【C++庖丁解牛】模拟实现STL的string容器（最后附源码）

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📙 作者简介 ：RO-BERRY
📗 学习方向：致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识
📒 日后方向 : 偏向于CPP开发以及大数据方向，欢迎各位关注，谢谢各位的支持

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1.vs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。

1. vs下string的结构
   string总共占28个字节，内部结构稍微复杂一点，先是有一个联合体，联合体用来定义string中字符串的存储空间：

• 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，一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量
最后：还有一个指针做一些其他事情。
故总共占16+4+4+4=28个字节。

2. 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，内部包含了如下字段：

• 空间总大小
• 字符串有效长度
• 引用计数
• 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

2.经典的string类问题

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。大家看下以下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()
:_str(new char[1])
{*_str = '\0';}
*/
//String(const char* str = "\0") 错误示范
//String(const char* str = nullptr) 错误示范String(const char* str = ""){// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非if (nullptr == str){assert(false);return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}
private:char* _str;
};
// 测试
void TestString()
{String s1("hello bit!!!");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。

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，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。
就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。

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。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。

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。

3.模拟实现string

模拟实现string需要我们定义一个命名空间达到隔绝的效果，为了不和库里名称重复

private成员变量

	private:size_t _capacity = 0;size_t _size = 0;char* _str = nullptr;const static size_t npos = -1;  //特殊处理，本来是不可以，加上const后可以在这里定义//const static double npos = -1;  //这个设计只针对整数，对其他类型都不支持

构造函数

		//string()   这是默认构造，但是我们可以直接写全缺省的构造函数就不需要这个了//	:_str(new char[1])   //这里不能设置为nullptr，设置了会出现空指针解引用的错误//	, _size(0)//	, _capacity(0)//{//	_str[0] = '\0';      //str初始化为一个\0,与库里面的string相同//}string(const char* str = "")  //这里给一个空的字符串即可,达到缺省的目的{_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];  //这里要加1，因为strlen是不算\0,我们要给他加上strcpy(_str, str);             //开空间了之后进行拷贝}

拷贝构造函数

		//拷贝构造--防止浅拷贝出现异常，这里就是要实现深拷贝//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string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);           //swap是我们自定义的函数具体介绍在后面}

赋值拷贝

		//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string& operator=(string s){swap(s);return *this;}

析构函数

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

接口 c_str

返回字符串

		const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const //只读函数加const{return _size;}

接口operatror[]

实现string的下标访问

		const char& operator[](size_t pos) const  //下标访问数据,返回字符引用,根据需求加const，为了print函数能调用{assert(pos <= _size);  //越界断言return _str[pos];}char& operator[](size_t pos)  //下标访问数据,返回字符引用1.减少拷贝2.可以进行修改{assert(pos <= _size);  //越界断言return _str[pos];}

reserve接口

预存容量

		void reserve(size_t n)  //扩容--开新空间，将数据拷贝，在进行释放旧空间{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}

push_back接口

尾插

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

append接口

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

operator+=

实现

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

insert接口

		//在pos位置插入ch字符void insert(size_t pos, char ch)   {assert(pos <= _size);  //越界断言if (_size == _capacity)  //扩容{size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newCapacity);}size_t end = _size + 1;   //这里采用size+1，为了阻止临界0出现越界while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;_size++;}//在pos位置插入str字符串void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);  //越界断言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;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}

erase接口

		void erase(size_t pos, size_t len=npos)  //缺省值{assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size)   //没有传入len，全删{_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}

swap接口

		void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);     //调用的库里的swap函数std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}

find接口

		//在pos位置之后查找字符chsize_t find(char ch,size_t pos=0){for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return npos;}//在pos位置之后查找字符串strsize_t find(const char* str , size_t pos = 0){const char* ptr = strstr(_str, str);if (ptr == nullptr){return npos;}else{return ptr - _str;}}

substr接口

		//在pos位置之后取len长度的字符串string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos){assert(pos < _size);size_t end = pos + len;if (len == npos || pos + len >= _size)  //有多少取多少{end = _size;}string str;str.reserve(end - pos);for (size_t i = pos; i < end; i++){str += _str[i];}return str;}

clear接口

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

流插入输出

实现cout输出以及cin输入string

	//流插入重载很特殊在全局重载ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){//直接进行输出即可for (auto ch : s){out << ch;}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char buff[128];        //如果输入的字符串比较长，就需要很多次扩容，使用buff就不需要考虑没空间的问题char ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到//in >> ch;            //cin默认取不到换行和空格int i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}//in >> ch;ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}

打印

	//设置在全局的打印函数void print_str(const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){cout << s[i] << endl;}cout << s.c_str() << endl;//迭代器的使用  本身可以修改指向的内容不可修改string::const_iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

4.测试集

test1

	void test_string1()     //测试函数{string s1("hello world");     //构造函数测试cout << s1.c_str() << endl;string s2("hello world");cout << s2.c_str() << endl;//遍历for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++){s1[i]++;}cout << s1.c_str() << endl;//对于const对象迭代器的使用string::iterator it = s1.begin();while (it != s1.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//傻瓜式的替换成迭代器for (auto ch : s1){cout << ch << " ";}cout << endl;print_str(s1);    //print函数的调用cout << endl;}

运行结果:

test2

	void test_string2(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;//insert函数测试s1.insert(5, 'y');s1.insert(0, 'y');cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(5, "yxxxx");cout << s1.c_str() << endl;}

运行结果：

test3

	void test_string3(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(5, 3);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(5, 100);cout << s1.c_str() << endl;}

运行结果：

test4

	void test_string4(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;string s2("xxxxxx");//std::swap(s1, s2);s1.swap(s2);cout << s1.c_str() << endl;}

运行结果：

test5

	void test_string5(){string s1("hello world");string s2(s1);      //需要深拷贝cout << s2.c_str() << endl;string s3 = "xxxxxx";  //需要写赋值构造，因为要考虑空间不同的问题s1 = s3;cout << s1.c_str() << endl;}

运行结果：

test6

	void test_string6(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;  //传统打印//实现直接打印cout << s1 << endl;cin >> s1;cout << s1 << endl;}

运行结果：

5.源码

string.h

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace A  //命名空间
{class string{public://string()   这是默认构造，但是我们可以直接写全缺省的构造函数就不需要这个了//	:_str(new char[1])   //这里不能设置为nullptr，设置了会出现空指针解引用的错误//	, _size(0)//	, _capacity(0)//{//	_str[0] = '\0';      //str初始化为一个\0,与库里面的string相同//}//迭代器---这里的迭代器是我们的原生指针，但是不是所有的容器都是原生指针，这是因为string底层是连续的空间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;}string(const char* str = "")  //这里给一个空的字符串即可,达到缺省的目的{_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];  //这里要加1，因为strlen是不算\0,我们要给他加上strcpy(_str, str);             //开空间了之后进行拷贝}//拷贝构造--防止浅拷贝出现异常，这里就是要实现深拷贝//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string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);}//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string& operator=(string s){swap(s);return *this;}~string()				//析构函数{delete[] _str;_str = nullptr;_size = 0;_capacity = 0;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const //只读函数加const{return _size;}const char& operator[](size_t pos) const  //下标访问数据,返回字符引用,根据需求加const，为了print函数能调用{assert(pos <= _size);  //越界断言return _str[pos];}char& operator[](size_t pos)  //下标访问数据,返回字符引用1.减少拷贝2.可以进行修改{assert(pos <= _size);  //越界断言return _str[pos];}void reserve(size_t n)  //扩容--开新空间，将数据拷贝，在进行释放旧空间{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size == _capacity)  //扩容{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;}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);  //越界断言if (_size == _capacity)  //扩容{size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newCapacity);}size_t end = _size + 1;   //这里采用size+1，为了阻止临界0出现越界while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;_size++;}void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);  //越界断言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;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}void erase(size_t pos, size_t len=npos)  //缺省值{assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size)   //没有传入len，全删{_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}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* str , size_t pos = 0){const char* ptr = strstr(_str, str);if (ptr == nullptr){return npos;}else{return ptr - _str;}}string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos){assert(pos < _size);size_t end = pos + len;if (len == npos || pos + len >= _size)  //有多少取多少{end = _size;}string str;str.reserve(end - pos);for (size_t i = pos; i < end; i++){str += _str[i];}return str;}void clear(){_size = 0;_str[0] = '\0';}private:size_t _capacity = 0;size_t _size = 0;char* _str = nullptr;const static size_t npos = -1;  //特殊处理，本来是不可以，加上const后可以在这里定义//const static double npos = -1;  //这个设计只针对整数，对其他类型都不支持};//流插入重载很特殊在全局重载ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){//直接进行输出即可for (auto ch : s){out << ch;}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char buff[128];        //如果输入的字符串比较长，就需要很多次扩容，使用buff就不需要考虑没空间的问题char ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到//in >> ch;            //cin默认取不到换行和空格int i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}//in >> ch;ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}void print_str(const string& s){for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){cout << s[i] << endl;}cout << s.c_str() << endl;//迭代器的使用  本身可以修改指向的内容不可修改string::const_iterator it = s.begin();while (it != s.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_string1()     //测试函数{string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;string s2("hello world");cout << s2.c_str() << endl;//遍历for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++){s1[i]++;}cout << s1.c_str() << endl;//对于const对象迭代器的使用string::iterator it = s1.begin();while (it != s1.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//傻瓜式的替换成迭代器for (auto ch : s1){cout << ch << " ";}cout << endl;print_str(s1);cout << endl;}void test_string2(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;//s1 += "";//s1 += "assss";//cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(5, 'y');s1.insert(0, 'y');cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(5, "yxxxx");cout << s1.c_str() << endl;}void test_string3(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(5, 3);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(5, 100);cout << s1.c_str() << endl;}void test_string4(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;string s2("xxxxxx");//std::swap(s1, s2);s1.swap(s2);cout << s1.c_str() << endl;}void test_string5(){string s1("hello world");string s2(s1);      //需要深拷贝cout << s2.c_str() << endl;string s3 = "xxxxxx";  //需要写赋值构造，因为要考虑空间不同的问题s1 = s3;cout << s1.c_str() << endl;}void test_string6(){string s1("hello world");cout << s1.c_str() << endl;  //传统打印//实现直接打印cout << s1 << endl;cin >> s1;cout << s1 << endl;}
}

test.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"string.h"
int main()
{//A::test_string1();//A::test_string2();//A::test_string3();//A::test_string4();//A::test_string5();A::test_string6();return 0;
}