	};
	// 测试
	void Teststring()
	{
		string s1("hello bit!!!");
		string s2(s1);
	}
}

系统崩溃了，这是为什么呢？

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

3.2 浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，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 当继续对资源进行操作时，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。

3.3 深拷贝

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情
况都是按照深拷贝方式提供。

3.3.1 传统版写法的string类

class string
{
public:
	string(const char* str = "")
	{
		// 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)
		 : _str(new char[strlen(s._str) + 1])
	 {
		 strcpy(_str, s._str);
	 }

	 string& operator=(const string& s)
	 {
		 if (this != &s)
		 {
			 char* pStr = new char[strlen(s._str) + 1];
			 strcpy(pStr, s._str);
			 delete[] _str;
			 _str = pStr;
		 }

		 return *this;
	 }

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

3.3.2 现代版写法的string类

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

	string(const string& s)
		: _str(nullptr)
	{
		string strTmp(s._str);
		swap(_str, strTmp._str);
	}

	// 对比下和上面的赋值那个实现比较好？
	string& operator=(string s)
	{
		swap(_str, s._str);
		return *this;
	}

	/*
	string& operator=(const string& s)
	{
	if(this != &s)
	{
		string strTmp(s);
		swap(_str, strTmp._str);
	}

	return *this;
	}
	*/

	~string()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}

private:
	char* _str;
};

3.3 写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。
引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给
计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该
对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。
写时拷贝在读取是的缺陷

3.4 string类的模拟实现

namespace ROSE
{
	class string
	{
		//管理字符串的数组，可以增删查改
		//字符串结尾有'\0'
		//支持增删查改
	public:
		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;
		}
		string(const char* str = "")			
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		void swap(string& s)
		{
			::swap(_str, s._str);
			::swap(_size, s._size);
			::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		//s1(s3)
		string(const string& s)    
			:_str(nullptr)
			,_size(0)
			,_capacity(0)
		{
			string tmp(s._str);
			//this->swap(tmp);
			swap(tmp);
		}
		//s1=s3;
		string& operator=(string s)
		{
			swap(s);
			return *this;
		}
		//遍历
		//at 作用和operator[]类似,越界抛异常
		//可读可写
		char& operator[](size_t i)
		{
			assert(i<_size);
			return _str[i];
		}
		//只读
		const char& operator[](size_t i)const							
		{
			assert(i < _size);
			return _str[i];
		}
		//成员函数的const修饰的是*this(本质是保护成员变量在函数体内不会被改变)
		//相当于是this指向的对象成员被保护，不能修改

		//开空间,扩展capacity
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strncpy(tmp,_str,_size+1);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}
		//开空间+初始化，扩展capacity并且初始化空间，size也要动
		void resize(size_t n,char val='\0')
		{
			if (n < _size)
			{
				_size = n;
				_str[_size] = '\0';
			}
			else
			{
				if (n > _capacity)
				{
					reserve(n);
				}
					memset(_str + _size, val, n - _size);
					_size = n;
					_str[_size] = '\0';
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			/*if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
			}
			_str[_size] = ch;
			_str[_size+1] = '\0';
			_size++; */

			insert(_size,ch);
		}
		void append(const char* str)
		{
			/*size_t len = _size + strlen(str);
			if (len > _capacity)
			{
				reserve(len);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size = len;*/
			insert(_size, str);
		}
		//s1 += 'x';
		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		//s1+='xxxxx';
		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}

		string& insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{ 
				reserve(_capacity==0?4: _capacity*2);
			}
			//不推荐
			/*for (int i = _size; i >=(int)pos; i--)
			{
				_str[i+1] = _str[i];
			}*/
			//for (size_t i = _size+1; i >pos; i--)
			//{
			//	_str[i] = _str[i-1];
			//}
			//或者还可以用指针
			char* end = _str + _size;
			while (end >= _str + pos)
			{
				*(end + 1) = *end;
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
			return *this;
		}
		//在pos位置之前插入
		string& insert(size_t pos,const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			//挪动位置
			char* end = _str + _size;
			while (end >= _str+pos)
			{
				*(end + len) = *end;
				end--;
			}
			strncpy(_str+pos,str,len);
			_size += len;
			return *this;
		}
		string& erase(size_t pos = 0, size_t len=npos)
		{
			assert(pos < _size);
			size_t SubLen = _size - pos;
			//1.剩余的字符长度小于要删的长度（后面全部删完）
			if (len >= SubLen)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			//2.剩余的字符长度大于要删的长度
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
			
			return *this;
		}

		size_t find(char ch,size_t pos=0)
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
					return i;
			}
			return npos;
		}
		size_t find(char* str, size_t pos=0)
		{
			assert(pos<_size);
			const char* ret=strstr(_str+pos,str);
			if (ret)
			{
				return ret - _str;
			}
			return npos;
		}

		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[0] = '\0';
		}
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
		const char* c_str()const
		{
			return _str;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		const static size_t npos;
	};
	const size_t string::npos = -1;
	inline bool operator<(const string& s1,const string& s2)
	{
		return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
	}
	inline bool operator>(const string& s1, const string& s2)
	{
		return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) > 0;
	}
	inline bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1>s2);
	}
	inline bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1<s2);
	}
	inline bool operator==(const string& s1, const string& s2)
	{
		return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
	}
	inline bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1==s2);
	}

	ostream& operator<<(ostream& out,const string& s)
	{
		for (auto ch : s)
		{
			out << ch;
		}
		return out;
	}
	istream& operator>>(istream& in,string& s)
	{
		s.clear();
		char ch;
		ch = in.get();
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			s += ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}
	istream& getline(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char ch;
		ch = in.get();
		while (ch != '\n')
		{
			s += ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}
}

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总结

例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了string类的使用和模拟实现，文章中的题目答案可以存在码云仓库。链接如下~我的仓库