C++学习笔记(十一)——String类的模拟实现
String类各函数接口总览
默认成员函数
构造函数
拷贝构造函数
赋值运算符重载函数
析构函数
容量和大小相关函数
size和capacity
reserver和resize
empty
迭代器相关函数
begin和end
修改字符串相关函数
push_back
append
operator+=
insert
erase
clear
swap
c_str
访问字符串相关函数
operator[]
find和rfind
关系运算符重载函数
>>和<<运算符的重载以及geline函数
>>运算符的重载
<<运算符的重载
getline
String类各函数接口总览
默认成员函数
构造函数
构造函数设置为缺省函数，若不传入函数，则默认构造为空字符串。字符串的初始大小和容量均设为传入C字符串的长度。(不包含'\0');
string s1("hello world");//构造函数
//构造函数
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str); //初始时，字符串大小设置为字符串长度
_capacity = _size; //初始时，字符串容量设置为字符串长度
_str = new char[_capacity + 1]; //为存储字符串开辟空间（多开一个用于存放'\0'）
strcpy(_str, str); //将C字符串拷贝到已开好的空间
}
拷贝构造函数
模拟实现拷贝构造之前，我们需要先了解深浅拷贝:
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 当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规.
string s1("hello world"):
string s2(s1); //拷贝构造
下面来看一下浅拷贝这个例子:
string s1("hello world");
string s2(s1);运行结果:
报错了？为什么会这样？我们根据上面给的定义简单分析下:
通过调试也会发现，这里他们共同用一块空间
因此，为了避免两次释放同一块空间，我们需要进行深拷贝，深拷贝就是重新开出来一块空间.
下面提供两种深拷贝的两种写法:
写法一:传统的写法
传统写法的思想比较简单:先开辟一块足以容纳源对象字符串的空间，然后将源对象的字符串拷贝过去，然后将源对象的字符串拷贝过去，接着把源对象的其他成员变量也赋值过去即可。拷贝对象的_str与源对象的_str指向的并不是同一块空间，所以拷贝出来的对象与源对象是相互独立的。
//拷贝构造函
string(const string& str)
:_str(new char(strlen(str._str)+1))
,_size(0)
,_capacity(0)
{
strcpy(_str, str._str);//将str._str拷贝一份到_str
_size = str._size;//_size赋值
_capacity = str._capacity;//_capacity赋值
} 
通过调试会发现，深拷贝会重新开辟一个空间出来,这样就不会出现一个空间被释放两次的错误
写法二:现代的写法
现代写法与传统写法的思想不同:先根据源字符串的C字符串调用构造函数构造一个tmp对象，然后再将tmp对象与拷贝对象的数据交换即可。拷贝对象的_str与源对象的_str指向的也不是同一块空间，是互相独立的。
//现代写法
void swap(string& s)
{
//调用库里的swap
::swap(_str, s._str);//交换两个对象的字符串
::swap(_size, s._size);//交换两个对象的大小
::swap(_capacity, s._capacity);//交换两个对象的容量
}
string(const string& s)
:_str(nullptr)
,_size(0)
,_capacity(0)
{
string tmp(s._str);//调用构造函数
swap(tmp);//交换这两个对象
}赋值运算符重载函数
与拷贝构造函数类似，赋值运算符重载函数的模拟实现也涉及深浅拷贝问题，我们同样需要采用深拷贝。下面也提供深拷贝的两种写法：
string d1;
string d2(2022,2,20);
d1=d2;
写法一：传统写法
赋值运算符重载函数的传统写法与拷贝构造函数的传统写法几乎相同，只是左值的_str在开辟新空间之前需要先将原来的空间释放掉，并且在进行操作之前还需判断是否是自己给自己赋值，若是自己给自己赋值，则无需进行任何操作。
//传统写法
string& operator=(const string& s)
{
if (this != &s) //防止自己给自己赋值
{
delete[] _str; //将原来_str指向的空间释放
_str = new char[strlen(s._str) + 1]; //重新申请一块刚好可以容纳s._str的空间
strcpy(_str, s._str); //将s._str拷贝一份到_str
_size = s._size; //_size赋值
_capacity = s._capacity; //_capacity赋值
}
return *this; //返回左值（支持连续赋值）
}
写法二：现代写法
赋值运算符重载函数的现代写法与拷贝构造函数的现代写法也是非常类似，但拷贝构造函数的现代写法是通过代码语句调用构造函数构造出一个对象，然后将该对象与拷贝对象交换；而赋值运算符重载函数的现代写法是通过采用“值传递”接收右值的方法，让编译器自动调用拷贝构造函数，然后我们再将拷贝出来的对象与左值进行交换即可。
//现代写法
void swap(string& s)
{
//调用库里的swap
::swap(_str, s._str);//交换两个对象的字符串
::swap(_size, s._size);//交换两个对象的大小
::swap(_capacity, s._capacity);//交换两个对象的容量
}
string& operator=(const string& s)
{
if (this != &s) //防止自己给自己赋值
{
string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
swap(tmp); //交换这两个对象
}
return *this; //返回左值（支持连续赋值）
}
析构函数
string类的析构函数需要我们进行编写，因为每个string对象中的成员_str都指向堆区的一块空间，当对象销毁时堆区对应的空间并不会自动销毁，为了避免内存泄漏，我们需要使用delete手动释放堆区的空间。
//析构函数
~string()
{
delete[] _str; //释放_str指向的空间
_str = nullptr; //及时置空，防止非法访问
_size = 0; //大小置0
_capacity = 0; //容量置0
}
容量和大小相关函数
size和capacity
size函数用于获取字符串当前的有效长度（不包括’\0’）。
//大小
size_t size()const
{
return _size; //返回字符串当前的有效长度
}
capacity函数用于获取字符串当前的容量。
//容量
size_t capacity()const
{
return _capacity; //返回字符串当前的容量
}
reserver和resize
reserve和resize这两个函数的执行规则一定要区分清楚。
reserve规则：
1、当n大于对象当前的capacity时，将capacity扩大到n或大于n。
2、当n小于对象当前的capacity时，什么也不做。
//改变容量，大小不变
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity) //当n大于对象当前容量时才需执行操作
{
char* tmp = new char[n + 1]; //多开一个空间用于存放'\0'
strncpy(tmp, _str, _size + 1); //将对象原本的C字符串拷贝过来（包括'\0'）
delete[] _str; //释放对象原本的空间
_str = tmp; //将新开辟的空间交给_str
_capacity = n; //容量跟着改变
}
}
注意：代码中使用strncpy进行拷贝对象C字符串而不是strcpy，是为了防止对象的C字符串中含有有效字符’\0’而无法拷贝（strcpy拷贝到第一个’\0’就结束拷贝了）。
resize规则：
1、当n大于当前的size时，将size扩大到n，扩大的字符为ch，若ch未给出，则默认为’\0’。
2、当n小于当前的size时，将size缩小到n。
//改变大小
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
if (n <= _size) //n小于当前size
{
_size = n; //将size调整为n
_str[_size] = '\0'; //在size个字符后放上'\0'
}
else //n大于当前的size
{
if (n > _capacity) //判断是否需要扩容
{
reserve(n); //扩容
}
for (size_t i = _size; i < n; i++) //将size扩大到n，扩大的字符为ch
{
_str[i] = ch;
}
_size = n; //size更新
_str[_size] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
}
}
empty
empty是string的判空函数，我们可以调用strcmp函数来实现，strcmp函数是用于比较两个字符串大小的函数，当两个字符串相等时返回0。
//判空
bool empty()
{
return strcmp(_str, "") == 0;
}
迭代器相关函数
begin和end
string类中的迭代器实际就是字符指针，只是给字符指针起了个别名。
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
按方向分： 有正向迭代器和反向迭代器（iterator和reverse_iterator）分别配合being()、end()和rbegin()、rend()使用
按属性分： 有普通迭代器和const迭代器 （iterator const_iterator | reverse_iterator const_reverse_iterator）
begin函数模拟实现
iterator begin()
{
return _str; //返回字符串中第一个字符的地址
}
const_iterator begin()const
{
return _str; //返回字符串中第一个字符的const地址
}
end函数模拟实现
iterator end()
{
return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的地址
}
const_iterator end()const
{
return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的const地址
}
在明白了string类中迭代器的底层实现，再来看看我们用迭代器遍历string的代码，其实就是用指针在遍历字符串而已。
实际上范围for并不神奇，因为在代码编译的时候，编译器会自动将范围for替换为迭代器的形式，也就是说范围for是由迭代器支持的，现在我们已经实现了string类的迭代器，自然也能用范围for对string进行遍历：
string s("hello world!!!");
//编译器将其替换为迭代器形式
for (auto e : s)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
修改字符串相关函数
push_back
push_back函数的作用就是在当前字符串的后面尾插上一个字符，尾插之前首先需要判断是否需要增容，若需要，则调用reserve函数进行增容，然后再尾插字符，注意尾插完字符后需要在该字符的后方设置上’\0’，否则打印字符串的时候会出现非法访问，因为尾插的字符后方不一定就是’\0’。
//尾插字符
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity) //判断是否需要增容
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //将容量扩大为原来的两倍
}
_str[_size] = ch; //将字符尾插到字符串
_str[_size + 1] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
_size++; //字符串的大小加一
}
append
append函数的作用是在当前字符串的后面尾插一个字符串，尾插前需要判断当前字符串的空间能否容纳下尾插后的字符串，若不能，则需要先进行增容，然后再将待尾插的字符串尾插到对象的后方，因为待尾插的字符串后方自身带有’\0’，所以我们无需再在后方设置’\0’。
//尾插字符串
void append(const char* str)
{
size_t len = _size + strlen(str); //尾插str后字符串的大小（不包括'\0'）
if (len > _capacity) //判断是否需要增容
{
reserve(len); //增容
}
strcpy(_str + _size, str); //将str尾插到字符串后面
_size = len; //字符串大小改变
}
operator+=
+=运算符的重载是为了实现字符串与字符、字符串与字符串之间能够直接使用+=运算符进行尾插。
+=运算符实现字符串与字符之间的尾插直接调用push_back函数即可。
//+=运算符重载
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch); //尾插字符串
return *this; //返回左值（支持连续+=）
}
+=运算符实现字符串与字符串之间的尾插直接调用append函数即可。
//+=运算符重载
string& operator+=(const char* str)
{
append(str); //尾插字符串
return *this; //返回左值（支持连续+=）
}
insert
insert函数的作用是在字符串的任意位置插入字符或是字符串。
insert函数用于插入字符时，首先需要判断pos的合法性，若不合法则无法进行操作，紧接着还需判断当前对象能否容纳插入字符后的字符串，若不能则还需调用reserve函数进行扩容。插入字符的过程也是比较简单的，先将pos位置及其后面的字符统一向后挪动一位，给待插入的字符留出位置，然后将字符插入字符串即可。
//在pos位置插入字符
string& insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size); //检测下标的合法性
if (_size == _capacity) //判断是否需要增容
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //将容量扩大为原来的两倍
}
char* end = _str + _size;
//将pos位置及其之后的字符向后挪动一位
while (end >= _str + pos)
{
*(end + 1) = *(end);
end--;
}
_str[pos] = ch; //pos位置放上指定字符
_size++; //size更新
return *this;
}
erase
erase函数的作用是删除字符串任意位置开始的n个字符。删除字符前也需要判断pos的合法性，进行删除操作的时候分两种情况：
1、pos位置及其之后的有效字符都需要被删除。
这时我们只需在pos位置放上’\0’，然后将对象的size更新即可。
2、pos位置及其之后的有效字符只需删除一部分。
这时我们可以用后方需要保留的有效字符覆盖前方需要删除的有效字符，此时不用在字符串后方加’\0’，因为在此之前字符串末尾就有’\0’
//删除pos位置开始的len个字符
string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size); //检测下标的合法性
size_t n = _size - pos; //pos位置及其后面的有效字符总数
if (len >= n) //说明pos位置及其后面的字符都被删除
{
_size = pos; //size更新
_str[_size] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
}
else //说明pos位置及其后方的有效字符需要保留一部分
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len); //用需要保留的有效字符覆盖需要删除的有效字符
_size -= len; //size更新
}
return *this;
}
clear
clear函数用于将对象中存储的字符串置空，实现时直接将对象的_size置空，然后在字符串后面放上’\0’即可。
//清空字符串
void clear()
{
_size = 0; //size置空
_str[_size] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
}
swap
swap函数用于交换两个对象的数据，直接调用库里的swap模板函数将对象的各个成员变量进行交换即可。但我们若是想在这里调用库里的swap模板函数，需要在swap函数之前加上“::”（作用域限定符），告诉编译器优先在全局范围寻找swap函数，否则编译器编译时会认为你调用的是正在实现的swap函数（就近原则）。
//交换两个对象的数据
void swap(string& s)
{
//调用库里的swap
::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
}
c_str
c_str函数用于获取对象C类型的字符串，实现时直接返回对象的成员变量_str即可。
//返回C类型的字符串
const char* c_str()const
{
return _str;
}
访问字符串相关函数
operator[]
[ ]运算符的重载是为了让string对象能像C字符串一样，通过[ ] +下标的方式获取字符串对应位置的字符。
在C字符串中我们通过[ ] +下标的方式可以获取字符串对应位置的字符，并可以对其进行修改，实现[ ] 运算符的重载时只需返回对象C字符串对应位置字符的引用即可，这样便能实现对该位置的字符进行读取和修改操作了，但需要注意在此之前检测所给下标的合法性。
//[]运算符重载（可读可写）
char& operator[](size_t i)
{
assert(i < _size); //检测下标的合法性
return _str[i]; //返回对应字符
}
在某些场景下，我们可能只能用[ ] +下标的方式读取字符而不能对其进行修改。例如，对一个const的string类对象进行[ ] +下标的操作，我们只能读取所得到的字符，而不能对其进行修改。所以我们需要再重载一个[ ] 运算符，用于只读操作。
//[]运算符重载（只读）
const char& operator[](size_t i)const
{
assert(i < _size); //检测下标的合法性
return _str[i]; //返回对应字符
}
find和rfind
find函数：
1、正向查找第一个匹配的字符。
首先判断所给pos的合法性，然后通过遍历的方式从pos位置开始向后寻找目标字符，若找到，则返回其下标；若没有找到，则返回npos。（npos是string类的一个静态成员变量，其值为整型最大值）
//正向查找第一个匹配的字符
size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{
assert(pos < _size); //检测下标的合法性
for (size_t i = pos; i < _size; i++) //从pos位置开始向后寻找目标字符
{
if (_str[i] == ch)
{
return i; //找到目标字符，返回其下标
}
}
return npos; //没有找到目标字符，返回npos
}
2、正向查找第一个匹配的字符串。
首先也是先判断所给pos的合法性，然后我们可以通过调用strstr函数进行查找。strstr函数若是找到了目标字符串会返回字符串的起始位置，若是没有找到会返回一个空指针。若是找到了目标字符串，我们可以通过计算目标字符串的起始位置和对象C字符串的起始位置的差值，进而得到目标字符串起始位置的下标。
//正向查找第一个匹配的字符串
size_t find(const char* str, size_t pos = 0)
{
assert(pos < _size); //检测下标的合法性
const char* ret = strstr(_str + pos, str); //调用strstr进行查找
if (ret) //ret不为空指针，说明找到了
{
return ret - _str; //返回字符串第一个字符的下标
}
else //没有找到
{
return npos; //返回npos
}
}
rfind函数：
实现rfind函数时，我们可以考虑复用已经写好了的两个find函数，但rfind函数是从后先前找，所以我们需要将对象的C字符串逆置一下，若是查找字符串，还需将待查找的字符串逆置一下，然后调用find函数进行查找，但注意传入find函数的pos以及从find函数接收到的pos都需要镜像对称一下。
1、反向查找第一个匹配的字符。
首先我们需要用对象拷贝构造一个临时对象tmp，因为我们并不希望调用rfind函数后对象的C字符串就被逆置了。我们将tmp对象的C字符串逆置，然后将所给pos镜像对称一下再调用find函数，再将从find函数接收到的返回值镜像对称一下作为rfind函数的返回值返回即可。
//反向查找第一个匹配的字符
size_t rfind(char ch, size_t pos = npos)
{
string tmp(*this); //拷贝构造对象tmp
reverse(tmp.begin(), tmp.end()); //调用reverse逆置对象tmp的C字符串
if (pos >= _size) //所给pos大于字符串有效长度
{
pos = _size - 1; //重新设置pos为字符串最后一个字符的下标
}
pos = _size - 1 - pos; //将pos改为镜像对称后的位置
size_t ret = tmp.find(ch, pos); //复用find函数
if (ret != npos)
return _size - 1 - ret; //找到了，返回ret镜像对称后的位置
else
return npos; //没找到，返回npos
}
注：rfind函数规定，当所给的pos大于等于字符串的有效长度时，看作所给pos为字符串最后一个字符的下标。
2、反向查找第一个匹配的字符串。
首先我们还是需要用对象拷贝构造一个临时对象tmp，然后将tmp对象的C字符串逆置，同时我们还需要拷贝一份待查找的字符串，也将其逆置。然后将所给pos镜像对称一下再调用find函数。注意：此时我们将从find函数接收到的值镜面对称后，得到的是待查找字符串的最后一个字符在对象C字符串中的位置，而我们需要返回的是待查找字符串在对象C字符串中的第一个字符的位置，所以还需做进一步调整后才能作为rfind函数的返回值返回
//反向查找第一个匹配的字符串
size_t rfind(const char* str, size_t pos = npos)
{
string tmp(*this); //拷贝构造对象tmp
reverse(tmp.begin(), tmp.end()); //调用reverse逆置对象tmp的C字符串
size_t len = strlen(str); //待查找的字符串的长度
char* arr = new char[len + 1]; //开辟arr字符串（用于拷贝str字符串）
strcpy(arr, str); //拷贝str给arr
size_t left = 0, right = len - 1; //设置左右指针
//逆置字符串arr
while (left < right)
{
::swap(arr[left], arr[right]);
left++;
right--;
}
if (pos >= _size) //所给pos大于字符串有效长度
{
pos = _size - 1; //重新设置pos为字符串最后一个字符的下标
}
pos = _size - 1 - pos; //将pos改为镜像对称后的位置
size_t ret = tmp.find(arr, pos); //复用find函数
delete[] arr; //销毁arr指向的空间，避免内存泄漏
if (ret != npos)
return _size - ret - len; //找到了，返回ret镜像对称后再调整的位置
else
return npos; //没找到，返回npos
}
关系运算符重载函数
系运算符有 >、>=、<、<=、==、!= 这六个，但是对于C++中任意一个类的关系运算符重载，我们均只需重载其中的两个，剩下的四个关系运算符可以通过复用已经重载好了的两个关系运算符来实现。
例如，对于string类，我们可以选择只重载 > 和 == 这两个关系运算符。
//>运算符重载
bool operator>(const string& s)const
{
return strcmp(_str, s._str) > 0;
}
//==运算符重载
bool operator==(const string& s)const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
剩下的四个关系运算符的重载，就可以通过复用这两个已经重载好了的关系运算符来实现了。
//>=运算符重载
bool operator>=(const string& s)const
{
return (*this > s) || (*this == s);
}
//<运算符重载
bool operator<(const string& s)const
{
return !(*this >= s);
}
//<=运算符重载
bool operator<=(const string& s)const
{
return !(*this > s);
}
//!=运算符重载
bool operator!=(const string& s)const
{
return !(*this == s);
}
>>和<<运算符的重载以及geline函数
>>运算符的重载
重载>>运算符是为了让string对象能够像内置类型一样使用>>运算符直接输入。输入前我们需要先将对象的C字符串置空，然后从标准输入流读取字符，直到读取到’ ‘或是’\n’便停止读取。
//>>运算符的重载
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear(); //清空字符串
char ch = in.get(); //读取一个字符
while (ch != ' '&&ch != '\n') //当读取到的字符不是空格或'\n'的时候继续读取
{
s += ch; //将读取到的字符尾插到字符串后面
ch = in.get(); //继续读取字符
}
return in; //支持连续输入
}
<<运算符的重载
重载<<运算符是为了让string对象能够像内置类型一样使用<<运算符直接输出打印。实现时我们可以直接使用范围for对对象进行遍历即可。
//<<运算符的重载
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
//使用范围for遍历字符串并输出
for (auto e : s)
{
cout << e;
}
return out; //支持连续输出
}
getline
getline函数用于读取一行含有空格的字符串。实现时于>>运算符的重载基本相同，只是当读取到’\n’的时候才停止读取字符。
//读取一行含有空格的字符串
istream& getline(istream& in, string& s)
{
s.clear(); //清空字符串
char ch = in.get(); //读取一个字符
while (ch != '\n') //当读取到的字符不是'\n'的时候继续读取
{
s += ch; //将读取到的字符尾插到字符串后面
ch = in.get(); //继续读取字符
}
return in;
}