【C++修行之路】STL——模拟实现string类

前言

这次我们分几个部分来实现string类。具体请看目录。
说明：模拟实现只实现了string中最常用的功能。

类框架

首先我们要与库里的string类区分，因此我们定义一个命名空间，名字可以随意起，这里教学因此命名为Teacher

string.h:
namespace Teacher
{class string{public://函数实现private:char* _str;int _size;int _capacity;};
}

约定：在我们模拟实现过程中，_str存储字符串内容，_size表示现在字符串的大小（不包括\0）_capacity表示字符串一共有多大空间（不包括\0）

构造与析构

空字符串可以直接用缺省值处理，我们不必再写一个空参构造函数。

//函数实现
string(const char* str = "") : _size(strlen(str))
{_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);
}~string()
{delete[] _str;_str = nullptr;_capacity = _size = 0;
}

c_str

迭代器

用指针来模拟实现一下迭代器，唯一需要注意的就是一定要写成iterator和const_iterator，不然在使用范围for的时候会报错。

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;
}

操作符重载

[]：

char& operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}const char& operator[](size_t pos) const
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}

=：

赋值时，由于我们不知道子母串大小情况，所以我们把要覆盖的串直接清空，再把新的内容腾上去，但这又涉及一个问题，如果清空后覆盖失败怎么办？这样我们不仅没有拷贝成功，还失去了原有的串。因此我们采用一个临时数组先将我们的内容拷贝到这个临时串上，再清理原来的串。
代码如下：

string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){_size = s._size;_capacity = s._capacity;char* tmp = new char[_capacity + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;_str = tmp;}return *this;
}

> == >= < <= !=:

由于和我们实现日期类的基本思路一致，我们按照原来的思路书写即可：

bool operator>(const string& s) const
{return strcmp(_str, s._str);
}
bool operator==(const string& s) const
{return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool operator>=(const string& s) const
{return _str > s._str || _str == s._str;
}
bool operator<(const string& s) const
{return !(_str >= s._str);
}
bool operator<=(const string& s) const
{return !(_str > s._str);
}
bool operator!=(const string& s) const
{return !(_str == s._str);
}

reverse与resize

reverse

当我们对string对象进行增加操作时（不管是追加一个字符还是追加一个串）我们都需要判断当前对象的容量还够不够，如果不够，我们就要按需要扩容。至于啥时候需要扩容，我们在需要的函数里再判断。reverse只管扩容。

void reserve(size_t newsize)
{char* tmp = new char[newsize + 1];//按照我们的约定容量不包括\0，因此我们在这里加上strcpy(tmp,_str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = newsize;
}

resize

没什么好说的，注意缺省值是如何使用的即可

void resize(size_t n, char ch = '\0')
{if (n < _size){// 删除数据--保留前n个_size = n;_str[_size] = '\0';}else if (n > _size){if (n > _capacity){reserve(n);}size_t i = _size;while (i < n){_str[i] = ch;++i;}_size = n;_str[_size] = '\0';}
}

push_back与append

实现了reverse函数之后，我们就可以实现push_back和append函数了
push_back:

void push_back(char ch)
{if (_size + 1 > _capacity){reserve(_size * 2);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';
}

append:

void append(const char* str)
{int len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;
}

如果你对其中判断是否需要扩容感到疑惑，建议你再想想我们之前对_size和_capacity的约定。

复用实现+=

因为我们已经写好了上面的接口，直接复用即可。

string& operator+=(const char ch)
{push_back(ch);
}
string& operator+=(const char* str)
{append(str);
}

insert和erase

insert：可以在任意位置插入
在这里提供两个思路，但由于一些边界问题，第一个思路你要考虑判断坐标是否合法。

void insert(size_t pos, const char ch)
{//在pos处插入一个字节if (_size + 1 > _capacity){reserve(_capacity * 2);}size_t end = _size;//无符号数会出越界的bugwhile (end >= pos && end != -1){_str[end + 1] = _str[end];end--;}_str[pos] = ch;_size++;
}void insert2(size_t pos, const char ch)
{//在pos处插入一个字节if (_size + 1 > _capacity){reserve(_capacity * 2);}size_t end = _size+1;while (end > pos){_str[end] = _str[end-1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;
}

erase：删除一部分数据，注意这里给出了npos的缺省值，我们在类成员函数处加上即可。

static const size_t npos;const size_t npos = -1;

上面这种给静态变量赋值的方式只能赋值成int，其他类型均不可以。

void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{int begin = pos + len;while (begin <= _size){_str[begin - len] = _str[begin];begin++;}_size -= len;
}

c_str与流插入、流提取

由于自定义的类型不能直接输出打印，因此我们要拿到对象内的字符数组，这样才能按照C语言的方式来打印字符串。
代码如下：

const char* c_str()
{return _str;
}

而流插入和流提取即重载两个操作符：
为什么需要重载流插入和流提取？
流提取：

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{//需要写迭代器for (auto ch : s){out << s;}return out;
}

流插入：

istream operator>>(istream& is,string& s)
{char ch = in.get()char buff[128];size_t i = 0;while(ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i] = ch;i++;if(i == 127){buff[127] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if(i != 0){buff[i] = '\0';s+=buff;}
}

erase

erase可以分两种情况考虑，即把pos后面全删了，还是删除pos后有限个元素，我们可以单独处理，具体详见代码：

void erase(size_t pos,size_t len = npos)
{if (pos + len >= _size || len == npos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str+pos,_str+pos+len);_size -= len;}
}

因为设计到在同一个字符串里用strcpy，我们这里不用担心会覆盖的问题，因为左边是我们要删除的，右边的是我们的源头，所以覆盖的是无用的元素。可以直接使用。

swap(s1,s2)与s1.swap(s2)

最后来谈一下交换两个对象的函数。
更推荐使用第二种，

void swap(string& s2)
{std::swap(_str, s2._str);std::swap(_size, s2._size);std::swap(_capacity, s2._capacity);
}

如果选择第一种会怎么样？其实会进行三次拷贝构造，这样是非常低效的，详细如图，采用第二种会好很多。1

结语

到这里，本篇文章就到此为止了，我们下次见~