C++从入门到精通（第七篇） ：string类的讲解和模拟实现 (copy)
一.为什么要学习string类
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。
标准库中的string类
string类(了解)
- 字符串是表示字符序列的类
- 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。
- 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)。
- 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)。
- 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：
string是表示字符串的字符串类
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。 比特科技3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char,
char_traits, allocator> string;
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;
string类的常用接口说明
- 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 }
- string类对象的容量操作
- size（重点）
返回字符串有效字符长度
2.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：
- 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()。
- clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
- 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。
- 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。
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 |
| 范围for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |
| 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 |
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 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(); while(rit != s.rend()) cout<<*rit<<endl; // 3.范围for for(auto ch : s) cout<<ch<<endl; }
string类对象的修改操作
- 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
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 += '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 file1("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 sring 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：
- 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。
- 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
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
例题
class Solution { public: string reverseOnlyLetters(string S) { char* pLeft = (char*)S.c_str(); char* pRight = pLeft + (S.size()-1); while(pLeft < pRight) { // 从前往后找，找到一个字母 while(pLeft < pRight) { // 找到有效字母后停下来 if(isalpha(*pLeft)) break; ++pLeft; } // 从后往前找，找一个字母 while(pLeft < pRight) { // 找到有效字母后停下来 if(isalpha(*pRight)) break; --pRight; } if(pLeft < pRight) { swap(*pLeft, *pRight); ++pLeft; --pRight; } } return S; } };
string类的模拟实现
深拷贝和浅拷贝
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？
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); }
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
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。要解决浅拷贝问题，C++中引入了深拷 贝。
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。
传统版写法的string类
lass 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; };
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; };
string类的模拟实现
头文件和接口展示
#pragma once #include<iostream> #include<string> #include<assert.h> namespace ymh { class string { //友元函数 friend ostream& operator <<(ostream& cout, const string& s); friend istream& operator <<(istream& cin, string& s); friend istream& getline(istream& cin, string& s); public: //迭代器的定义 typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; //构造函数 string(const char* s=""); string(const string& s); //赋值运算符重载 string& operator=(const string& s) { if (this != s) { this->clear(); } } //析构函数 ~string(); //交换函数 void swap(string& s); //迭代器 iterator begin(); iterator end(); const_iterator begin() const; const_iterator end() const; //;要给到外面 //修改函数 void push_back(char c); string& operator +=(const char* s); string& operator +=(const char s); void append(const char* s); void clear(); const char* c_str()const ; //大小操作 size_t size() const; size_t capacity() const; void resize(); void reserve(); bool empty() const; //relational operator 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 string& insert(size_t pos, char c); string& insert(size_t pos, const char* str); // 删除pos位置上的长度个字符 string& erase(size_t pos, size_t len = npos); private: char* _str; size_t _capacity; size_t _size; static const size_t npos; }; //初始化静态私有成员变量 const size_t string::npos = -1; }
模拟实现
ostream& operator<<(ostream& _cout, const string& s) { for (auto ch : s)//会替换成string的迭代器 { _cout << ch; } return _cout; } istream& operator>>(istream& _cin, string& s) { s.clear();//清理 char ch; ch = _cin.get();//能够接收空格和结束符 while (ch != ' ' && ch != '\n') { s += ch; ch = _cin.get(); } return _cin; } istream& getline(istream& _cin, string& s) { s.clear(); char ch; ch = _cin.get(); while (ch != '\n') { s += ch; ch = _cin.get(); } return _cin; } //构造函数 string::string(const char* str="") { if(str==nullptr) str=""; _str = new char[strlen(str) + 1]; _size = strlen(str); _capacity = _size; strcpy(_str, str); } //交换string void string::swap(string& s) { ::swap(_str, s._str); ::swap(_size, s._size); ::swap(_capacity, s._capacity); } //拷贝构造 string::string(const string& s) :_str(nullptr) , _size(0) , _capacity(0) { string tmp(s._str); swap(tmp); } //赋值重载 string& string::operator=(const string& s)//传引用 { //避免自己给自己赋值 if (this != &s) { string tmp(s._str); swap(tmp); } return *this; } //析构函数 string::~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = 0; _capacity = 0; } // iterator（普通对象） string::iterator string::begin() { return _str; } string::iterator string::end() { return _str + _size; } // iterator（const对象） string::const_iterator string::begin()const { return _str; } string::const_iterator string::end()const { return _str + _size; } // modify //尾插字符 void string::push_back(char c) { // 满空间就扩容 //if (_size == _capacity) //{ // reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //} //_str[_size] = c; //_size++; insert(_size, c); } string& string::operator+=(char c) { push_back(c); return *this; } //追加字符串 void string::append(const char* str) { /*size_t len = _size + strlen(str); if (len > _capacity) { reserve(len); } strcpy(_str + _size, str); _size = len;*/ insert(_size, str); } string& string::operator+=(const char* str) { append(str); return *this; } void string::clear() { _str[0] = '\0'; _size = 0; } const char* string::c_str()const { return _str; } size_t string::size()const { return _size; } size_t string::capacity()const { return _capacity; } bool string::empty()const { return _size == 0; } //开空间+初始 void string::resize(size_t n, char c) { if (n < _size) { _str[n] = '\0'; _size = n; } else { if (n > _capacity) { reserve(n); } int pos = _size; while (pos < n) _str[pos++] = c; _str[n] = '\0'; _size = n; } } //开空间 void string::reserve(size_t n) { //需要的空间大于容量就开空间 if (n > _capacity) { char* tmp = new char[n + 1]; strncpy(tmp, _str, _size + 1);//strcpy不能将\0后的内容也拷贝 delete[] _str; _str = tmp; _capacity = n; } } // access char& string::operator[](size_t index) { assert(index < _size); return _str[index]; } const char& string::operator[](size_t index)const { assert(index < _size); return _str[index]; } //relational operator bool string::operator<(const string& s) { return strcmp(_str, s._str) < 0; } bool string::operator<=(const string& s) { return *this < s || *this == s; } bool string::operator>(const string& s) { return !(*this <= s); } bool string::operator>=(const string& s) { return !(*this < s); } bool string::operator==(const string& s) { return strcmp(_str, s._str); } bool string::operator!=(const string& s) { return !(*this == s); } // 返回c在string中第一次出现的位置 size_t string::find(char c, size_t pos) const { //pos的合理性 assert(pos < _size); for (size_t i = pos; i < _size; i++) { if (_str[i] == c) return i; } //没找到 return npos; } // 返回子串s在string中第一次出现的位置 size_t string::find(const char* s, size_t pos) const { //pos的合理性 assert(pos < _size); const char* ret = strstr(_str + pos, s); if (ret) return ret - _str; //没找到 return npos; } // 在pos位置上插入字符c/字符串str string& string::insert(size_t pos, char c) { assert(pos <= _size); if (_size == _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); } char* end = _str + _size; while (end >= _str + pos) { *(end + 1) = *end; end--; } _str[pos] = c; _size++; return *this; } string& string::insert(size_t pos, const char* str) { assert(pos <= _size); size_t len1 = strlen(str); size_t len2 = len1 + _size; if (len2 > _capacity) { reserve(len2); } char* end = _str + _size; while (end >= _str + pos) { *(end + len1) = *end; end--; } strncpy(_str + pos, str, len1); _size += len1; return *this; } // 删除pos位置上的长度个字符 string& string::erase(size_t pos, size_t len) { assert(pos < _size); size_t leftlen = _size - pos - 1; if (len >= leftlen) { _str[pos] = '\0'; _size = pos; } else { strcpy(_str + pos, _str + pos + len); _size -= len; } return *this; }
