【C++】string类

STL

STL(standard template libaray-标准模板库):是C++标准库的重要组成部分,不仅是一个可复用的组件库,而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架

【C++】string类_第1张图片

为什么学习string类?

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。

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。

标准库中的string类

1、string类

  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_stringstring;
  4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

使用string类时,必须包含#include头文件以及using namespace std;

2、string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

(constructor)函数名称 功能说明
string() (重点) 构造空的string类对象,即空字符串
string(const char* s) (重点) 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) (重点) 拷贝构造函数
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
}

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

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

函数名称 功能说明
operator[] (重
点)
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 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
范围for C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

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(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。

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

6. 接口演示

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include 
using namespace std;

#include 


// 测试string容量相关的接口
// 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
	string s("hello, bit!!!");
	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';
		}
	}
}

// 构建vector时,如果提前已经知道string中大概要放多少个元素,可以提前将string中空间设置好
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';
		}
	}
}



// string的遍历
// begin()+end()   for+[]  范围for
// 注意:string遍历时使用最多的还是for+下标 或者 范围for(C++11后才支持)
// begin()+end()大多数使用在需要使用STL提供的算法操作string时,比如:采用reverse逆置string
void Teststring3()
{
	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 Teststring4()
{
	string s("hello Bit");
	// 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();
	// C++11之后,直接使用auto定义迭代器,让编译器推到迭代器的类型
	auto rit = s.rbegin();
	while (rit != s.rend())
		cout << *rit << endl;

	// 3.范围for
	for (auto ch : s)
		cout << ch << endl;
}


//
// 测试string:
// 1. 插入(拼接)方式:push_back  append  operator+= 
// 2. 正向和反向查找:find() + rfind()
// 3. 截取子串:substr()
// 4. 删除:erase
void Teststring5()
{
	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 += 'b';           // 在str后追加一个字符'b'   
	str += "it";          // 在str后追加一个字符串"it"
	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;
}

int main()
{
	return 0;
}

6. vs和g++下string结构的说明

注意:下述结构是在32位平台下进行验证,32位平台下指针占4个字节。

  • vs下string的结构

string总共占28个字节,内部结构稍微复杂一点,先是有一个联合体联合体用来定义string中字
符串的存储空间

  1. 当字符串长度小于16时,使用内部固定的字符数组来存放。
  2. 当字符串长度大于等于16时,从堆上开辟空间。
union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger one
    value_type _Buf[_BUF_SIZE];
    pointer _Ptr;
    char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的,大多数情况下字符串的长度都小于16,那string对象创建好之后,内
部已经有了16个字符数组的固定空间,不需要通过堆创建,效率高。
其次:还有一个size_t字段保存字符串长度,一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量。
最后:还有一个指针做一些其他事情。

故总共占16+4+4+4=28个字节。

【C++】string类_第2张图片

  • g++下string的结构

G++下,string是通过写时拷贝实现的,string对象总共占4个字节,内部只包含了一个指针,该指
针将来指向一块堆空间,内部包含了如下字段:

  1. 空间总大小。
  2. 字符串有效长度。
  3. 引用计数。
  4. 指向堆空间的指针,用来存储字符串。
struct _Rep_base
{
    size_type _M_length;
    size_type _M_capacity;
    _Atomic_word _M_refcount;
};

string类的模拟实现

1、经典的string类问题

对string类进行了简单的介绍,我们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。请看下以下string类的实现是否有问题?

// 为了和标准库区分,此处使用String
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,可以认为程序非
        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);
}

【C++】string类_第3张图片

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。

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项操作时,就会发生发生了访问违规。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题,即:每个对象都有一份独立的资源,不要和其他对象共享

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。

【C++】string类_第4张图片

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,可以认为程序非
        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;
};

2. 现代版写法的String类

class String
{
public:
    String(const char* str = "")
    {
        if (nullptr == str)
        {
            assert(false);
            return;
        }
        _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. 写时拷贝

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

写时拷贝在读取是的缺陷

string类的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include 
using namespace std;
#include 

namespace bit
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
	public:
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}

		string(const string& s)
			: _str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			string tmp(s._str);
			this->swap(tmp);
		}

		string& operator=(string s)
		{
			this->swap(s);
			return *this;
		}

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

		/
		// iterator
		iterator begin() 
		{ 
			return _str; 
		}

		iterator end() 
		{ 
			return _str + _size; 
		}

		/
		// modify
		void push_back(char c)
		{
			if (_size == _capacity)
				reserve(_capacity * 2);

			_str[_size++] = c;
			_str[_size] = '\0';
		}

		string& operator+=(char c)
		{
			push_back(c);
			return *this;
		}

		// 作业实现
		void append(const char* str);
		string& operator+=(const char* str);

		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[_size] = '\0';
		}

		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

		const char* c_str()const
		{
			return _str;
		}

		/
		// capacity
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}
		size_t capacity()const
		{
			return _capacity;
		}

		bool empty()const
		{
			return 0 == _size;
		}

		void resize(size_t newSize, char c = '\0')
		{
			if (newSize > _size)
			{
				// 如果newSize大于底层空间大小,则需要重新开辟空间
				if (newSize > _capacity)
				{
					reserve(newSize);
				}

				memset(_str + _size, c, newSize - _size);
			}

			_size = newSize;
			_str[newSize] = '\0';
		}

		void reserve(size_t newCapacity)
		{
			// 如果新容量大于旧容量,则开辟空间
			if (newCapacity > _capacity)
			{
				char* str = new char[newCapacity + 1];
				strcpy(str, _str);

				// 释放原来旧空间,然后使用新空间
				delete[] _str;
				_str = str;
				_capacity = newCapacity;
			}
		}

		
		// access
		char& operator[](size_t index)
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}

		const char& operator[](size_t index)const
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}

		
		// 作业
		bool operator<(const string& s);
		bool operator<=(const string& s);
		bool operator>(const string& s);
		bool operator>=(const string& s);
		bool operator==(const string& s);
		bool operator!=(const string& s);

		// 返回c在string中第一次出现的位置
		size_t find(char c, size_t pos = 0) const;
		// 返回子串s在string中第一次出现的位置
		size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;

		// 在pos位置上插入字符c/字符串str,并返回该字符的位置
		string& insert(size_t pos, char c);
		string& insert(size_t pos, const char* str);

		// 删除pos位置上的元素,并返回该元素的下一个位置
		string& erase(size_t pos, size_t len);

	private:
		friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s);
		friend istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s);
	private:
		char* _str;
		size_t _capacity;
		size_t _size;
	};

	ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s)
	{
		// 不能使用这个, 因为string的字符串内部可能会包含\0
		// 直接cout时, 是将_str当成char*打印的,遇到内部的\0时后序内容就不打印了
		//cout << s._str;
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		{
			_cout << s[i];
		}
		return _cout;
	}
}

///对自定义的string类进行测试
void TestBitstring()
{
	bit::string s1("hello");
	s1.push_back(' ');
	s1.push_back('b');
	s1.push_back('i');
	s1 += 't';
	cout << s1 << endl;
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.capacity() << endl;

	// 利用迭代器打印string中的元素
	bit::string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it;
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 这里可以看到一个类只要支持的基本的iterator,就支持范围for
	for (auto ch : s1)
		cout << ch;
	cout << endl;
}

扩展阅读

面试中string类的一种正确写法

STL中的string类怎么了?

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