C++中String的语法及常用接口的底层实现详解
作者：Ggggggtm
一、string类
在学习 string 前，我们不妨先来了解一下 string 类到底是什么，有什么用呢？下图是C++标准库中的对 string 内容：
what？？？没错，C++标准库都是英语解释。我们也应该试着去适应，不懂的可以查阅。当然，在这里我就直接给出翻译，主要是以下内容：
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。
了解到上面的内容后，我们要开始真正的学习 string 的用法了。
二、string的常用见用法
2、1 string对象的构造
2、1、1 string对象的构造的使用方法
最为常用的无非就是我们用串string来构造一个对象，也就是存储一个字符，常用的方法有如下几点：
- string()——构造空的 string 类对象，即空字符串；
- string(const char* s)——用 char* 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)——拷贝构造函数。
下面是使用方法所对应的实例，帮助更好的理解其用法。
根据上面的实例和对应的输出结果，我们可以更好的理解。
2、1、2 string()的底层实现
构造空串，其有效字符长度为0，但是实际上是开辟了一个字节的空间存储 ‘\0’ 的。具体如下：
string()
:_str(new char[1])
, _size(0)
,_capacity(0)
{
}2、1、3 string(const char* s)的底层实现
我们这里就给出以上两个底层的构造实现，其余两个类似，就不再给出。具体实现如下：
string(const char* str = "") //默认空串。注意：空串是以 \0 结尾
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_size + 1];
strcpy(_str, str);
}2、2 string对象的修改操作
当我们构建好对象后，我们接下来就要往对应的字符串对象进行修改操作了。常用的修改操作无非就是插入和查找，具体有如下几种常见用法：
- push_back——在字符串后尾插字符c；
- insert——在pos位置插入n个字符或者插入一个字符串；
- append ——在字符串后追加一个字符串 ；
- operator+=——在字符串后追加字符或者字符串str； c_str——返回C格式字符串；
- find——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。
我们再看其具体的使用方法实例，如下图：
上图为常用的修改用法。当然，其他的用法还有很多。如果想了解的过可去C++官网（cppreference）或者 cplusplus 的标准库中查询。具体也可看下图：
insert
operator+=
find
2、3 string对象的容量操作
在平常对字符串的操作中，我们也经常需要去了解到字符串的实际长度为多少，或者改数组到底能够存下多长的字符串，又或是修改字符串的长度和空间大小。C++的string类中，这些操作都提供了相应的接口，具体如下：
- size——返回字符串有效字符长度；
- length——返回字符串有效字符长度 ；
- empty——检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false；
- reserve——为字符串预留空间；
- resize——将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充；
- capacity——返回空间总大小；
- clear——清空有效字符；
我们发现。size和length的功能一样的。确实都是求字符串的有效长度。那我们接着看其具体的实例：
注意：capacity返回的是空间的总大小，size和length返回的是字符串的实际有效长度。 两者是有所区别的。一个字符串的capacity是有底层的具体实现决定的，不同的编译器可能实现的是不同的。
2、4 string对象的访问和遍历操作
string对象的访问，支持像数组一样使用 [] 进行访问，也可通过迭代器进行访问，具体有如下用法：
- operator[]——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。
其具体的用法实例如下：
范围for的底层实现就是用迭代器来实现的。写起来更加的便捷和方便。
以上为string中较为常用的接口。以上完全足够我们平常的使用了，如果想要了解的更多，可参考C++的标准库。不过string容器一共实现了106个接口！！！其中大部分都是冗余的。这也是很多人吐槽string类实现的过于复杂和冗余的一个重要原因。所以在查看时，我们只需要看自己想要了解的接口即可。
三、string常用结构的底层实现
3、1 初建结构
我们通过上述的构造，不难发现也不难理解string的底层其实就是一个字符指针，该指针指向一个数组。当然，我们还需要两个变量来维护其有效长度(_size)和数组容量(_capacity).
其次，我们自己实现的string类为了区分std命名空间，我们可自己设置一个命名空间。处型的模拟实现如下：
namespace gtm
{
class string
{
public:
//string()
// :_str(new char[1])
// , _size(0)
// ,_capacity(0)
//{
//}
//string(const char* str)
// :_str(new char[strlen(str) + 1]) //三次strlen函数，效率低。
// ,_size(strlen(str))
// ,_capacity(strlen(str))
//{
// strcpy(_str, str);
//}
// 不再使用strlen函数，初始化列表与变量声明顺序固定
string(const char* str = "") //默认空串。注意：空串是以 \0 结尾
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_size + 1];
strcpy(_str, str);
}
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};注意，我们上述省略了无参的构造。原因是我们在字符串的构造中有缺省参数，即为空串。
3、2 返回大小和容量
这两个部分，是比较容易实现的两部分。同时也是较为常用的两部分。具体如下：
size_t size() const
{
return _size;
}
size_t capacity() const
{
return _capacity;
}3、3 拷贝构造和赋值重载
这两部分较为复杂的两部分。其中均需要深拷贝去实现完成，而浅拷贝是不可以的。注意：拷贝构造使用一个已定义变量去初始化另一个变量，赋值重载是两个已定义变量进行赋值。
具体实现如下：
//深拷贝
//string(const string& s)
// :_str(new char[s._capacity+1])
// ,_size(s._size)
// ,_capacity(s._capacity)
//{
// strcpy(_str, s._str);
//}
void swap(string& tmp)
{
//调用全局的swap
::swap(_str, tmp._str);
::swap(_size, tmp._size);
::swap(_capacity, tmp._capacity);
}
//借助变量tmp
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
//赋值
//string& operator=(const string& s)
//{
// if(this == &s)
// {
// return *this;
// }
// //先开空间拷贝数据，以防new失败销毁原来的空间
// char* tmp = new char[s._capacity + 1];
// strcpy(tmp, s._str);
// delete[] _str;
// _str = tmp;
// _size = s._size;
// _capacity = s._capacity;
// return *this;
// //delete[] _str;
// //_str = new char[s._capacity + 1];
// //strcpy(_str, s._str);
// //_size = s._size;
// //_capacity = s._capacity;
// return *this;
//}
//string& operator=(const string& s)
//{
// if(this == &s)
// {
// return *this;
// }
// string tmp(s._str);
// swap(tmp);
// return *this;
//}
string& operator=(string s)
{
if (this == &s)
{
return *this;
}
swap(s);
return *this;
}上述的辅助重载我们巧妙地借助了临时变量s。当赋值完成后，出了作用域s会自动调用戏后进行销毁，这里是需要反复理解的。
3、4 扩容（reserve）
我们可简单的理解reserve为扩容（扩容的前提为要求的容量比原来的大），但是我们要记得把字符数组中原有的内容拷贝过来，并且释放之前所动态开辟的空间。 具体实现如下：
void reserve(size_t capacity)
{
if (capacity > _capacity)
{
char* tmp = new char[capacity + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = capacity;
}
}3、5 插入（push_back、append、operator+=、insert）
插入的实现，主要的点就是是否要进行扩容。其次，当我们实现push_back和append后，其他的均可复用这两个结构进行实现。具体实现如下：
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
_size++;
_str[_size] = '\0';
}
void append(const char* str)
{
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
}
strcpy(_str + _size, str);
_size += len;
}
void append(const string& s)
{
append(s._str);
}
void append(int n, char ch)
{
reserve(_size + n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(ch);
}
}
string& operator+= (char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
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);
}
//注意，当运算数一个是有符号，另一个是无符号时，有符号的运算数会强制类型转换为无符号数。pos等于0的位置插入，end--后为超大数据，会出错。
//int end = _size;
//while (end >= (int)pos)
//{
// _str[end + 1] = _str[end];
// end--;
//}
size_t end = _size+1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
_str[pos] = ch;
_size++;
return *this;
}
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + len;
while (end >= pos+len)
{
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
for (int i = pos,j=0; j < len;j++, i++)
{
_str[i] = str[j];
}
_size += len;
return *this;
}3、6 删除（erase）
我们这里实现的从某个位置开始删除，删除长度为 len 的字符。len有一个缺省参数，为npos（npos是一个很大的数，也就是不传参给 len 的话，默认删除到最后）。如果 len 本就很大，删除的长度超过从pos开始所剩余的长度，那么默认也是pos后的删除完。那么我们看其具体的实现。
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
if (len == npos || _size - pos <= len)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}3、7 查找（find）
查找的话，主要常用的就两个：从pos位置开始查找，查找的内容可能是一个字符，也可能是一个子串。如果找到，则返回其下标。没找到就返回npos。具体实现如下：
size_t find(char ch, size_t pos = 0)const
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
return i;
}
return npos;
}
size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)const
{
const char* ret=strstr(_str + pos, sub);
if (ret == nullptr)
{
return npos;
}
else
{
return ret - _str;
}
}3、8 返回子串（substr）
返子串也是我们经常需要的一个接口。返回子串就一个接口，从某个位置开始查找，查找长度为 len 的字符。len有一个缺省参数，为npos（npos是一个很大的数，也就是不传参给 len 的话，默认返回到最后）。如果 len 本就很大，返回子串的长度超过从pos开始所剩余的长度，那么默认也是pos后的子串全部返回。我们看其具体实现：
string substr(size_t pos, size_t len = npos)const
{
assert(pos < _size);
size_t realLen = len;
if (len == npos || pos + len > _size)
{
realLen = _size - pos;
}
string s;
for (size_t i = 0; i < realLen; i++)
{
s += _str[pos + i];
}
return s;
}3、9 迭代器（iterator）
在string中的迭代器底层就是指针，但是并不是所有的迭代器底层实现都是指针！我们直接看起底层实现：
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;
}这里的begin（）就是返回的字符串的首元素地址，end（）返回的是字符串最后一个元素的后一个地址！
3、10 比较（>、<、>=、<=、==、！=）
字符串的比较并非比较其长度，而是与其相同位置字符的大小有关，也就是我们所说的字典序。我们这里只需要实现其中的两个，其他均可复用。具体如下：
bool operator> (const string& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) > 0;
}
bool operator== (const string& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool operator>= (const string& s) const
{
return *this > s || *this == s;
}
bool operator< (const string& s) const
{
return !(*this >= s);
}
bool operator<= (const string& s) const
{
return !(*this > s);
}
bool operator!= (const string& s) const
{
return !(*this == s);
}四、总结
string 在C++中算是比较重要的了，也是入门时必须所学的容器。在平常中使用的频率较高，所以我们不仅要掌握其简单的用法，更应该去了解其底层的实现。这有助于我们后续的使用和理解。本篇文章列举出了string中常用的语法和接口底层的底层实现，这些都是我们应该熟练掌握的内容。
本篇文章讲解就到这里，感谢观看ovo~
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