C++心决之stl中那些你不知道的秘密(string篇)

目录

1. 为什么学习string类？

1.1 C语言中的字符串

2. 标准库中的string类

2.1 string类

2.2 string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

2. string类对象的操作

3.vs和g++下string结构的说明

3. string类的模拟实现

 3.2 浅拷贝

3.3 深拷贝

3.4 写时拷贝

3.5 string类的模拟实现

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1. 为什么学习string类？

1.1 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。

2. 标准库中的string类

2.1 string类

https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

• 1. 字符串是表示字符序列的类
• 2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作
• 单字节字符字符串的设计特性。
• 3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信
• 息，请参阅basic_string)。
• 4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits
• 和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
• 5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个
• 类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结：

• 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。

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

2.2 string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

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

2. string类对象的操作

PS: 

• 1. 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()。
• 2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
• 3. 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。
• 4. 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。

3.vs和g++下string结构的说明

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

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：

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

union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger onevalue_type _Buf[_BUF_SIZE];pointer _Ptr;char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

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。

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：

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

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

3. string类的模拟实现

PS: string类在自己实现的时候一定要注意浅拷贝问题

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。

 3.2 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 ，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 。

3.3 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

3.4 写时拷贝

写时拷贝就是一种拖延症，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。

https://coolshell.cn/articles/12199.html

https://coolshell.cn/articles/1443.html

3.5 string类的模拟实现

//string.h
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace mystr {class string{public://迭代器, 因为字符串底层内存连续, 所以可以简单的定义成指针typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;//配合范围for循环iterator begin() { return _str; }iterator end() { return _str + _size; }//兼容常量字符串const_iterator begin() const { return _str; }const_iterator end() const { return _str + _size; }//string();string(const char* str = "");string(const string& s);string& operator=(string temp) { swap(temp); return *this; }~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = _capacity = 0; }//返回C语言字符数组const char* c_str() const { return _str; }size_t size() const { return _size; }char& operator[](size_t pos) { assert(pos < _size); return _str[pos]; }const char& operator[](size_t pos) const{ assert(pos < _size); return _str[pos]; }//重置大小void reserve(size_t n);void push_back(char ch) { insert(_size, ch); }void append(const char* str) { insert(_size, str); }string& operator+=(char ch) { insert(_size, ch); return *this; }string& operator+=(const char* str) { insert(_size, str); return *this; };void insert(size_t pos, char ch);void insert(size_t pos, const char* str);void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos);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) { return strstr(_str + pos, str) - _str; }void swap(string& s);string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);bool operator<(const string& s) const { return strcmp(_str, s._str) < 0; }bool operator>(const string& s) const { return !(*this <= s); }bool operator<=(const string& s) const { return !(*this > s); }bool operator>=(const string& s) const { return !(*this < s); }bool operator==(const string& s) const {return strcmp(_str, s._str) == 0; }bool operator!=(const string& s) const { return !(*this == s); }void clear() { _str[0] = '\0'; _size = 0; }private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;//一般static变量的定义要放在类外, 整型是特例const static size_t npos = -1;};void swap(string& s1, string& s2);istream& operator>>(istream& ci, string& s);ostream& operator<<(ostream& co, string& s);
}

//string.cpp
#include "string.h"
namespace mystr {string::string(const char* str):_size(strlen(str)) {_str = new char[_size + 1];_capacity = _size;strcpy(_str, str);}string::string(const string& s) {string temp(s._str);swap(temp);}void string::reserve(size_t n) {if (_capacity < n) {char* temp = new char[n + 1];strcpy(temp, _str);delete[] _str;_str = temp;_capacity = n;}}void string::insert(size_t pos, char ch) {assert(pos <= _size);if (_size == _capacity) {size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;reserve(newcapacity);}size_t end = _size + 1;while (end > pos) _str[end] = _str[end - 1], --end;_str[pos] = ch;_size++;}void 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;memcpy(_str + pos, str, len);_size += len;}void string::erase(size_t pos, size_t len) {if (len > _size - pos) _str[pos] = '\0', _size = pos;else strcpy(_str + pos, _str + pos + len), _size -= len;}void string::swap(string& s) {char* temp = _str;_str = s._str;s._str = temp;std::swap(_size, s._size);}string string::substr(size_t pos, size_t len) {if (len > _size - pos) { string sub(_str + pos); return sub; }else {string sub;sub.reserve(len);for (size_t i = pos; i < pos + len; i++) sub += _str[i];return sub;}}void swap(string& s1, string& s2){ s1.swap(s2); }istream& operator>>(istream& ci, string& s) {s.clear();char ch = ci.get();while (ch != ' ' && ch != '\n') s += ch, ch = ci.get();return ci;}ostream& operator<<(ostream& co, string& s) {for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) co << s[i];return co;}
}

//test.cpp
#include "string.h"
namespace mystr {void test1() {string s1 = "1111";string s2 = s1;cout << s1.c_str() << endl << s2.c_str() << endl;cout << s1.size() << endl;}void test2() {string s1 = "111";string s2 = "222222";s1 = s2;cout << s1.c_str() << endl;}void test3() {string s1 = "111222333";for (auto& i : s1) i += 3;cout << s1.c_str() << endl;const string s2 = "111222333";for (auto& i : s2) cout << i;cout << endl;for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) cout << (s1[i] += 2);cout << endl;}void test4() {string s1 = "sadfsf";s1.insert(2, '-');cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(0, '-');cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(2, "11111");cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(0, "222222");cout << s1.c_str() << endl;}void test5() {string s1 = "asgfidsgf";s1.push_back('-');cout << s1.c_str() << endl;s1.append("=====");cout << s1.c_str() << endl;s1 += 'w';cout << s1.c_str() << endl;s1 += "0000";cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(10);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(7, 100);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(3, 2);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(0);cout << s1.c_str() << endl;}void test6() {string s1 = "ksjfghks";cout << s1.find('h', 2) << endl;cout << s1.find("ghk", 2) << endl;cout << s1.find("ghksgs", 2) << endl;}void test7(){string s1 = "sggsdsdf";string s2 = "sdgfrgdb";cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;swap(s1, s2);cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;s1.swap(s2);cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;string s3 = s1.substr(2, 5);cout << s3.c_str() << endl;}void test8() {string s1, s2;cin >> s1 >> s2;cout << s1 << endl << s2 << endl;}
}
int main() {mystr::test8();return 0;
}