C++ 类设计实践（一）：自定义 String 类与顺序栈

引言在学完 C 的类、构造函数、析构函数、拷贝控制、运算符重载、模板等核心知识后动手设计一个完整的类是最好的巩固方式。今天我将通过两个实践项目来检验这些知识的掌握程度自定义 String 类模拟标准库std::string的核心功能顺序栈 Stack 类模板实现一个通用的栈容器并完成括号匹配检测这两个项目涵盖了深拷贝、运算符重载、模板编程、动态内存管理等重要知识点。第一部分自定义 String 类一、设计目标实现一个类似std::string的字符串类String支持以下功能构造与析构深拷贝拷贝构造下标访问[]字符串追加append和字符串查找find/rfind字符串插入insert输出流运算符二、类设计#include iostream #include cstring using namespace std; #define BUF_SIZE 8192 class String final { private: char* buffer; // 字符缓冲区 int len; // 字符串长度 public: // 1. 默认构造函数 String() { buffer new char[BUF_SIZE]{0}; len 0; } // 2. 带参构造函数C风格字符串 String(const char* s) { buffer new char[BUF_SIZE]{0}; memcpy(buffer, s, strlen(s)); len strlen(s); } // 3. 拷贝构造函数深拷贝 String(const String o) { buffer new char[BUF_SIZE]{0}; memcpy(buffer, o.buffer, o.len); len o.len; } // 4. 析构函数 ~String() { delete[] buffer; } // 5. 获取长度 int length() const { return len; } // 6. 下标访问运算符可修改 char operator[](int index) { static char nochar \0; if (index 0 || index len) return nochar; return buffer[index]; } // 7. 追加字符串 String append(const char* s) { int s_len strlen(s); if (len s_len BUF_SIZE) { // 扩容逻辑可优化 return *this; } memcpy(buffer len, s, s_len); len s_len; return *this; } String operator(const char* s) { return append(s); } // 8. 插入字符串 String insert(int pos, const char* ns) const { String result; int ns_len strlen(ns); // 复制 pos 之前的内容 memcpy(result.buffer, buffer, pos); // 插入新字符串 memcpy(result.buffer pos, ns, ns_len); // 复制剩余内容 memcpy(result.buffer pos ns_len, buffer pos, len - pos); result.len len ns_len; return result; } // 9. 查找子串从左到右 int find(const char* s) const { int s_len strlen(s); if (s_len 0 || s_len len) return -1; for (int i 0; i len - s_len; i) { if (buffer[i] s[0]) { bool found true; for (int j 1; j s_len; j) { if (buffer[i j] ! s[j]) { found false; break; } } if (found) return i; } } return -1; } // 10. 查找子串从右到左 int rfind(const char* s) const { int s_len strlen(s); if (s_len 0 || s_len len) return -1; for (int i len - s_len; i 0; i--) { if (buffer[i] s[0]) { bool found true; for (int j 1; j s_len; j) { if (buffer[i j] ! s[j]) { found false; break; } } if (found) return i; } } return -1; } // 11. 输出运算符重载成员函数版本 ostream operator(ostream cout) const { cout buffer; return cout; } }; // 12. 全局输出运算符重载 ostream operator(ostream cout, const String s) { return s.operator(cout); }三、测试代码int main() { // 1. 基本构造与输出 String s hello; cout s endl; // hello cout 长度: s.length() endl; // 5 // 2. 下标修改 s[1] i; cout 修改后: s endl; // hillo // 3. 追加 s.append(, diyi).append( and ); s lucy!; cout s endl; // hillo, diyi and lucy! // 4. 插入 String s2 s.insert(5, everybody); cout s2 endl; // hillo everybody, diyi and lucy! // 5. 查找 cout \diyi\位置: s2.find(diyi) endl; // 17 s2[s2.find(diyi)] j; cout 替换后: s2 endl; // hillo everybody, jiyi and lucy! // 6. 反向查找 String s3 hi,diyi! what are you doing? diyi say sleep!; cout \n原字符串: s3 endl; cout 第一次出现 diyi: s3.find(diyi) endl; cout 最后一次出现 diyi: s3.rfind(diyi) endl; s3[s3.rfind(diyi)] k; cout 替换后: s3 endl; return 0; }第二部分顺序栈类模板一、设计目标实现一个通用的顺序栈基于数组支持任意数据类型并完成括号匹配检测应用。栈的特点后进先出LIFOLast In First Out二、类模板设计#define STACK_SIZE 128 templateclass T class Stack { private: T* data; // 动态数组 int last; // 栈顶索引也是元素个数 int maxSize; // 最大容量 public: // 构造函数 Stack(int maxSize -1) { this-maxSize (maxSize -1) ? STACK_SIZE : maxSize; data new T[this-maxSize]{ T() }; last 0; } // 禁止拷贝栈通常不需要拷贝 Stack(const Stack o) delete; void operator(const Stack o) delete; // 析构函数 ~Stack() { delete[] data; } // 入栈 void push(T item) { if (last maxSize) { data[last] item; } } // 出栈 void pop() { if (last 0) { data[last - 1] T(); // 重置为默认值 last--; } } // 查看栈顶元素 T peek() const { if (last 0) return T(); return data[last - 1]; } // 获取元素个数 int size() const { return last; } // 判断是否为空 bool isEmpty() const { return last 0; } };三、测试代码1. 基本类型测试int main() { Stackint s1; s1.push(10); s1.push(20); s1.push(100); cout 栈大小: s1.size() endl; // 3 cout 栈顶: s1.peek() endl; // 100 cout 弹出顺序: ; while (s1.size() 0) { cout s1.peek() ; s1.pop(); } cout endl; // 100 20 10 return 0; }2. 自定义类型测试class Person { private: string name; int pid; public: Person() : name(), pid(0) {} Person(string name, int pid) : name(name), pid(pid) {} void show() const { cout name , pid endl; } }; int main() { StackPerson s2; s2.push(Person(dier, 1010)); s2.push(Person(Jack, 2010)); s2.push(Person(Lucy, 1030)); s2.push(Person(Mack, 5010)); while (s2.size() 0) { s2.peek().show(); s2.pop(); } // 输出顺序后进先出 // Mack, 5010 // Lucy, 1030 // Jack, 2010 // dier, 1010 return 0; }第三部分经典应用——括号匹配检测一、问题描述给定一个包含括号()、[]、{}的字符串判断括号是否匹配。合法示例()、([])、{([[]])}非法示例(]、[)、(((、)))二、算法思路三、代码实现int main() { string s; cout 请输入测试括号的字符串: ; cin s; string lefts ([{; string rights )]}; Stackchar stack(128); bool isValid true; for (char ch : s) { // 1. 左括号压栈 if (lefts.find(ch) ! string::npos) { stack.push(ch); } // 2. 右括号匹配检查 else if (rights.find(ch) ! string::npos) { if (stack.isEmpty()) { isValid false; break; } char top stack.peek(); if ((top ( ch )) || (top [ ch ]) || (top { ch })) { stack.pop(); } else { isValid false; break; } } } if (isValid stack.isEmpty()) { cout 括号合法 endl; } else { cout 括号不合法 endl; } return 0; }# 合法示例 请输入测试括号的字符串: ({[]}) 括号合法 # 非法示例 请输入测试括号的字符串: (] 括号不合法 # 左括号多余 请输入测试括号的字符串: ((() 括号不合法 # 右括号多余 请输入测试括号的字符串: ())) 括号不合法总结一、自定义 String 类核心知识点知识点应用构造函数默认构造、带参构造、拷贝构造深拷贝析构函数delete[]释放动态内存运算符重载[]、、访问控制private成员、public接口const 成员函数length()、find()、rfind()二、Stack 类模板核心知识点知识点应用类模板templateclass T支持任意类型动态内存new[]/delete[]拷贝控制禁用拷贝 deleteLIFO 特性push/pop/peek三、两个项目的关联项目核心难点旁白String 类深拷贝、运算符重载模拟标准库行为Stack 类模板模板编程、泛型可存储任意类型包括 String这两个实践项目覆盖了 C 类的核心知识点String 类重点练习了深拷贝拷贝构造函数、运算符重载[]、、、动态内存管理。Stack 类模板重点练习了模板编程、泛型设计、后进先出的数据结构并完成了括号匹配的经典应用。