【C++进阶】深入STL之string：模拟实现走进C++字符串的世界

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前言：在C++中，string是一个极其重要且常用的类，它为我们提供了丰富的字符串操作功能。然而，了解其背后的实现原理，不仅可以帮助我们更好地使用它，还能让我们对C++的内存管理、模板编程等有更深入的理解。本文将带你走进C++字符串的世界，通过模拟实现一个简单的string类，来探索其内部机制

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

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📒1. string类的成员变量

首先我们要先搞清楚string的成员变量，我们清楚string类在底层实际上就是一个字符指针，在模拟实现string之前，我们创建一个属于自己的命名空间来与库里面的区分

namespace pxt
{class string{public:const char* c_str() const // 为了能更好的实现，我们提前实现以下c.str{return _str;}private:// 成员变量char* _str; // 指向一段空间的指针size_t _size; // 有效字符串长度size_t _capacity; // 空间总大小};
}

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📒2. string的构造函数

🎈无参的构造函数

string():_str(new char[1]{ '\0' }),_size(0), _capacity(0)
{}

注意：在调用无参的构造函数时，库里面并不只是开了空间，它还干了其他事情，所以我们在自己模拟现实时，一定不能用nullptr去初始化，否则就会出错，因此我们放一个'\0'进去！

std::string无参构造：

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🎩带参的构造函数

string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size)
{_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);
}

在带参的构造函数因为常量字符串最后自带了一个'\0'，因此我们什么都不用带

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📒3. string的析构函数

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

string的析构函数非常简单，只需要将空间用delete释放，并且将各个指针置为空，将空间大小变为0

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📒4. string的拷贝构造函数

🔥 浅拷贝

首先我们来看一段拷贝构造的模拟实现：

// 拷贝构造
string(const char* str = "")
{if (nullptr == str){return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);
}// 测试
void test_string()
{string s1("hello world");string s2(s1);
}

为什么会引发异常呢？

我们发现s1和s2都指向都一块空间，在释放时同一块空间是不可以被释放多次的，从而引起了崩溃，而这就是浅拷贝！

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，

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

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💧 深拷贝

// 我们用s作为s1的别名
string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);
}

深拷贝：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享

注意： 关于浅拷贝一定要引起重视！

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📒5. string类的运算符重载

operator=
在operator=上，我们有两种写法

// 传统写法
string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){char* tmp = new char[s._capacity + 1]; // 存放'\0'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(_str, s._str); // swap库中存在，可以直接使用return *this;
}

传统写法

• 传统写法函数的运用引用传参，通过创建中间变量，并开辟空间然后将参数拷贝进中间变量，再把这个中间变量的地址传给this，从而实现了operator=的功能

现代写法

• 现代写法使用了库中的swap函数，从而让函数达到一个简洁的目的，该函数的参数是一个临时拷贝变量，深拷贝后，通过swap交换即可

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operator<, operator==

bool operator<(const string& s) const
{return strcmp(_str, s._str) < 0; // 使用strcmp来比较字符串大小
}bool operator==(const string& s) const
{return strcmp(_str, s._str) == 0;
}

关于比较我们就讲这两个，对于其他的都可用operator<, operator==去进行推导！

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📒6. string容量相关函数

size,capacity,resize,reverse

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

size，capacity这两个函数的模拟实现相对简单，我们简单实现一下就可以

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void reserve(size_t n)
{if (n > _capacity) // n < _capacity时，reserve不会作出回应{char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[]_str;_str = tmp;_capacity = n;}
}

reverse只会改变capacity的大小,并不会改变size的大小

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void resize(size_t n, char ch = '\0')
{if (n < _size) // 当 n < _size时会将size变小到n{_str[n] = '\0';_size = n;}else // 当 n > _size时,就和reserve类似{reserve(n);while (n < _size){_str[_size++] = ch;}_str[_size] = '\0';}
}

resize与reserve类似会改变size大小,但是也会改变capacity大小

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📒7. string常用函数模拟

⭐查找

// 查找单个字符
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;
}
// 查找字符串
size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)
{// strstr为字符串匹配函数const char* p = strstr(_str + pos, sub);if (p){return p - _str;}else{return npos;}
}
// 返回以pos开头，len位置结尾的字符串
string substr(size_t pos, size_t len = npos)
{string s;if (len == npos || len + pos > _size){len = _size - pos;		}reserve(len);for (size_t i = pos; i < _size; i++){s += _str[i];}return s;
}

⭐ 添加

// 尾插单个字符
void push_back(char ch)
{if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';
}
// 插入字符串
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;
}

因为在添加中+=既可以添加字符也可以添加字符串，往往在日常中的使用频率是最高的，所以推荐大家使用+=来代替push_back和append

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📒8. 总结

经过对STL中string的深入探索与模拟实现，我们仿佛揭开了一个隐藏在C++深处的奇妙世界。这个旅程不仅让我们对string这一基础数据类型有了更为深刻的理解，也让我们领略了STL背后的设计理念与精巧实现，让我们携手共进，共同走进C++字符串的奇妙世界！

谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！