C++ string字符串的使用和简单模拟实现
作者：萧瑟其中～
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,但是这些库函数和字符串是分离的,本文给大家介绍了C++ string字符串的使用和简单模拟实现,感兴趣的朋友可以参考下
前言
本文讲解string串的使用和一些简单的模拟实现，内容丰富，干货多多！
1. string简介
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，但是这些库函数和字符串是分离的。不符合面向对象程序设计的思想，而且底层空间需要用户自己管理，如果不细心，容易访问越界。
所以C++标准库以string类来表示字符串，更加简单，方便。
- 字符串是表示字符序列的对象。
- 标准string类通过类似于标准字节容器的接口提供了对此类对象的支持，但添加了专门设计用于操作单字节字符串的特性。
- string类是basic_string类模板的实例化，该模板使用char(即字节)作为其字符类型，具有默认的char_traits和allocator类型(有关模板的更多信息，请参阅basic_string)。
- 请注意，该类处理字节独立于所使用的编码:如果用于处理多字节或变长字符序列(如UTF-8)，则该类的所有成员(如length或size)及其迭代器仍将以字节(而不是实际编码的字符)进行操作。
2. string的使用和简单模拟实现
2.1 string类的定义
string类是本贾尼C++之父实现的，但是初次实现难免有许多不足，如接口函数过多，接口函数重载过多，导致string类十分复杂。我们对string类进行简单的模拟实现，不过是实现一些常用的接口函数，主要是粗浅地了解其中的原理。
- 因为string这个容器专门针对字符，没有使用类模版，所以定义和声明需要分离，准备两个文件string.h和string.cpp。string.h存放类的声明，string.cpp各种类成员函数和变量的定义。
- 为了不跟C++标准库里面的string发生命名冲突，可以将类放在命名空间中，并且这两个文件可以使用同一个命名空间，编译的过程中就会合并。
- 因为string物理存储空间本质上是连续的，不是链表那种随机存储的。迭代器使用char*原生的字符指针就可以模拟，不过实际的string的迭代器基本是用类封装实现。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
namespace Rustle
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
//构造函数
//string();
string(const char* str = "");
//拷贝构造函数
string(const string& s);
//赋值拷贝函数
//string& operator=(const string& s);
string& operator=(string tmp);
//析构函数
~string();
void swap(string& s);
const char* c_str() const;
size_t size() const;
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;
void reserve(size_t n);
void push_back(char ch);
void append(const char* str);
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char* str);
void insert(size_t pos, char ch);
void insert(size_t pos, const char* str);
void erase(size_t pos, size_t len = npos);
size_t find(char ch, size_t pos = 0);
size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);
bool operator<(const string& s)const;
bool operator>(const string& s)const;
bool operator<=(const string& s)const;
bool operator>=(const string& s)const;
bool operator==(const string& s)const;
bool operator!=(const string& s)const;
void clear();
private:
char* _str = nullptr;//置空
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0;
const static size_t npos;
};
istream& operator>>(istream& is, string& str);
ostream& operator<<(ostream& os, const string& str);
}
2.2 string(),~string()和c_str()
- 构造函数如果使用第一种写法，将所有成员变量使用初始化列表进行初始化。一般来说是可以的，但是每一次都需要调用strlen这个库函数，会消耗时间。
- 可能有的人会用第二种写法，交换一下初始化列表中的顺序，先将_size初始化，之后的成员变量直接使用_size就行。但是初始化列表初始化的顺序跟函数中初始化列表顺序无关，只跟成员变量声明的顺序有关。
- 最好的解决方案就是第三种构造函数的写法，先使用初始化列表进行初始化，然后在函数内部进行动态开辟一块与str相同大小的空间，使用strcpy拷贝str字符串的内容，strcpy还会自动在字符串末尾加上斜杠0。
- 需要注意的是，_size指的是字符串的大小，_capacity指的是斜杠0之前的字符个数，不包含斜杠0。所以之前_str中空间大小事_size+1，给斜杠0预留一个空间。
- 析构函数先释放_str指向的空间，然后_str置为空指针，其他两个成员变量置为0。
- 有些时候需要像C语言一样访问字符串，而string是一个类无法直接访问，c_str函数就是解决这种问题，这个函数可以获取_str指针，即第一个字符的地址。
namespace Greg
{
//1.
string::string(const char* str)
:_str(new char[strlen(str) + 1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{
assert(str);
strcpy(_str, str);
}
//2.
string::string(const char* str)
:_size(strlen(str))
,_str(new char[_size + 1])
,_capacity(_size)
{
assert(str);
strcpy(_str, str);
}
//全缺省构造函数
string::string(const char* str)
:_size(strlen(str))
{
assert(str);
//初始化列表和函数内部初始化混合着用
_str = new char[_size + 1];
_capacity = _size;
strcpy(_str, str);
}
string::~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
const char* string::c_str() const
{
return _str;
}
}写一个测试函数，也放在Rustle命名空间中，这样就string前面不用加域名限制符。
namespace Rustle
{
void test_string1()
{
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
}
}运行结果如下：
2.2 size，重载符号[ ]，begin和end函数
- size是获取字符个数的函数，直接返回_size就好。
- [ ]下标访问符，跟vector容器作用相似，访问pos下标的元素，需要先断言检查pos是不是在合理的范围，然后直接返回_str[pos]即可。不过返回类型是字符类型的引用，这样可以对该字符进行修改
- begin函数是返回字符串的第一个字符的地址，还有一个const修饰函数，算是函数重载。因为string类对象可能也被const修饰。
- end函数返回的是字符串最后一字符的下一个位置，由于下标是从0开始的，直接返回_str+_size即可。
string::iterator string::begin()
{
return _str;
}
string::iterator string::end()
{
return _str + _size;
}
string::const_iterator string::begin() const
{
return _str;
}
string::const_iterator string::end() const
{
return _str+ _size;
}
size_t string::size() const
{
return _size;
}
char& string::operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& string::operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
}写一个测试函数，用下标访问，迭代器访问，还有范围for循环访问。范围for的底层就是需要识别有没有begin和end函数。
void test_string1()
{
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
{
cout << s1[i] << " ";
}
cout << endl;
for (auto e : s1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
string::iterator it1 = s1.begin();
while (it1 != s1.end())
{
cout << *it1 << " ";
++it1;
}
cout << endl;
const string s3("xxxxxx");
string::const_iterator it2 = s3.begin();
while (it2 != s3.end())
{
cout << *it2 << " ";
++it2;
}
cout << endl;
}运行结果如下：
2.3 push_back，reserve，append，+=运算符重载
接口函数声明如下，其中+=运算符重载函数有两个重载，针对的是字符和字符串的。
void reserve(size_t n); void push_back(char ch); void append(const char* str); string& operator+=(char ch); string& operator+=(const char* str);
- reserve就是调整容量的函数。我们需要手动扩容。先开辟一个新容量大小的空间，然后使用strcpy库函数将原字符串内容拷贝到tmp指针指向的空间上，再释放_str指向的空间。让_str指针指向tmp指向的空间，修改_capacity的大小。
- push_back函数是在字符串的末尾加上一个字符。首先，我们要判断字符串的容量是否足够。当_size和_capacity相等时，说明字符串容量已满，需要扩容。我们定义一个newcapacity变量，如果_capacity等于0，说明还没有开空间，先给四个字符大小的容量大小，如果不等于0，按两倍扩容。扩容之后，在_size下标位置添加ch字符，并且需要单独处理斜杠0，加在新字符的后一个位置。修改_size。
- append函数在原字符串上追加新字符串，会覆盖原字符串。先定义len表示新字符串字符的个数，再判断加上新字符串后是否超过容量，超过容量要扩容。然后使用strcpy拷贝新字符串，再修改_size。
- +=运算符重载针对字符和字符串的两个函数，分别复用push_back和append函数即可。需要返回*this。
void string::reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{ //给斜杠0预留一个位置
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void string::push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newcapacity);
}
_str[_size] = ch;
_str[_size + 1] = '\0';//单独处理斜杠0
++_size;
}
void string::append(const char* str)
{
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, str);
_size += len;
}
//复用push_back和append函数
string& string::operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& string::operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}写个测试函数，测试刚刚是模拟实现的函数。
void test_string2()
{
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.push_back('x');
cout << s1.c_str() << endl;
s1.append("aaaaaa");
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += 'y';
cout << s1.c_str() << endl;
s1 += "dfsdf";
cout << s1.c_str() << endl;
}运行结果如下：
2.4 insert和erase函数
- 上面是insert和erase函数的定义。insert函数从pos位置开始插入字符或者字符串，erase函数从pos位置开始，删除len个字符，其中len变量给了缺省值npos。
- npos是无符号整数，现在令npos = -1。如果
size_t是 32 位的，那么npos等于2^32 - 1，即4294967295。如果size_t是 64 位的，那么npos等于2^64 - 1，即18446744073709551615。总之是一个非常大的数字，表示直接到末尾。
class string
{
public:
void insert(size_t pos, char ch);
void insert(size_t pos, const char* str);
void erase(size_t pos, size_t len = npos);
private:
const static size_t npos;
}
- npos是一个静态变量需要定义和声明分离。
- 实现针对字符插入的insert函数。先判断是否需要扩容，然后需要挪动元素，当你定义一个无符号整型end变量时，尽量不要让无符号整数遇到大于等于或者小于等于符号，会有坑。
- 因为如果你while循环继续的条件是end >= pos，并且此时pos等于0的情况下，你不断让end减1，当end减到0时，再次减去1会变成-1，如上面所说相当于
2^32 - 1，会造成无限循环。 - 有两种解决方法，第一种就是不要出现等于符号，控制好end的位置。第二种是强转pos为int，这样使用等于判断就不会出现无限循环的情况。
- 针对字符串插入的insert函数，使用上面第一种方法挪动元素，while循环继续的条件比较难写出来，需要画图理解。
- 实现erase函数，先判断删除的字符个数和从pos位置的字符到结尾字符个数的大小关系。如果大于原字符的个数，直接将斜杠0放在pos位置的字符即可，在修改_size的大小。如果小于，需要挪动元素，可以使用strcpy将删除字符的最后一个位置拷贝到pos位置，就完成了删除和挪动的操作。
const size_t string::npos = -1;
//1.
void string::insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newcapacity);
}
//size_t无符号整数遇到大于等于有坑
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}
//2.
void string::insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newcapacity);
}
int end = _size;
while (end >= (int)pos)
{
_str[end + 1] = _str[end];
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}
//1.
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len - 1)//!(pos + len - 1)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
memcpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
}
//2.
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
int end = _size;
while (end >= (int)pos)
{
_str[end + len] = _str[end];
--end;
}
memcpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
}
void string::erase(size_t pos, size_t len)
{
assert(pos < _size);
if (pos + len >= _size)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}写个测试函数。测试一下模拟实现的函数。
void test_string3()
{
string s1("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(0, 'x');
cout << s1.c_str() << endl;
string s2("helloworld");
s2.insert(5, "xxxx");
cout << s2.c_str() << endl;
s2.erase(5, 4);
cout << s2.c_str() << endl;
}运行结果如下：
2.5 find和substr函数
函数原型如下，find函数是查找某个字符或者字符串的位置，查找到返回该字符的下标位置或者该字符串第一个字符的位置。如果没有找到返回-1，是一个极大的数。substr函数是从pos位置开始，取下原字符串的子串，返回一个string类的对象。
size_t find(char ch, size_t pos = 0); size_t find(const char* str, size_t pos = 0); string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);
- 查找字符，直接遍历整个字符串查找，找到返回下标，没找到返回-1。
- 查找字符串，可以直接使用strstr库函数，或者使用其他查找子串的算法。
- 实现substr函数，先判断子串字符个数是否小于从pos位置开始的字符个数。如果大于，直接拷贝pos位置的字符串。如果小于，创建一个string类的临时对象，先调整容量为len个，这样就不会在频繁扩容。然后使用for循环一个个加等。
size_t string::find(char ch, size_t pos)
{
for (size_t i = 0; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
return i;
}
return npos;
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
const char* end = strstr(_str, str);
return end - _str;
}
string string::substr(size_t pos, size_t len)
{
//子串长度大于从原字符串给定位置开始到结束的长度，直接拷贝返回
if (len > _size - pos)
{
string sub(_str + pos);
return sub;
}
else
{
string sub;
sub.reserve(len);
for (size_t i = 0; i < len; i++)
{
sub += _str[pos + i];
}
return sub;
}
}写一个测试用例，用于分割网址。
void test_string4()
{
string s1("helloworld");
cout << s1.find('o') << endl;
cout << s1.find("orl") << endl;
string url("https://legacy.cplusplus.com/reference");
size_t pos1 = url.find(":");
string url1 = url.substr(0, pos1);
cout << url1 << endl;
size_t pos2 = url.find('/', pos1 + 3);
string url2 = url.substr(pos1 + 3, pos2 - (pos1 + 3));
cout << url2 << endl;
string url3 = url.substr(pos2 + 1);
cout << url3 << endl;
}运行结果如下：
2.6 比较运算符的重载
bool operator<(const string& s)const;
bool operator>(const string& s)const;
bool operator<=(const string& s)const;
bool operator>=(const string& s)const;
bool operator==(const string& s)const;
bool operator!=(const string& s)const;比较运算符，是比较字符的ASCii码值，可以写完<和==的逻辑，然后其他进行复用。
bool string::operator<(const string& s)const
{
return strcmp(_str, s._str) < 0;
}
bool string::operator>(const string& s)const
{
return !(*this < s) && !(*this == s);
}
bool string::operator<=(const string& s)const
{
return *this < s || *this == s;
}
bool string::operator>=(const string& s)const
{
return *this < s || *this == s;
}
bool string::operator==(const string& s)const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool string::operator!=(const string& s)const
{
return !(*this == s);
}2.7 cout<<和cin>>运算符重载
重载流插入<<和流提取>>这两个操作符，是为了方便打印和输入。并且这是放在全局的函数。
istream& operator>>(istream& is, string& str); ostream& operator<<(ostream& os, const string& str);
- 流插入<<函数容易实现，直接for循环遍历打印每个字符即可，不过你可以按照你的意愿打印任何形式。
- 流提取<<函数比较难实现。首先写一个clear函数，清理掉之前的字符串里的字符，可以直接将斜杠0放在下标为0的位置，再修改_size就好了。
- 首先，我们不能直接使用is >> ch来提取字符，因为一遇到空格或者换行就表示分割。可以使用is.get()函数完成输入操作。然后，我们先创建一个字符数组，输入的字符填到字符数组先，满了在加载字符串中，可以防止频繁扩容，带来的消耗。
ostream& operator<<(ostream& os, const string& str)
{
for (size_t i = 0; i < str.size(); i++)
{
os << str[i];
}
return os;
}
void string::clear()
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
istream& operator>>(istream& is, string& str)
{
//空格和换行表示多个值的分割
//is >> ch; //scanf("%c", &ch);
str.clear();
int i = 0;
char buff[128];
char ch = is.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
buff[i++] = ch;
//0~126的位置放字符了，留一个位置给斜杠0
//减少频繁扩容
if (i == 127)
{
buff[i] = '\0';
str += buff;
i = 0;
}
ch = is.get();
}
if (i != 0)
{
buff[i] = '\0';
str += buff;
}
return is;
}写个测试函数。
void test_string7()
{
//string s1("hello world");
string s1;
cout << s1 << endl;
cin >> s1;
cout << s1 << endl;
}运行结果如下：
总结
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