【C++升级之路】第八篇：string类

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✒️✒️本篇内容：简单介绍string类的概念、string类的常用接口、string类的模拟实现（各个常见接口的实现代码）、string代码实现过程中的浅拷贝和深拷贝问题、string类的写时拷贝

🚢🚢作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

目录

一、为什么要学习string类 

1. C语言中的字符串

2.实际应用

二、标准库中的string类

1.string类基础知识

2.string类的常用接口说明

2.1string类对象的常见构造

2.2string类对象的容量操作

2.3string类对象的访问及遍历操作

2.4string类对象的修改操作

2.5string类非成员函数

2.6vs和g++下string结构的说明

三、string类的模拟实现

1.string类的经典问题

2.浅拷贝

3.深拷贝 

4.现代版的string类（模拟实现代码全集）

5.写时拷贝（了解）

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一、为什么要学习string类 

1. C语言中的字符串

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，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合面向对象的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

2.实际应用

在OJ中，有关字符串的题目基本以string类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数。

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二、标准库中的string类

1.string类基础知识

string文档快捷链接https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

【注意】在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

实际上，我们可以将string类理解为一种可以让我们更好使用字符串的一种工具

2.string类的常用接口说明

2.1string类对象的常见构造

函数名称	功能说明
string() （重点）	构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) （重点）	用C-string来构造string类对象
tring(size_t n, char c)	string类对象中包含n个字符c
tring(const string&s)（重点）	拷贝构造函数

void Teststring()
{string s1; // 构造空的string类对象s1string s2("hello world"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

2.2string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size（重点）	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty （重点）	检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点）	清空有效字符
reserve （重点）	为字符串预留空间**
resize（重点）	将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

注意：

• size( )与length( )方法底层实现原理完全相同，引入size( )的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size( )
•  clear( )只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小
•  resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
•  reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于
  string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

reserve、resize的具体实验实例如下（区别：reserve更改string类的capacity，resize更改string类的size）

（1）reserve

为 s1 初始分配空间，15。

调用reserve()函数后，空间变为31，即保留空间变大了(string内存分配按照:(n*16-1)分配)。

（2）resize

2.3string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[ ] （重点）	返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin+ end begin	获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend begin	获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
范围for	C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

 operator[ ] （重点）的意思是将 [ ] 进行了重载

2.4string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串后尾插字符c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+= (重点)	在字符串后追加字符串str
c_str(重点)	返回C格式字符串
find + npos(重点)	从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

 【注意】

• 在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c' 三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
• 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。

2.5string类非成员函数

函数	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>> （重点）	输入运算符重载
operator<< （重点）	输出运算符重载
getline （重点）	获取一行字符串
relational operators （重点）	大小比较

string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

2.6vs和g++下string结构的说明

注意：下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节

vs下string的结构

首先

• 当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
• 当字符串长度大于等于16时，从堆上开辟空间

这种设计也是有一定道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那string对象创建好之后，内
部已经有了16个字符数组的固定空间，不需要通过堆创建，效率高。

其次

还有一个size_t字段保存字符串长度（size），一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量（capacity）

最后

还会有一个指针用来做其他的事情

我们这里以一个字符串为例,计算字符串所占空间std::string s1("1234");

故总共占16+4+4+4=28个字节（3个4分别为两个size_t、一个指针）

g++下string的结构

g++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节，内部只包含了一个指针，该指针将来指向一块堆空间（指向堆空间的指针，用来存储字符串），其内部包含了如下字段：

struct _Rep_base
{size_type _M_length;size_type _M_capacity;_Atomic_word _M_refcount;
};

• 字符串有效长度
• 空间总大小
• 引用计数

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三、string类的模拟实现

1.string类的经典问题

上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。

大家可以看下下述的string类的实现是否有问题？

// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public://String(const char* str = "\0") 错误示范//String(const char* str = nullptr) 错误示范String(const char* pstr = ""){// 判断if (nullptr == pstr){assert(false);return;}_pstr = new char[strlen(pstr) + 1];strcpy(_pstr, pstr);}~String(){if (_pstr){delete[] _pstr;_pstr = nullptr;}}
private:char* _pstr;
};
// 测试
void TestString()
{String s1("hello world!");String s2(s1);
}

说明：上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

2.浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源（空间），最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享

3.深拷贝 

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

使用深拷贝，可以在拷贝时，将资源（空间）相互区分开来，避免了同一资源被多次释放的问题，下图中就是应用了深拷贝的方法（创造一个新的空间，将信息拷贝到新空间中）

4.现代版的string类（模拟实现代码全集）

string类的模拟实现代码全集

namespace bit
{class string{public:// begin() 和 end()typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}//构造函数string(const char* str = ""){_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//容器中提供的swap()函数并不是交换了两个容器的内容，而是交换了两个容器的地址void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 现代写法// s2(s1)string(const string& s):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){string tmp(s._str); // 构造函数//this->swap(tmp);swap(tmp);}// s1 = s3;string& operator=(string s){swap(s);return *this;}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}// [] -- 重载// 普通对象：可读可写char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}// const对象：只读const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}//reserve、resize、push_back、appendvoid 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){reserve(n);for (size_t i = _size; i < n; ++i){_str[i] = ch;}_size = n;_str[_size] = '\0';}else{_str[n] = '\0';_size = n;}}void push_back(char ch){if (_size == _capacity){size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newCapacity);}_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;}// += -- 重载string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}//insert、erasestring& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newCapacity);}size_t end = _size + 1;while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;++_size;return *this;}string& insert(size_t pos, const char* str){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;}*/size_t end = _size + len;while (end > pos + len - 1){_str[end] = _str[end - len];--end;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;}string& erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}return *this;}// findsize_t find(char ch, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);while (pos < _size){if (_str[pos] == ch){return pos;}++pos;}return npos;}size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);const char* ptr = strstr(_str + pos, str);if (ptr == nullptr){return npos;}else{return ptr - _str;}}void clear(){_size = 0;_str[0] = '\0';}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;const static size_t npos = -1;};

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i){out << s[i];}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char buff[128] = { '\0' };size_t i = 0;char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){if (i == 127){// 满了s += buff;i = 0;}buff[i++] = ch;ch = in.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}

5.写时拷贝（了解）

写时拷贝我们可以把它理解为一个拖延症患者，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。

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🌹🌹C/C++ string类的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！💪💪