C++_String增删查改模拟实现

前言

本篇博客仅仅实现存储字符的string。同时由于C++string库设计的不合理，博主仅实现一些最常见的增删查改接口！
接下来给出的接口都是基于以下框架：

namespace achieveString
{class string{private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;};
}

一、string默认构造、析构函数、拷贝构造、赋值重载

1.1 默认构造

博主在这仅仅提供如无参和带参默认构造接口：

//无参默认构造
string():_str(new char[1]{'\0'}),_capacity(0),_size(0)
{ }
//带参默认构造
string(const char* str = ""):_capacity(strlen(str)),_size(_capacity)
{_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);
}

小tips：

1. C++string标准库中，无参构造并不是空间为0，直接置为空指针。而是开一个字节，并存放‘\0’。（C++中支持无参构造一个对象后，直接在后面插入数据，也从侧面说明了这点）
2. 由于C++构造函数不管写不写都会走初始化列表的特性，所以这里博主也走初始化列表。
3. string中，_capacity和_size都不包含空指针，所以带参构造要多开一个空间，用来存储’\0’。

1.2 析构函数

~string()
{delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;
}

1.3 拷贝构造

传统写法：

string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}

现代写法：现代写法的核心在于：将拷贝数据的工作交给别人来做，最后将成果交换一样即可。

//交换
void swap(string& s)
{std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);
}//现代写法
string(const string& s):_str(nullptr),_size(0),_capacity(0)
{string tmp(s._str);swap(tmp);
}

tips：现代写法中，拷贝构造是数据需初始化为空。原因在于C++中，编译器对内置类型不会做处理（个别如vs2019等编译器会做处理的），这也就意味这_str是一个随机值，指向任意一块空间。调用析构函数时会报错。

1.4 赋值重载

赋值重载同样分为传统写法和现代写法。
传统写法：

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

现代写法：

//现代写法
//法一
/*string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){string tmp(s._str);swap(tmp);}return *this;
}*///法二
string& operator=(string tmp)
{swap(tmp);return *this;
}

二、迭代器和范围for

在C++中，范围for在底层是通过迭代器来实现的。所以只要实现了迭代器，就支持范围for。
而迭代器类似于指针，迭代器可以被看作是指针的一种泛化，它提供了类似指针的功能，可以进行解引用操作、指针运算等。
 
以下提供了const迭代器和非const迭代器：

typedef char* iterator;
const typedef 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;}

三、元素相关：operator[ ]

这里我们和库中一样，提供以下两个版本

//可读可写
char operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}
//只读
const char operator[](size_t pos)const
{assert(pos < _size);return _str[pos];
}

四、容量相关：size、resize、capacity、reserve

4.1 size、capacity

size_t size()const
{return _size;
}
size_t capacity()const
{return _capacity;
}

4.2 reserve

在C++中，我们一般不缩容。
所以实现reserve时（容量调整到n），首先判断目标容量n是否大于当前容量。如果小于就不做处理，否则先开辟n+1个内存空间（多出来的一个用于存储‘\0’），然后将原有数据拷贝到新空间（strcpy会将’\0’一并拷贝过去）。然后释放就空间，并让_str指向新空间，同时更新_capacity。

void reserve(size_t n)
{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}
}

4.3 resize

resize到目标大小分为以下3中情况：

1. 当n<_size时，只需将下标为n的地址处的数据改为’\0’。
2. 其他情况，我们直接统一处理。直接复用reserve()函数将_capacity扩到n。然后用将[_size, n)中的数据全部初始化为ch。（这里博主给ch一个初始值’\0’，但ch不一定为’\0’，所以要将下标为n处的地址初始化为’\0’）

void resize(size_t n, char ch='\0')
{if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);while (_size < n){_str[_size] = ch;_size++;}_str[_size] = '\0';}
}

五、数据相关：push_bach、append、operator+=、insert、erase

5.1 尾插：push_back

尾插首先检查扩容，在插入数据

void push_back(char ch)
{//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//插入数据_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}

5.2 append尾部插入字符串

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

5.3 operator+=()字符、字符串

operator+=()字符、字符串可以直接复用push_back和append。

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

5.4 insert插入字符、字符串

5.4.1 insert插入字符（在这提醒下，博主是所有的拷贝数据都是从’\0’开始，这样就不需要单独对’\0’做处理）

insert插入字符逻辑上还是很简单的。
首先判断插入字符时是否需要扩容。然后从下标为pos开始，所有数据依次往后挪动。最后将待插入字符给到pos处即可。

初学者最容易范的一个错误

但对于初学者来说，貌似也不太轻松。。。。。。
下面给出各位初学者容易犯的错误：

void insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//挪动数据size_t end = _size;while (end >= pos){_str[end+1] = _str[end];end--;}_str[pos] = ch;_size++
}

这样对吗？答案是错误的。

假设是在头插字符，end理论上和pos(即0)比较完后就减到-1，在下一次循环条件比较时失败，退出循环。
遗憾的是end是size_t类型，始终>=0, 会导致死循环。

博主在这给出两种解决方法：

1. 将pos强转为整型。

void insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//挪动数据int end = _size;while (end >= (int)pos){_str[end+1] = _str[end];end--;}_str[pos] = ch;_size++
}

2.从end从最后数据的后一位开始，每次将前一个数据移到当前位置。最后条件判断就转化为end>pos，不会出现死循环这种情况。

void insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//挪动数据size_t end = _size+1;while (end > pos){_str[end] = _str[end-1];end--;}//插入数据，更新_size_str[pos] = ch;_size++;
}

5.4.2 insert插入字符串

insert同样存在相同问题，并且思路一样。博主就直接给出代码了。
法一：

void insert(size_t pos, const char* str)
{int len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}int end = _size;while (end >= (int)pos){_str[end + len] = _str[end];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;
}

法二：

void insert(size_t pos, const char* str)
{int len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}size_t end = _size+1;while (end > pos){_str[end + len-1] = _str[end-1];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;
}

5.5 erase

erase分两种情况：

1. 从pos开始，要删的数据个数超过的字符串，即将pos后序所有数据全部情况。（直接将pos处数据置为’\0’即可）
2. 从pos开始，要删的数据个数没有超出的字符串。所以只需要从pos+len位置后的所有数据向前移动从pos位置覆盖原数据即可。

void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{if (len==npos || pos + len >= _size){//有多少，删多少_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{size_t begin = pos + len;while (begin <= _size){_str[begin - len] = _str[begin];begin++;}_size -= len;}
}

六、 关系操作符重载：< 、 ==、 <=、 >、>=、!=

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);
}

七、find查找字符、字符串、substr

7.1 find查找字符

size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return npos;
}

7.2 find查找字符串

size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)
{const char* p = strstr(_str + pos, sub);if (p){return p - _str;}else{return npos;}
}

7.3 strsub( ) 模拟实现

strsub目标长度可能越界string，也可能还有没有。但不管是那种情况，最后都需要拷贝数据。所以这里我们可以先将len真实长度计算出来，在拷贝数据。

string substr(size_t pos, size_t len = npos)const
{string s;size_t end = pos + len;//目标字符越界string,更新lenif (len == npos || end >= _size){len = _size - pos;end = _size;}//拷贝数据s.reserve(len);for (size_t i = pos; i < end; i++){s += _str[i];}return s;
}

八、流插入和流提取（<<、>>）(实现在string类外)

8.1 流插入<<

由于前面我们实现了迭代器，所以最简单的方式就是范围for

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{/*for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){out << s[i];}*/for (auto ch : s)out << ch;return out;
}

8.1 流提取>>

流提取比较特殊。在流提取前需要将原有数据全部清空。同时由于>>无法获取空字符和换行符()(都是作为多个值之间的间隔)，直接流提取到ostream对象中，没法结束。（类似于C语言中scanf, 换行符和空字符仅仅只是起到判断结束的作用，但scanf无法获取到它们）
所以这里博主直接调用istream对象中的get()函数。（类似于C语言中的getchar()函数）
get详细文档

class string
{void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}
private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;
};istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char ch;//in >> ch;ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){s += ch;//in >> ch;ch = in.get();}return in;}

上面这种方法虽然可以达到目的。但还有一个问题，每次插入数据都面临可扩容问题。那如何优化呢？

优化

其中一种办法就是调用reserve()提前开好空间，但这样面临这另一个问题：开大了浪费空间；开小了，同样面临这扩容的问题。
所以在这博主采用和vs底层实现的思路：首先开好一段数组（包含’\0’，以16为例）。当数据个数小于16时，字符串存在数组中；当数据个数大于等于16时，将数据存在_str指向的空间。
这是一种以空间换时间的思路，同时也能很好的减少内存碎片的问题。

class string
{void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}
private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;
};istream& operator>>(istream& in, string& s)
{s.clear();char buff[16];size_t i = 0;char ch;ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 16){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;
}

九、所有代码

namespace achieveString
{class string{public:typedef char* iterator;const typedef 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;}//构造函数/*string():_str(new char[1]{'\0'}),_capacity(0),_size(0){ }*/string(const char* str = ""):_capacity(strlen(str)), _size(_capacity){_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}const char* c_str() const{return _str;}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}//拷贝构造/*string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}*///交换void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}//现代写法string(const string& s):_str(nullptr),_size(0),_capacity(0){string tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载/*string& operator=(const string& s){if (this != &s){char* tmp = new char[s._capacity + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;}*///现代写法//法一/*string& operator=(const string& s){if (this != &s){string tmp(s._str);swap(tmp);}return *this;}*///法二string& operator=(string tmp){swap(tmp);return *this;}//可读可写char operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}//只读const char operator[](size_t pos)const{assert(pos < _size);return _str[pos];}size_t size()const{return _size;}size_t capacity()const{return _capacity;}bool empty()const{return _size == 0;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void resize(size_t n, char ch='\0'){if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);while (_size < n){_str[_size] = ch;_size++;}_str[_size] = '\0';}}void push_back(char ch){//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//插入数据_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}void insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);//扩容if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//挪动数据size_t end = _size+1;while (end > pos){_str[end] = _str[end-1];end--;}//插入数据，更新_size_str[pos] = ch;_size++;}void insert(size_t pos, const char* str){int len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}//法一/*int end = _size;while (end >= (int)pos){_str[end + len] = _str[end];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;*///法二size_t end = _size+1;while (end > pos){_str[end + len-1] = _str[end-1];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}void erase(size_t pos, size_t len = npos){if (len==npos || pos + len >= _size){//有多少，删多少_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{size_t begin = pos + len;while (begin <= _size){_str[begin - len] = _str[begin];begin++;}_size -= len;}}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);}size_t find(char ch, size_t pos = 0){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 char* p = strstr(_str + pos, sub);if (p){return p - _str;}else{return npos;}}string substr(size_t pos, size_t len = npos){string s;size_t end = pos + len;if (len == npos || end >= _size){len = _size - pos;end = _size;}s.reserve(len);for (size_t i = pos; i < end; i++){s += _str[i];}return s;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;//const static size_t npos = -1;  // C++支持const整型静态变量在声明时给值初始化，但不建议//const static double npos = 1.1;  // 不支持const static size_t npos;};const size_t string::npos = -1;ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){/*for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){out << s[i];}*/for (auto ch : s)out << ch;return out;}//istream& operator>>(istream& in, string& s)//{//	s.clear();//	char ch;//	//in >> ch;//	ch = in.get();//	while (ch != ' ' && ch != '\n')//	{//		s += ch;//		//in >> ch;//		ch = in.get();//	}//	return in;//}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char buff[16];size_t i = 0;char ch;ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 16){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}
}