C++模拟实现string的示例代码

2022-11-17 08:15:37 作者：蒋灵瑜的笔记本

这篇文章主要为大家详细介绍了C++模拟实现string的相关资料，文中的示例代码讲解详细，对我们学习C++有一定的帮助，需要的可以参考一下

一、std::swap和std::string::swap的区别

如果用std::swap交换两个string对象，将会发生1次构造和2次赋值，也就是三次深拷贝；而使用std::string::swap仅交换成员，代价较小。

二、string的默认构造函数

1、构造函数

string(const char* s = "")
{
    _size = strlen(s);//_size和_capacity均不包含'\0'
    _capacity = _size;
    _arr = new char[_size + 1];
    memcpy(_arr, s, _size + 1);
}

构造函数用缺省值，能够满足空串的构造。

这里设计_size和_capacity均不包含'\0'。_arr的空间多new一个，用于储存'\0'。

再将形参的内存拷贝至_arr中，即可完成构造。

2、拷贝构造

写法1：老老实实的根据string对象的私有变量进行拷贝构造。

string(const string& s)
{
    _size = s._size;//_size和_capacity均不包含'\0'
    _capacity = s._capacity;
    _arr = new char[_capacity + 1];
    memcpy(_arr, s._arr, _capacity + 1);
}

写法2：通过构造一个临时对象，将这个临时对象的私有变量全部和*this的私有变量交换。

注意拷贝构造需要先将_arr初始化为nullptr，防止后续tmp拿到随机地址。（tmp销毁将调用析构函数，对一块随机地址的空间进行析构程序将会崩溃）

void swap(string& s)
{
    std::swap(_arr, s._arr);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}
string(const string& s)
    :_arr(nullptr)//防止交换后tmp._arr为随机值，析构出错
{
    string tmp(s.c_str());//构造
    swap(tmp);
}

3、赋值运算符重载

写法1：同样的老实人写法。这种写法要防止自己给自己赋值！

string& operator=(const string& s)
{
    if (this != &s)//防止自己给自己赋值
    {
        _size = s._size;
        _capacity = s._capacity;
        char* tmp = new char[_capacity + 1];
        delete[] _arr;
        _arr = tmp;
        memcpy(_arr, s._arr, _capacity + 1);
    }
    return *this;
}

写法2：通过构造临时变量tmp，完成赋值。这种写法无需担心自己给自己赋值的情况，并且_arr无需初始化为nullptr。

void swap(string& s)
{
    std::swap(_arr, s._arr);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}
string& operator=(const string& s)
{
    string tmp(s.c_str());//构造
    swap(tmp);
    return *this;
}

4、析构函数

~string()
{
    _size = _capacity = 0;
    delete[] _arr;
    _arr = nullptr;
}

三、string中的小接口

//string的size()接口
size_t size()const//右const修饰*this，这样const和非const对象均可调用
{
    return _size;
}
//string的c_str()接口
const char* c_str()const
{
    return _arr;
}
//string的capacity()接口
size_t capacity()const
{
    return _capacity;
}
//string的clear()接口
void clear()
{
    _arr[0] = '\0';
    _size = 0;
}
//string的判空
bool empty()const
{
    return _size == 0 ? false : true;
}

如果函数形参不发生改变的，无脑加const修饰。

只有指针和引用会有const权限问题。

四、遍历接口的实现

1、对operator[]进行重载

char& operator[](size_t pos)//普通对象，可读可写
{
    assert(pos < _size);
    return _arr[pos];
}
const char& operator[](size_t pos)const//const对象，仅读
{
    assert(pos < _size);
    return _arr[pos];
}

让字符串进行下标式的访问，需要重载两个operator[]函数，正常对象去调可读可写，const对象调用只读。

2、迭代器

typedef char* iterator;
iterator begin()
{
    return _arr;
}
iterator end()//end指向字符串的'\0'
{
    return _arr + _size;
}

string的迭代器是字符指针，写完迭代器就可以用迭代器实现访问、修改了。

范围for的底层也是一个迭代器，但是范围for底层只认begin()和end(),如果和自己实现的迭代器接口名称对不上，那么范围for将无法使用。

五、reserve和resize

//sring的reserve接口, 如果预开空间小于现有空间，将不会改变容量。
void reserve(size_t n = 0)
{
    if (n + 1 > _capacity)
    {
        char* tmp = new char[n + 1];
        memset(tmp, '\0', n + 1);
        memcpy(tmp, _arr, _size);
        delete[] _arr;
        _arr = tmp;
        _capacity = n;
    }
}
//sring的resize接口
void resize(size_t n, char c)
{
    //判断n的大小
    if (n > _capacity)
    {
        reserve(n);
        memset(_arr + _size, c, n - _size);
        _size = n;
    }
    else
    {
        _arr[n] = '\0';
        _size = n;
    }
}

reserve是扩容，可以用于预开空间，防止频繁的空间申请。申请一块n+1大小的空间，将该空间全部初始化'\0'，再将_arr中的数据拷贝至tmp中，释放_arr，_arr指向tmp。

在resize中需要考虑_size扩容和缩容的问题。

六、插入删除查找相关接口

1、push_back、append、+=

string& push_back(const char c)
{
    //判断容量
    if (_size == _capacity)
    {
        size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;//防止出现空串的情况
        reserve(newCapacity);
    }
    _arr[_size++] = c;
    return *this;
}
string& append(const char* s)
{
    //判断容量
    size_t len = strlen(s);
    if (_size + len > _capacity)
    {
        reserve(_size + len);
    }
    strcpy(_arr + _size, s);
    _size += len;
    return *this;
}
string& operator+=(const char c)
{
    push_back(c);
    return *this;
}
string& operator+=(const char* s)
{
    append(s);
    return *this;
}

写push_back要考虑到原对象为空串的情况（即_capacity为0）。

+=可以复用push_back和append。

2、insert和earse

string& insert(size_t pos, char c)
{
    assert(pos < _size);
    //判断容量
    if (_size == _capacity)
    {
        reserve(_capacity + 1);
    }
    //挪动数据
    for (size_t i = _size; i > pos; --i)
    {
        _arr[i] = _arr[i - 1];
    }
    _arr[pos] = c;
    ++_size;
    return *this;
}
string& insert(size_t pos, const char* s)
{
    size_t len = strlen(s);
    //判断容量
    if (len + _size > _capacity)
    {
        reserve(len + _size);
    }
    //挪动数据
    for (size_t i = _size + len; i > pos + len - 1; --i)
    {
        _arr[i] = _arr[i - len];
    }
    memcpy(_arr + pos, s, len);
    _size += len;
    return *this;
}
string& earse(size_t pos, size_t len = npos)
{
    assert(pos < _size);
    //先判断删到底的情况
    if (len == npos || pos + len >= _size)
    {
        _arr[pos] = '\0';
        _size = pos;
    }
    else
    {
        memcpy(_arr + pos, _arr + pos + len, _size - pos - len);
        _size -= len;
    }
    return *this;
}

insert接口在挪动数据时，从最后一个元素的后一个（后len个）位置开始覆盖，可以保证不出现size_t 类型越界的情况。

earse接口，需要分类讨论字符串是否删到底。

注意，这个pos是const static成员，C++语法中，只有指针和整型的const static成员是可以在类中进行初始化的。

3、find

size_t find(const char c, size_t pos = 0)const
{
    assert(pos < _size);
    for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
    {
        if (_arr[i] == c)
        {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}
size_t find(const char* s, size_t pos = 0)const
{
    assert(pos < _size);
    const char* p = strstr(_arr, s);
    if (p != nullptr)
    {
        return _arr - p;
    }
    return npos;
}

从指定位置找字符或字符串，找到了，返回第一个匹配字符/子串的下标。

七、流插入和流提取

//流插入和流提取的重载时为了自定义类型的输入输出
inline ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)//这里访问的到私有，所以可以不用写成友元函数
{
    for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)//流插入按照_size打印，c_str找到'\0'结束打印
    {                                    //比如我在字符串中间插入一个'\0',打印结果不一样
        out << s[i];
    }
    return out;
}
inline istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
    s.clear();//用之前先清空s
    //in >> c;//流提取不会识别空格和换行
    char c = in.get();
    char buff[128] = { '\0' };//防止频繁扩容
    size_t i = 0;
    while (c != ' ' && c != '\n')
    {
        if (i == 127)
        {
            s += buff;
            i = 0;
        }
        buff[i++] = c;
        c = in.get();
    }
    if (i > 0)
    {
        buff[i] = '\0';
        s += buff;
    }
    return in;
}

因为string提供了访问私有的接口，所以流插入和流提取可以不用重载成string类的友元函数。

对于流提取，如果频繁的尾插，会造成频繁扩容。而且C++的扩容和C语言的扩容不一样，C++使用new不能原地扩容，只能异地扩容，异地扩容就会导致新空间的开辟、数据的拷贝、旧空间释放。为了防止频繁扩容，我们可以创建一个可以存储128字节的数组，在这个数组中操作，这个数组满了就尾插至对象s中。

为什么不能用getline，而是要一个字符一个字符尾插呢？因为流提取遇到空格和'\n'会结束提取，剩余数据暂存缓冲区，如果是getline的话，遇到空格是不会停止读取的。

八、模拟实现的string整体代码

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <assert.h>
using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;
using std::ostream;
using std::istream;
namespace jly
{
	class string
	{
	public:
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_arr, s._arr);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		//构造函数
		string(const char* s = "")
		{
			_size = strlen(s);//_size和_capacity均不包含'\0'
			_capacity = _size;
			_arr = new char[_size + 1];
			memcpy(_arr, s, _size + 1);
		}
		//拷贝构造
		//写法1
		//string(const string& s)
		//{
		//	_size = s._size;//_size和_capacity均不包含'\0'
		//	_capacity = s._capacity;
		//	_arr = new char[_capacity + 1];
		//	memcpy(_arr, s._arr, _capacity + 1);
		//}
		//写法2
		string(const string& s)
			:_arr(nullptr)//防止交换后tmp._arr为随机值，析构出错
		{
			string tmp(s.c_str());//构造
			swap(tmp);
		}
		//赋值运算符重载
		//写法1
		//string& operator=(const string& s)
		//{
		//	if (this != &s)//防止自己给自己赋值
		//	{ 
		//		_size = s._size;
		//		_capacity = s._capacity;
		//		char* tmp = new char[_capacity + 1];
		//		delete[] _arr;
		//		_arr = tmp;
		//		memcpy(_arr, s._arr, _capacity + 1);
		//	}
		//	return *this;
		//}
		//写法2
		string& operator=(const string& s)
		{
			string tmp(s.c_str());//构造
			swap(tmp);
			return *this;
		}
		//析构函数
		~string()
		{
			_size = _capacity = 0;
			delete[] _arr;
			_arr = nullptr;
		}
		//string的size()接口
		size_t size()const//右const修饰*this，这样const和非const对象均可调用
		{
			return _size;
		}
		//string的c_str()接口
		const char* c_str()const
		{
			return _arr;
		}
		//string的capacity()接口
		size_t capacity()const
		{
			return _capacity;
		}
		//string的clear()接口
		void clear()
		{
			_arr[0] = '\0';
			_size = 0;
		}
		//string的判空
		bool empty()const
		{
			return _size == 0 ? false : true;
		}
		//对operator[]进行重载
		char& operator[](size_t pos)//普通对象，可读可写
		{
			assert(pos < _size);
			return _arr[pos];
		}
		const char& operator[](size_t pos)const//const对象，仅读
		{
			assert(pos < _size);
			return _arr[pos];
		}
		//迭代器
		typedef char* iterator;
		iterator begin()const
		{
			return _arr;
		}
		iterator end()const//end指向字符串的'\0'
		{
			return _arr + _size ;
		}
		//string的reserve接口,如果预开空间小于现有空间，将不会改变容量。
		void reserve(size_t n=0)
		{
			if (n + 1 > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				memset(tmp, '\0', n + 1);
				memcpy(tmp, _arr, _size);
				delete[] _arr;
				_arr = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}
		//string的resize接口
		void resize(size_t n, char c='\0')
		{
			//判断n的大小
			if (n > _capacity)
			{
				reserve(n);
				memset(_arr + _size,c,n-_size);
				_size = n;
			}
			else
			{
				_arr[n] = '\0';
				_size = n;
			}
		}
		//插入删除查找相关接口
		string& push_back(const char c)
		{
			//判断容量
			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;//防止出现空串的情况
				reserve(newCapacity);
			}
			_arr[_size++] = c;
			return *this;
		}
		string& append(const char* s)
		{
			//判断容量
			size_t len = strlen(s);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			strcpy(_arr+_size,s);
			_size += len;
			return *this;
		}
		string& operator+=(const char c)
		{
			push_back(c);
			return *this;
		}
		string& operator+=(const char* s)
		{
			append(s);
			return *this;
		}
		string& insert(size_t pos, char c)
		{
			assert(pos < _size);
			//判断容量
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity + 1);
			}
			//挪动数据
			for (size_t i = _size; i > pos; --i)
			{
				_arr[i] = _arr[i - 1];
			}
			_arr[pos] = c;
			++_size;
			return *this;
		}
		string& insert(size_t pos, const char* s)
		{
			size_t len = strlen(s);
			//判断容量
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			//挪动数据
			for (size_t i = _size + len; i > pos + len - 1; --i)
			{
				_arr[i] = _arr[i - len];
			}
			memcpy(_arr + pos, s, len);
			_size += len;
			return *this;
		}
		string& earse(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			assert(pos<_size);
			//先判断删到底的情况
			if (len == npos || pos + len >= _size)
			{
				_arr[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				memcpy(_arr + pos, _arr + pos + len,_size-pos-len);
				_size -= len;
			}
			return *this;
		}
		size_t find(const char c, size_t pos = 0)const
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
			{
				if (_arr[i] == c)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}
		size_t find(const char* s, size_t pos = 0)const
		{
			assert(pos < _size);
			const char* p = strstr(_arr, s);
			if (p != nullptr)
			{
				return _arr - p;
			}
			return npos;
		}
	private:
		char* _arr;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		const static size_t npos = -1;//只有const static整型、指针成员变量可以在类中定义，其他类型不行
	};
	//流插入和流提取的重载时为了自定义类型的输入输出
	inline ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)//这里访问得到私有，所以可以不用写成友元函数
	{
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)//流插入按照_size打印，c_str找到'\0'结束打印
		{                                    //比如我在字符串中间插入一个'\0',打印结果不一样
			out << s[i];
		}
		return out;
	}
	inline istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();//用之前先清空s
		//in >> c;//流提取不会识别空格和换行
		char c=in.get();
		char buff[128] = { '\0' };//防止频繁扩容
		size_t i = 0;
		while (c != ' ' && c != '\n')
		{
			if (i == 127)
			{
				s += buff;
				i = 0;
			}
			buff[i++] = c;
			c = in.get();
		}
		if (i > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}
	//测试函数
	void test1()
	{
	
	}
}

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