从零开始：C++ String类的模拟实现

引言

在C++编程中，字符串操作是非常常见且重要的任务。标准库中的std::string类提供了丰富且强大的功能，使得字符串处理变得相对简单。然而，对于学习C++的开发者来说，深入理解std::string的内部实现原理是非常有益的。通过亲手实现一个类似的String类，不仅可以帮助我们掌握面向对象编程的基本概念，还能增强我们对内存管理和字符串操作的理解。

在这篇博客中，我们将从零开始，逐步实现一个自定义的C++ String类。我们的目标是构建一个功能完整且高效的字符串类，同时尽可能地模仿std::string的行为。我们将讨论类的基本结构、构造函数和析构函数的实现、基本成员函数的设计、运算符重载、内存管理，以及如何编写测试代码来验证我们的实现。

通过这篇文章，您将学到如何在C++中进行动态内存分配和管理，如何实现深拷贝和移动语义，如何重载运算符以提升类的易用性，等等。无论您是刚刚入门的C++学习者，还是希望深入理解C++底层实现的开发者，这篇文章都将为您提供宝贵的知识和实践经验。

让我们一起来探索C++ String类的实现之旅吧！

1.类的基本结构

1.1定义类

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace lyrics
{class string{public:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;//迭代器iterator begin();iterator end();const_iterator begin()const;const_iterator end()const;//构造函数string(const char* str = "");string(const string& s);//析构函数~string();//const char* c_str() const;//返回大小size_t size() const;//运算符重载char& operator[](size_t pos);const char& operator[](size_t pos)const;//空间扩容void reserve(size_t n);//尾插一个字符void push_back(char ch);//尾插一个字符串void append(const char* str);//运算符重载+=操作string& operator+=(char ch);string& operator+=(const char* str);//插入操作，插入一个字符串和插入一个字符void insert(size_t pos, char ch);void insert(size_t pos, const char* str);//删除某段字符void erase(size_t = 0, size_t len = npos);//查找某个字符串或者字符size_t find(char ch, size_t pos = 0);size_t find(const char* str, size_t pos = 0);//赋值拷贝string& operator=(const string& s);//交换函数void swap(string& s);//取子串string substr(size_t pos = 0, size_t = npos);//比较函数运算符重载bool operator<(const string& s)const;bool operator<=(const string& s)const;bool operator>(const string& s)const;bool operator>=(const string& s)const;bool operator==(const string& s)const;//清理void clear();private:size_t _size;size_t _capacity;char* _str;const static size_t npos;};//非成员函数，，重载流插入和流提取istream& operator>>(istream& is, string& str);ostream& operator<<(ostream& is, string& str);
}

用命名空间形成类域将其与全局作用域隔开，防止发生命名冲突
1.2私有成员变量

1. size_t _size;

_size表示当前string的有效空间

2. size_t _capacity;

_capaciity表示当前string的总的空间容量

3. char _str;*

_str表示存储字符串的指针

4. const static size_t npos;

npos表示一个静态变量

1.3公有成员函数

公有成员函数代码上有标识

2.构造函数和析构函数

2.1构造函数

这里我们直接将构造函数和拷贝构造写成一个函数

string::string(const char* str)//指定类域//strlen的效率很低//初始化列表+写在内部函数:_size(strlen(str))
{_str = new char[_size + 1];_capacity = _size;strcpy(_str, str);
}

2.2赋值拷贝函数

注意：这里赋值拷贝函数由于我们不知道两个串到底有多长，所以我们直接将需要赋值拷贝的串给释放了，然后重新开一个空间，将s中的串拷贝给新的空间，这样虽然很暴力，但是少了很多不必要的讨论

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

2.3c_str函数

const char* string::c_str() const
{return _str;
}

** 2.4析构函数**

由于str的空间是我们手动开辟的所以，需要我们用Delete来释放，这里释放之后将其置位空指针即可，然后重置我们的size和capacity

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

3.基本成员函数

3.1获取字符串长度

size_t string::size() const
{return _size;
}

3.2operator[]重载

这里直接返回pos位置对应的元素即可

char& string::operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _str[pos];//返回pos位置的字符
}

3.3const版本的operator[]重载

//const版本的[]重载
const char& string::operator[](size_t pos)const
{return _str[pos];
}

3.4预开辟空间

注意：这里预开辟的空间要是比实际空间小，则不进行操作，若预开辟的空间比实际空间大，则进行空间的开辟

void string::reserve(size_t n)
{if (n > _capacity){//开新空间char* tmp = new char[n + 1];//拷贝数据strcpy(tmp, _str);//释放新空间delete[] _str;//指向新空间_str = tmp;//更新容量_capacity = n;}
}

3.5尾插

这里尾插一个字符也很简单，先检查一下空间是否允许再插入，如果空间不够则先开辟两倍的空间，如果以前的空间是0，则先预开辟4个空间

//尾插一个字符
void string::push_back(char ch)
{if (_capacity == _size){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}_str[_size++] = ch;_str[_size] = '\0';
}

3.6尾插一个字符串

这里尾插一个字符串，只需要先检查一下空间是否够用，然后再进行尾插，尾插可以直接调用字符串拷贝函数，将字符串拷贝到指定的位置

//尾插一个字符串
void string::append(const char* str)
{size_t len = strlen(str);if (_capacity == _size){reserve(_size + len);//当前的size+len}//strcat(_str, str);//效率不高//从当前位置开始自己去找\0，所以效率不高strcpy(_str + _size, str);//_str+_size就是\0的位置_size += len;
}

3.7迭代器

注意：下面的迭代器iterator是提前在头文件中声明好的，在.cpp文件中直接用，不明白的可以看上面的头文件中的声明

• 非const版本的迭代器

//普通版本的迭代器
string::iterator string::begin()
{return _str;
}
string::iterator string::end()
{return _str + _size;
}

• const版本的迭代器

//const版本的迭代器
string::const_iterator string::begin()const
{return _str;
}
string::const_iterator string::end()const
{return _str + _size;
}

** 3.8operator+=重载**

由于在实际使用中push_back和append的使用确实比较少，，也没有+=方便，所以下面我们直接重载一个operator+=操作，+=操作只需要复用上面的push_back和append即可

//运算符重载
//传引用返回出了作用域这个对象还在
string& string::operator+=(char ch)
{push_back(ch);return *this;
}
string& string::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}

3.9随机插入一个字符串和一个字符

• 插入一个字符

这里还是需要检查一下空间是否重充足，还需要检查一下插入的位置是否合法，insert的效率也不是很高，因为它需要移动插入位置后面的整个子串，当头插的时候时间复杂度变成了O(N)

void string::insert(size_t pos, char ch)
{assert(pos <= _size);if (_capacity == _size){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}size_t end = _size + 1;while (end > pos)//因为有符号和无符号比较，两个类型不同会将有符号强制类型转换成无符号//所以这里直接把pos强制类型转换成int{_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;
}

• 插入一个字符串

插入一个字符串，可以直接服用insert插入单个字符串的版本，这里我写成了注释，大家可以试试，如果不想复用还是可以参考上面插入单个字符串的思路，但是需要注意的是，移动的距离不是1了变成len了，还有一个需要注意的点，就是控制边界条件，当end到达pos+len的时候由于这个位置的元素还是需要被移动，所以这里是大于的是pos+len-1

void string::insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_capacity == _size){reserve(_size + len);//当前的size+len}//第一种方法//int end = len - 1;//while (end >= 0)//{//	insert(pos, str[end]);//	end--;//}size_t end = _size + len;//找到插入的后一个位置while (end > pos + len - 1){_str[end] = _str[end - len];end--;}memcpy(_str + pos, str, len);_size += len;
}

4.0删除某段字符串

注意：在声明中len的缺省参数给的是npos，当我的长度大于pos对应的后面对应的长度的时候，这时候就有多少删多少，所以我们需要判断一下，第一个if判断的就是判断我们删除的长度是否已经超过了后面的长度，如果超过了就直接进入第一个if删除后面的所有，也就是把pos位置置为\0，然后将_size更新，如果不是的话可以直接将pos+len位置的子字符串拷贝到pos位置之后

//从pos位置删除len个字符
void string::erase(size_t pos, size_t len)
{assert(pos < _size);//当删除的长度len大于后面的长度的时候//直接把后面的删完if (len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);//直接把后面的copy到前面_size -= len;}
}

4.1查找函数

• 查找单个字符

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

• 查找字符串

查找字符串的话可以直接用C语言的库函数进行查找

size_t string::find(const char* sub, size_t pos)
{const char* str = strstr(_str + pos, sub);return str - _str;
}

4.2深拷贝

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

4.3交换函数

这里不用库里的交换函数因为库里的交换函数的效率太低了，我们可以简单看看库里交换函数的代码

这里可以看到库里的swap函数是直接拷贝构造一个零时的对象，然后进行两次赋值拷贝，这样做效率是极低的，因为是内置类型，两次赋值拷贝都会进行创建新空间，然后释放旧的空间，这样的成本是很大的，所以可以直接写一个swap对内置类型进行交换，直接交换两个指针的指向，还有size和capacity即可

void string::swap(string& s)
{//内置类型交换代价更小std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);
}

4.4取子串

string string::substr(size_t pos, size_t len)
{//检查pos是否合法assert(pos <= _size);//如果len大于后面的长度那么就后面有多少取多少if (len > _size - pos){//直接取后面的子串string sub(_str + pos);//从pos位置开始进行拷贝构造！！！！//返回子串return sub;}else{//构造子串string sub;//预开辟空间sub.reserve(len);//循环拷贝for (size_t i = 0;i < len;i++){sub += _str[pos + i];}//返回子串return sub;}
}

4.5比较函数operator的一系列重载

这里只需要重载两个即可，其他的只需要进行复用就够了，比较函数的重载可以直接调用C语言中的字符串比较函数

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

4.6流插入和流提取

• 流插入

注意：流插入重载的时候需要清除前面的字符串，所以这里我们提供了一个clear函数进行以前字符串的清理，这里由于is不能识别空格或者回车，所以我们直接调用is的成员函数get，get可以识别空格和回车，然后识别到回车之后，直接停止赋值，返回值是istream

void string::clear()
{_str = '\0';_size = 0;
}
istream& operator>>(istream& is, string& str)
{str.clear();char ch = is.get();while (ch != ' '&& ch != '\n'){str += ch;}return is;
}

• 流提取

流提取也不用直接访问成员变量，流提取可以直接一个字符一个字符的访问，通过operator[]的重载访问，一个一个大打印

ostream& operator<<(ostream& os, string& str)
{for (size_t i = 0;i < str.size();i++){os << str[i];}return os;
}

总结

在这篇博客中，我们从零开始，逐步实现了一个自定义的 C++ String 类。通过这个过程，我们不仅深入了解了字符串操作的内部工作原理，还掌握了许多 C++ 编程的重要概念和技巧。让我们回顾一下我们在这篇文章中所做的工作：

1. 类的基本结构
   我们定义了 String 类的基本结构，包括私有成员变量和公共成员函数。我们了解了如何封装数据，保护类的内部实现细节，并提供一个干净的公共接口。

2. 构造函数和析构函数
   我们实现了默认构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数和析构函数，确保我们的 String 类能够正确地初始化、复制、移动和销毁对象。我们讨论了深拷贝和移动语义的区别，以及如何有效地管理资源。

3. 基本成员函数
   我们实现了获取字符串长度的 length 函数和返回 C 风格字符串的 c_str 函数。这些函数使我们的 String 类更实用，并与 C++ 标准库中的 std::string 类的行为保持一致。

4. 运算符重载
   我们重载了拷贝赋值运算符和移动赋值运算符，以确保我们的 String 类支持赋值操作，同时有效地管理内存。我们还可以进一步扩展，重载其他运算符，如加法运算符和比较运算符。

5. 内存管理
   我们深入探讨了动态内存分配和释放的细节，确保我们的 String 类不会产生内存泄漏。通过使用 RAII（资源获取即初始化）原则，我们构建了一个健壮且高效的字符串类。

6. 示例和测试
   通过示例代码和单元测试，我们验证了 String 类的正确性和功能。这不仅提高了我们的代码质量，也帮助我们发现并修复了潜在的问题。

7. 优化与改进
   虽然我们的 String 类已经具备了基本功能，但还有许多可以进一步优化和扩展的地方。我们可以添加更多的成员函数，如子字符串查找、字符串替换等，来增强类的功能。此外，性能优化也是一个重要方面，可以通过减少不必要的内存分配和拷贝来实现。

通过实现这个自定义的 String 类，我们不仅学会了如何在 C++ 中操作字符串，还增强了我们的面向对象编程技能和内存管理能力。希望这篇文章能够激发您对 C++ 编程的兴趣，并鼓励您继续探索和学习更多的编程技巧和设计模式。

感谢您的阅读！如果您有任何问题或建议，请随时在评论区留言，我们将一起讨论和交流。