【C++初阶】手撕C++ string类

博主名称键盘敲碎了雾霭 个人专栏: 《C语言》《数据结构》 《C》⛺️指尖敲代码雾霭皆可破文章目录一、前言为什么要手写string类二、整体架构设计2.1 成员变量设计2.2 类结构总览三、核心构造与析构3.1 构造函数3.2 析构函数四、深浅拷贝与拷贝控制4.1 拷贝构造函数现代写法4.2 赋值运算符重载现代写法4.3 swap成员函数五、迭代器实现5.1 普通迭代器5.2 const迭代器六、容量管理6.1 reserve扩容函数6.2 扩容策略分析七、修改操作7.1 push_back尾插字符7.2 append追加字符串7.3 operator重载7.4 insert插入操作八、查找与截取8.1 find查找字符/子串8.2 substr截取子串九、运算符重载9.1 比较运算符9.2 流插入运算符9.3 流提取运算符文章结语一、前言为什么要手写string类string 相关接口应用放在了上几篇文章中不熟悉的朋友可以先点击下方链接快速回顾一下:【C初阶】string类一从基础到实战【C初阶】string类二常用接口全解析手写一个简化版string类是深入理解C核心机制的最佳实践。通过这个项目你将掌握核心知识点应用场景深拷贝与浅拷贝自定义类的拷贝控制RAII原则资源管理迭代器模式容器设计运算符重载类的接口设计二、整体架构设计2.1 成员变量设计private:char*_arrnullptr;// 指向动态分配的字符数组size_t _size0;// 字符串当前长度不含\0size_t _capacity0;// 实际分配的容量staticconstsize_t npos;// 静态常量表示无效位置2.2 类结构总览namespaceA{classstring{public:// 类型定义typedefchar*iterator;typedefconstchar*const_iterator;// 构造/析构string(constchar*p);string(conststrings);~string();// 赋值stringoperator(string tmp);// 迭代器iteratorbegin();iteratorend();const_iteratorbegin()const;const_iteratorend()const;// 容量size_tsize()const;size_tcapacity()const;voidreverse(size_t capacity);// 注意应为reserve// 修改voidpush_back(charch);stringappend(constchar*str);stringoperator(charch);stringoperator(constchar*str);stringinsert(size_t pos,charch);stringinsert(size_t pos,constchar*str);// 查找/截取size_tfind(charch,size_t pos0);size_tfind(constchar*str,size_t pos0);stringsubstr(size_t pos0,size_t lennpos);// 元素访问charoperator[](size_t pos);constcharoperator[](size_t pos)const;constchar*c_str()const;// 交换voidswap(strings);private:char*_arr;size_t _size;size_t _capacity;staticconstsize_t npos;};}三、核心构造与析构3.1 构造函数string(constchar*p){_sizestrlen(p);_capacity_size;_arrnewchar[_size1];// 1 给\0strcpy(_arr,p);}关键点默认参数确保空字符串也能正确处理strlen不计算结尾的\0所以分配_size 1使用strcpy拷贝包括\0在内的完整字符串3.2 析构函数~string(){delete[]_arr;_arrnullptr;_size_capacity;// ⚠️ 这里赋值有误应为 _capacity 0}注意析构函数中_size _capacity是笔误应该释放资源后将成员清零~string(){delete[]_arr;_arrnullptr;_size0;_capacity0;}四、深浅拷贝与拷贝控制4.1 拷贝构造函数现代写法// 传统写法string(conststrings){_arrnewchar[s.size()1];strcpy(_arr,s._arr);_sizes.size();_capacitys.capacity();}// 现代写法推荐string(conststrings){stringtmp(s._arr);// 复用构造函数swap(tmp);// 交换资源}现代写法的优势避免代码重复异常安全如果new失败tmp构造失败原对象不受影响利用swap实现高效的资源转移4.2 赋值运算符重载现代写法// 传值参数实现拷贝 swapstringoperator(string tmp){swap(tmp);return*this;}这是C中经典的copy and swap惯用法参数传值自动完成拷贝深拷贝与tmp交换资源函数结束时tmp销毁带走原资源4.3 swap成员函数voidswap(strings){std::swap(_arr,s._arr);std::swap(_size,s._size);std::swap(_capacity,s._capacity);}五、迭代器实现5.1 普通迭代器typedefchar*iterator;iteratorbegin(){return_arr;// 指向第一个字符}iteratorend(){return_arr_size;// 指向\0位置}为什么end()指向\0符合STL的左闭右开区间[begin, end)遍历时it ! end()不会访问\05.2 const迭代器typedefconstchar*const_iterator;const_iteratorbegin()const{return_arr;}const_iteratorend()const{return_arr_size;}const迭代器的作用允许const对象遍历防止通过迭代器修改字符六、容量管理6.1 reserve扩容函数voidreverse(size_t capacity){// 注意应为 reserveif(capacity_capacity){char*tmpnewchar[capacity1];strcpy(tmp,_arr);delete[]_arr;// ⚠️ 这里有问题_arrtmp;_capacitycapacity;}}函数名问题应该是reserve预留不是reverse反转。隐藏的bugdelete_arr;// 错误应该用 delete[] _arrdelete[]_arr;// 正确因为_arr是通过new char[]分配的必须用delete[]释放。6.2 扩容策略分析当前容量扩容后容量0448816…2倍增长为什么选择2倍扩容均摊时间复杂度为O(1)避免频繁申请内存空间利用率与时间效率的平衡七、修改操作7.1 push_back尾插字符voidpush_back(charch){if(_size_capacity){reverse(_capacity0?4:2*_capacity);}_arr[_size]ch;_arr[_size]\0;// 维护结尾的\0}注意每次修改后都要确保_arr[_size] \0。7.2 append追加字符串stringappend(constchar*str){size_t lenstrlen(str);if(len_size_capacity){reverse(len_size2*_capacity?len_size:2*_capacity);}strcpy(_arr_size,str);_sizelen;return*this;}7.3 operator重载stringoperator(charch){push_back(ch);return*this;}stringoperator(constchar*str){append(str);return*this;}7.4 insert插入操作插入单个字符stringinsert(size_t pos,charch){assert(pos_size);if(_size_capacity){reverse(_capacity0?4:2*_capacity);}size_t end_size1;while(endpos){_arr[end]_arr[end-1];end--;}_arr[pos]ch;_size;return*this;}插入字符串stringinsert(size_t pos,constchar*str){assert(pos_size);size_t lenstrlen(str);if(len_size_capacity){reverse(len_size2*_capacity?len_size:2*_capacity);}size_t end_sizelen;while(endposlen-1){_arr[end]_arr[end-len];end--;}for(size_t i0;ilen;i){_arr[posi]str[i];}_sizelen;return*this;}八、查找与截取8.1 find查找字符/子串查找字符size_tfind(charch,size_t pos0){assert(pos_size);for(size_t ipos;i_size;i){if(_arr[i]ch)returni;}returnnpos;}查找子串利用C库函数size_tfind(constchar*str,size_t pos0){assert(pos_size);char*tmpstrstr(_arrpos,str);if(tmpnullptr)returnnpos;returntmp-_arr;// 指针相减得到下标}8.2 substr截取子串stringsubstr(size_t pos0,size_t lennpos){assert(pos_size);string sub;if(len_size-pos){len_size-pos;}for(size_t i0;ilen;i){sub_arr[posi];}returnsub;}九、运算符重载9.1 比较运算符booloperator(conststrings1,conststrings2){returnstrcmp(s1.c_str(),s2.c_str())0;}booloperator(conststrings1,conststrings2){returnstrcmp(s1.c_str(),s2.c_str())0;}booloperator(conststrings1,conststrings2){returns1s2||s1s2;}booloperator(conststrings1,conststrings2){return!(s1s2);}booloperator(conststrings1,conststrings2){return!(s1s2);}booloperator!(conststrings1,conststrings2){return!(s1s2);}设计技巧只实现和其他运算符通过它们推导减少重复代码。9.2 流插入运算符ostreamoperator(ostreamout,conststrings){for(autoch:s){// 范围for需要迭代器支持coutch;}returnout;}9.3 流提取运算符istreamoperator(istreamin,strings){charchin.get();size_t i0;constsize_t N256;charbuff[N];while(ch! ch!\n){buff[i]ch;if(iN-1){// 缓冲区将满buff[i]\0;sbuff;i0;}chin.get();}if(i0){buff[i]\0;sbuff;}returnin;}缓冲区优化使用256字节的栈缓冲区减少频繁的append调用。 本文代码已上传至gittee欢迎Star和PR如有错误或补充欢迎在评论区留言讨论文章结语感谢你读到这里我是「键盘敲碎了雾霭」愿这篇文字帮你敲开了技术里的小迷雾 如果内容对你有一点点帮助不妨给个暖心三连吧点赞| ❤️收藏| ⭐关注听说三连的小伙伴代码一次编译过bug绕着走你的支持就是我继续敲碎技术雾霭的最大动力 小彩蛋/^ ^\ / 0 0 \ V\ Y /V / - \ / | V__) ||摸一摸毛茸茸的小狗赶走所有疲惫和bug我们下篇见 ✨