【C++】string的使用及其模拟实现

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1. STL的介绍

STL(standard template libaray-标准模板库)： 是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

1.1 STL的六大组件

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1.2 STL的版本

• 原始版本
  Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。
• P. J. 版本
  由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。
• RW版本
  由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
• SGI版本
  由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版 本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程 风格上看，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。

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1.3 STL的缺陷

1. STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。
2. STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。
3. STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。
4. STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。

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2. string的使用

2.1 为什么要学习string类？

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OOP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。

string类的注意事项：

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。

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2.2 常见构造

int main()
{string s1;string s2("hello world");string s3 = "hello world";string s4(s3, 6, 3);cout << s4 << endl;string s5(s3, 6, 13);cout << s5 << endl;string s6(s3, 6);cout << s6 << endl;string s7("hello world", 5);cout << s7 << endl;string s8(10, '*');cout << s8 << endl;//对于string的访问我们可以直接使用[],因为重载了[],//所以string类可以像数组一样访问，当然也可以用范围for循环for (size_t i = 0; i < s2.size(); ++i){s2[i]++;}cout << s2 << endl;for (auto e : s2){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

这个构造函数的意思是从str中的第pos个位置开始，取len个字符来初始化目标对象，但我们可以看到这里的第三个参数用到了缺省参数npos，如果第三个参数的大小超过了str的长度，会直接取到str的末尾，下面我们来看一下这里的npos指的是多少？

这里的npos指的是无符号的-1，表示的是4294967295，因为我们的字符串最大的长度是不可能超过这么长的，所以当我们第三个参数默认不给的时候，他会从pos位置一直取到字符串的结尾。

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2.3 Iterator迭代器

迭代器和指针非常类似，它可以是需要的任意类型，通过迭代器可以指向容器中的某个元素，如果需要，还可以对该元素进行读/写操作。虽然迭代器像指针，但它不一定是指针，而所有的容器都可以使用迭代器来进行遍历和修改。

💕 正向迭代器

int main()
{string s1("hello world");string::iterator it = s1.begin();while (it != s1.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//用迭代器修改容器中的内容it = s1.begin();while (it != s1.end()){*it += 1;cout << *it << " ";++it;}return 0;
}

这里我们还需要注意的是迭代器的区间是左闭右开的，这里的begin()指向的是字符串中的第一个字符，而end()指向的是最后一个字符后面的’\0’。

💕 反向迭代器

int main()
{string s1("hello world");string::reverse_iterator it = s1.rbegin();while (it != s1.rend()){cout << *it << " ";++it;}return 0;
}

💕 const迭代器

当我们创建一个const修饰的对象时，就必须要用到const迭代器了，const迭代器是只读的，不能够修改容器中的内容。当然，const迭代器既有正向迭代器，又有反向迭代器。

int main()
{const string s1("hello world");string::const_iterator it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;string::const_reverse_iterator it2 = s1.rbegin();while (it2!= s1.rend()){cout << *it2 << " ";++it2;}cout << endl;return 0;
}

这里还有一点我们需要注意的是：所有的迭代器都可以使用auto去自动识别，因为auto是可以根据后面对象的类型自动去识别迭代器类型的。但是这样写的话可读性也会变的很差。

int main()
{const string s1("hello world");auto it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;auto it2 = s1.rbegin();while (it2 != s1.rend()){cout << *it2 << " ";++it2;}cout << endl;return 0;
}

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2.4 Capacity

这里我们可以先写一个简单的程序来观察一下string是怎么扩容的：

在vs下的扩容情况：

int main()
{string s;size_t sz = s.capacity();cout << "making s grow:\n";cout << "capacity changed: " << sz << '\n';for (int i = 0; i < 100; ++i){s.push_back('c');if (sz != s.capacity()){sz = s.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}return 0;
}

在g++下的扩容情况：

这里我们可以看到，在不同的编译器下，string的扩容效果是不同的。下面我们来看一下reserve和resize的区别：

int main()
{// 扩容string s1("hello world");s1.reserve(100);cout << s1.size() << endl;cout << s1.capacity() << endl;// 扩容+初始化string s2("hello world");s2.resize(100, 'x');cout << s2.size() << endl;cout << s2.capacity() << endl;// 比size小，删除数据，保留前5个s2.resize(5);cout << s2.size() << endl;cout << s2.capacity() << endl;return 0;
}

这里的reserve主要是为字符串预留空间，只会影响capacity的大小。而resize则是将字符串的个数改为n个，多出的空间使用字符c来填充。它会影响size和capacity的大小。一般情况下我们可以提前使用reserve开空间，避免频繁的扩容。

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2.5 Modifiers

💕 insert和erase

对于insert/erase我们不推荐经常使用，能少用就少用，因为他们可能都存在要挪动数据，效率低下。下面我们举几个例子来看一下他们的用法：

int main()
{string s1("world");s1.insert(0, "hello");cout << s1 << endl;cout << "--------------------" << endl;//s1.insert(5, 1, ' ');//s1.insert(5, " ");s1.insert(s1.begin()+5, ' ');cout << s1 << endl;cout << "--------------------" << endl;string s2("hello world");//s2.erase(5, 1);s2.erase(s2.begin() + 5);cout << s2 << endl;cout << "--------------------" << endl;//s2.erase(5, 30);s2.erase(5);cout << s2 << endl;return 0;
}

💕 replace和swap

int main()
{string s1("hello world");s1.replace(5, 1, "%%d");cout << s1 << endl;string s2("I love you!");string s3("Wake up bro!");cout << "s2:" << s2 << endl;cout << "s3:" << s3 << endl;cout << "-------------------" << endl;s2.swap(s3);cout << "s2:" << s2 << endl;cout << "s3:" << s3 << endl;return 0;
}

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2.6 String operations

💕 c_str

在某些场景中只支持对C形式的字符串，即字符数组进行操作，比如网络传输、fopen，而不支持对C++中的 string 对象进行操作，所以 string 提供了c_str，用于返回C形式的字符串。

💕 find和rfind

find函数用于返回字符在string中首次出现的位置（从前往后找），rfind函数用于返回字符在string中首次出现的位置（从后往前找）。

💕 find_first_of

first_first_of函数用于返回在string中寻找与字符/字符数组/string中任意一个字符匹配的元素的位置。

int main()
{std::string str("Please, replace the vowels in this sentence by asterisks.");//把str中包含"abcdv"中任何一个的字符替换成'*'std::size_t found = str.find_first_of("abcdv");while (found != std::string::npos){str[found] = '*';found = str.find_first_of("abcdv", found + 1);}std::cout << str << '\n';return 0;
}

💕 substr

将string中第pos个位置开始往后的n个字符构造成一个新的string对象并返回。

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3. string的模拟实现

3.1 构造函数

我们在写构造函数的时候，一般会有有参构造和无参构造两种构造函数。

//无参构造和有参构造的错误写法
string():_str(nullptr),_size(0),_capacity(0)
{}
string(const char* str):_str(str),_size(strlen(str)),_capacity(strlen(str))
{}

我们可以将构造寒素写成有参和无参两种形式，但是因为char *str被const修饰了，所以传参的时候会导致权限的放大所以会报错，因此我们只能将私有成员变量_str用const修饰，但是这势必会导致无法修改_str指向的内容。而且当我们使用无参构造去创建一个对象的时候，由于_str指向的是一个空指针，如果这个对象后续没有开空间，调用析构函数所以delete的时候必定会导致问题的出现。

基于上面的种种原因，我们可以在初始化的时候直接使用缺省参数构造一个空字符串（注意不能是nullptr，因为使用strlen的时候会出问题），如果没有传参就使用缺省值，当然如果传入的是空字符串。我们需要将空间开大一些，因为后期使用push_back需要第一次就扩容的时候，使用二倍扩容会出问题。

//构造函数
string(const char *s = ""):_size(strlen(s))
{_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s);
}

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3.2 拷贝构造函数

string(const string& s):_size(s._size), _capacity(s._capacity)
{_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s._str);
}
//拷贝构造现代写法s2(s1)
string(const string& s):_str(nullptr),_size(0),_capacity(0)
{string tmp(s._str);swap(tmp);
}

对于拷贝构造函数，如果我们不写，编译器会自动默认生成，对于内置类型，编译器的默认拷贝构造函数能够很好的处理，但是如果内置的成员变量具有资源的申请，就会导致浅拷贝问题的出现。所以我们只能重写深拷贝构造函数。

当我们使用拷贝构造的现代写法时，一定要走初始化列表，如果不走初始化列表，s2的数据将会是随机值，随机指向一块空间，将tmp和s2的数据交换后，tmp指向的空间将会被销毁，那么随即指向的空间将会被delete掉，程序奔溃。

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3.3 赋值运算符重载和析构函数

//赋值运算符重载(传统写法)
string& operator=(const string& s)
{if (this == &s)return *this;char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;//这里一定要记住先释放原来的空间，避免造成内存泄露_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;
}
//赋值运算符重载（现代写法1）
string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){string tmp(s);swap(tmp);}return *this;
}
//赋值运算符重载（现代写法2）
string& operator=(string s)
{swap(s);return *this;
}
~string()
{delete[] _str;_str = nullptr;_capacity = _size = 0;
}

赋值运算符重载也属于类的六大默认成员函数之一，如果我们不写，编译器也会自动默认生成。但是它和编译器自动生成的默认拷贝构造函数一样都是按字节拷贝，同样会导致浅拷贝问题的出现。

为了解决这个问题，我们只能重新写赋值运算符重载函数，如果是对象自己赋值自己的话，直接返回对象本身就可以了。这里我们先开一块临时的内存空间将要拷贝的数据放进去，这里我们一定要注意：先释放原来对象所指向的空间，避免造成内存泄漏。

赋值运算符重载的现代写法有两种，第一种写法是先拷贝构造一个临时对象，然后在调用swap对象将本对象的数据与其做交换。第二种写法是直接利用形参所拷贝构造的对象进行进行交换。

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3.4 常用接口(c_str、[ ]、迭代器、size和capacity)

💕 c_str的模拟实现

//模拟实现c_str()
const char* c_str()
{return _str;
}

💕 重载[ ]

//重载[]
char& operator[](int pos)
{return _str[pos];
}
const char& operator[](int pos)const
{return _str[pos];
}

因为普通对象是可读可写的但是const对象是只可读不可写的，所以我们需要对[ ]的重载一份针对于const版本的。

💕 size和capacity

//获取size()
int size()const
{return _size;
}
//获取capacity
int capacity()
{return _capacity;
}

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3.5 关系运算符的重载

//比较两个对象关系的运算符重载
bool operator>(const string& s)const//重载>
{return strcmp(_str, s._str) > 0;
}bool operator==(const string& s)const//重载==
{return strcmp(_str, s._str) == 0;
}bool operator>=(const string& s)const//重载>=
{return *this > s || *this == s;
}bool operator<(const string& s)const//重载<
{return !(*this >= s);
}bool operator<=(const string& s)const//重载<=
{return !(*this > s);
}bool operator!= (const string& s)const//重载!=
{return !(*this == s);
}

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3.6 插入、删除和容量操作(reserve和resize)

💕 reserve的实现

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

因为reserve是只能扩容的，所以我们需要先判断一下需要扩的容量是否大于原来的容量。

💕 resize的实现

//resize的实现
void resize(size_t n, char ch)
{if (n <= _size){_size = n;_str[n] = '\0';}else{if (n > _capacity){reserve(n);}int i = _size;while (i < n){_str[i] = ch;i++;}_size = n;_str[_size] = '\0';}
}

💕 push_back的实现

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

💕 append的实现

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

💕 重载+=

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

💕 insert的实现

//insert的实现
string& insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);if (_size + 1 > _capacity){reserve(_size * 2);}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)
{assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}size_t end = _size + len;while (end > pos + len - 1){_str[end] = _str[end - len];end--;}/*size_t end = _size;for (size_t i = 0; i < _size - pos + 1; ++i){_str[end + len] = _str[end];--end;}*/strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;
}

💕 erase的实现

//erase的实现
string& erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{assert(pos <= _size);if (len == npos || len + pos >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}return *this;
}

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3.7 swap、find和clear

💕 swap的实现

//swap的实现
void swap(string& str)
{std::swap(_str, str._str);std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);
}

💕 find的实现

//find的实现
size_t find(const char* str, size_t pos = 0)
{assert(pos < _size);char* tmp = strstr(_str + pos, str);if (tmp == nullptr ){return npos;}return tmp - _str;
}size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (ch == _str[i]){return i;}}return npos;
}

💕 clear的实现

void clear()
{_str[0] = '\0';_size = 0;
}

3.8 流插入和流提取运算符的重载

//重载<<运算符
ostream& operator<<(ostream& out,const string& str)
{for (auto e : str){out << e;}return out;
}//重载>>运算符
istream& operator >> (istream& in, string& str)
{str.clear();size_t i = 0;char tmp[128];char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){tmp[i++] = ch;if (i == 127){tmp[i] = '\0';str += tmp;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){tmp[i] = '\0';str += tmp;}return in;
}

流插入和流提取运算符，因为他们需要和流对象和对象抢占左操作数，所以我们需要将他们重载成全局函数，但是如果我们的重载函数不需要访问私有成员，那么我们就不需要将他们声明为类的友元函数。

cin和scanf一样，只要遇到空格或者'\n'就会被忽略掉，所以我们需要用get函数一个字符一个字符的获取，当然了如果原来的对象中有有内容的话，我们需要先将原来对象中的内容清空，然后再重新输入新的内容。所以，这里我们在每一次调用流提取重载函数时，先将原来对象中的内容使用clear函数清除所有的数据。流插入运算符的重载因为这里比较简单则不再叙述。

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整体源码

#include<cassert>
#include<cstring>
#include<iostream>
using namespace std;namespace cjl
{class string{public://迭代器的模拟实现typedef char* iterator;//普通迭代器typedef const char* const_iterator;//const迭代器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(const char *s = ""):_size(strlen(s)){_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s);}//拷贝构造string(const string& s):_size(s._size), _capacity(s._capacity){_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s._str);}//拷贝构造现代写法/*string(const string& s):_str(nullptr),_size(0),_capacity(0){string tmp(s._str);swap(tmp);}*///赋值运算符重载string& operator=(const string& s){if (this == &s)return *this;char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;//这里一定要记住先释放原来的空间，避免造成内存泄露_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;}//赋值运算符重载（现代写法1）/*string& operator=(const string& s){if (this != &s){string tmp(s);swap(tmp);}return *this;}*///赋值运算符重载（现代写法2）/*string& operator=(string s){swap(s);return *this;}*///析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_capacity = _size = 0;}//模拟实现c_str()const char* c_str(){return _str;}//重载[]char& operator[](int pos){return _str[pos];}const char& operator[](int pos)const{return _str[pos];}//获取size()int size()const{return _size;}//获取capacityint capacity(){return _capacity;}//比较两个对象关系的运算符重载bool operator>(const string& s)const//重载>{return strcmp(_str, s._str) > 0;}bool operator==(const string& s)const//重载=={return strcmp(_str, s._str) == 0;}bool operator>=(const string& s)const//重载>={return *this > s || *this == s;}bool operator<(const string& s)const//重载<{return !(*this >= s);}bool operator<=(const string& s)const//重载<={return !(*this > s);}bool operator!= (const string& s)const//重载!={return !(*this == s);}//reserve的实现(扩容)void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}//resize的实现void resize(size_t n, char ch){if (n <= _size){_size = n;_str[n] = '\0';}else{if (n > _capacity){reserve(n);}int i = _size;while (i < n){_str[i] = ch;i++;}_size = n;_str[_size] = '\0';}}//push_back的实现void push_back(char ch){if (_size + 1 > _capacity){reserve(_capacity * 2);}_str[_size++] = ch;_str[_size] = '\0';}//append的实现void append(const char* s){size_t len = strlen(s);if (_size +len > _capacity){reserve(_capacity + len);}strcpy(_str + _size, s);_size += len;}//重载+=string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* s){append(s);return *this;}//insert的实现string& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size + 1 > _capacity){reserve(_size * 2);}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){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}size_t end = _size + len;while (end > pos + len - 1){_str[end] = _str[end - len];end--;}/*size_t end = _size;for (size_t i = 0; i < _size - pos + 1; ++i){_str[end + len] = _str[end];--end;}*/strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;}//erase的实现string& erase(size_t pos = 0, size_t len = npos){assert(pos <= _size);if (len == npos || len + pos >= _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}return *this;}//swap的实现void swap(string& str){std::swap(_str, str._str);std::swap(_size, str._size);std::swap(_capacity, str._capacity);}//find的实现size_t find(const char* str, size_t pos = 0){assert(pos < _size);char* tmp = strstr(_str + pos, str);if (tmp == nullptr ){return npos;}return tmp - _str;}size_t find(char ch, size_t pos = 0){assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (ch == _str[i]){return i;}}return npos;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}private:char* _str;int _size;int _capacity;//static const size_t npos = -1;//只有const静态整形变量才能够在类内提供初始值，//如果是static const double/float则不可以在类内提供初始值。static const int/short可以在类内提供初始值。//static const size_t npos;static size_t npos;};//const size_t string::npos = -1;size_t string::npos = -1;//重载<<运算符ostream& operator<<(ostream& out,const string& str){for (auto e : str){out << e;}return out;}//重载>>运算符istream& operator >> (istream& in, string& str){str.clear();size_t i = 0;char tmp[128];char ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){tmp[i++] = ch;if (i == 127){tmp[i] = '\0';str += tmp;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){tmp[i] = '\0';str += tmp;}return in;}
}