【c++篇】：模拟实现string类--探索字符串操作的底层逻辑

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前言

在上一篇文章中，我们了解到了std::string类的常用接口函数以及如何熟练使用。在这片文章中，我们将深入探讨如何模拟实现一个基本的string类。我们的目的不是创建一个功能完整的string库，而是通过这个过程来学习字符串处理的基本原理和常见的实现技巧。通过模拟实现string类，我们不仅能够深入理解字符串的内部工作原理，还能锻炼我们的编程能力，提高解决问题的能力，希望这篇文章能过为你的编程之旅提供有价值的参考和启发。

注意：模拟实现string类需要用到三个文件

• test.cpp文件用来进行测试
• string.cpp文件用来定义接口函数(部分较为短小的函数将会直接在string.h文件中定义)
• string.h文件用来声明头文件和string类

一.string类的默认成员函数以及深拷贝

1.基本框架

为了和库里面的std::string类进行区分，我们首先定义一个命名空间Mystring用来封装我们自己模拟实现的string类。

基本框架如下：

namespace Mystring{class string{Public:static const size_t npos=-1;//成员函数private://成员变量char* _str;size_t _size;size_t capacity;};
}

• _str在堆上开辟动态内存用来存储string对象的数据。
• _size用来记录string对象的实际大小。
• _capacity用来记录当前string对象可存储的最大容量。
• npos是一个无符号整形的最大值，在查找等相关函数会用到。

2.默认成员函数

前面我们知道，一个类中有六个默认成员函数（在我之前的文章类和对象（二）中有关于默认成员函数的详细讲解，不清楚的可以看我之前的文章），在模拟实现string类时，我们只需要实现常用的四个（构造函数，析构函数，拷贝构造函数，赋值运算符重载）即可。

1.构造函数

• 代码实现：

  //string.h中声明
  string(const char* str = "");
  //string.cpp中定义
  Mystring::string::string(const char* str)
  :_size(strlen(str))
  ,_capacity(_size)
  ,_str(new char[_size+1])
  {memcpy(_str,str,_size+1);
  }
  

• 实现原理：

  • str字符串作为常量参数用来创建string对象，缺省值为空字符串（当没有参数时就是创建一个空对象），缺省值要在声明中给，不能再定义中给。
  • _size字符串大小和_capacity容量初始化值为参数str字符串的大小(strlen(str))。
  • _str指针用来指向存储string对象的动态内存，开辟空间的大小为参数str字符串的大小加一，加一是为了存放结尾的’\0’，开辟空间后要将str字符串内容拷贝到开辟的动态内存。

2.析构函数

• 代码实现：

  //string.h文件中声明
  ~string();
  //string.cpp文件中定义
  Mystring::string::~string(){delete[] _str;_str=nullptr;_size=0;_capacity=0;
  }
  

• 实现原理：

  • 释放动态内存空间，再将_str指针置为空指针。
  • _size字符串大小和_capacity容量置为0。

3.拷贝构造函数（深拷贝）

• 代码实现：

  //string.h文件中声明
  string(const string&s);
  //string.cpp文件中定义
  Mystring::string::string(const string&s)
  {_str=new char[s._capacity+1];strcpy(_str,s._str);_size=s._size;_capacity=s._capacity;
  }
  

• 实现原理：

  • 用一个string对象拷贝构造一个新的string对象，拷贝构造函数需要完成深拷贝。
  • 先用字符串s的容量作为新空间的大小申请一个新的动态内存空间，再将s字符串的数据拷贝到新的内存空间中。
  • 新的string对象的_size和_capacity分别是原string对象的_size和_capacity.

4.赋值运算符重载（深拷贝）

• 代码实现：

  //string.h文件中声明
  string& operator=(const string&s);
  //string.cpp文件中定义
  Mystring::string& Mystring::string::operator=(const string&s)
  {char* tmp=new char[s._capacity+1];memcpy(tmp,s._str,s._size+1);delete[] _str;_str=tmp;_capacity=s._capacity;_size=s._size;return *this;
  }
  

• 实现原理：

  • 赋值和拷贝构造的不同点在于，拷贝构造是用已有的对象拷贝构造一个新的对象；而赋值是用一个已存在的对象赋值给另一个已存在的对象，赋值也是需要完成深拷贝。
  • 先用赋值对象s的容量大小申请一个新的动态内存空间，设置一个新的tmp指针先指向这块空间，再将赋值对象s的数据拷贝到新的内存空间中。
  • 释放被赋值对象的原有空间，再将被赋值对象的_str指针指向新的内存空间。
  • 被赋值对象的_size和_capacity分别是赋值对象s的_size和_capacity.

3.什么是深拷贝

深拷贝（Deep Copy）是对象复制操作中的一种，它不仅仅复制对象的表层数据（如指针或引用），还会递归地复制对象内部所有动态分配的内存、引用的其他对象或其他资源。这样，复制出来的新对象与原始对象在内存中是完全独立的，对它们的修改不会影响到彼此。

深拷贝的必要性

当对象包含指向动态分配内存的指针或其他需要管理的资源时，浅拷贝（仅复制指针值）会导致两个对象共享同一块内存。这可能会引发以下问题：

1. 数据损坏：一个对象修改了它共享的内存中的数据，导致另一个对象看到的数据也发生了变化。
2. 内存泄漏：如果两个对象都认为自己拥有这块内存，并在析构时尝试释放它，就会导致重复释放内存的错误（double free），进而可能导致程序崩溃。
3. 资源管理混乱：如果对象还管理其他资源（如文件句柄、网络连接等），共享这些资源可能会导致资源被意外关闭或重复访问。

深拷贝的实现

实现深拷贝通常涉及以下几个步骤：

1. 为新对象分配内存：如果原始对象包含动态分配的内存，深拷贝的第一步是为新对象分配相应的内存空间。
2. 复制数据：将原始对象中的数据复制到新分配的内存中。如果数据本身也是对象（即对象包含指向其他对象的指针），则需要递归地应用深拷贝。
3. 更新指针：将新对象的指针成员指向新分配的内存，而不是原始对象的内存。
4. 处理其他资源：如果对象管理其他资源（如文件、网络连接等），则需要确保新对象也能正确地获取或创建这些资源的副本。

4.测试

测试代码如下：

void test1(){//创建s1对象Mystring::string s1("hello world");//用s1对象拷贝构造s2对象Mystring::string s2(s1);//将s1对象赋值给s3对象Mystring::string s3("hello");s3=s1;
}

测试结果如下：

二.string类的访问和迭代器相关函数

1.访问相关函数

• at()函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  char& at(size_t pos)
  {//断言检查pos是否符合字符串的范围assert(pos<_size);//直接返回字符数组对应下标上的字符即可return _str[pos];
  }
  

• operator[]函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  //和at()函数同理
  char& operator[](size_t pos)
  {assert(pos<_size);return _str[pos];
  }
  

2.迭代器相关函数

1.普通string对象的迭代器

• 类型定义：

  //普通string对象的迭代器类型
  typedef char* iterator;
  

• begin()函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  iterator begin()const
  {//返回_str首元素的地址return _str;
  }
  

• end()函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  iterator end()const
  {//返回_str最后一个元素的下一个位置的地址return _str+_size;
  }
  

2.const string对象的迭代器

• 类型定义：

  //const string对象的迭代器类型
  typedef const char* const_iterator;
  

• cbegin()函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  const_iterator begin()const
  {//返回_str首元素的地址return _str;
  }
  

• cend()函数代码实现：

  //string文件中声明和定义
  const_iterator end()const
  {//返回_str最后一个元素的下一个位置的地址return _str+_size;
  }
  

3.测试

测试代码如下：

void test2(){Mystring::string s1("hello world");//使用opreator[]打印s1for(size_t i=0;i<s1.size();i++){cout<<s1[i]<<" ";}cout<<endl;//使用普通对象的迭代器打印s1Mystring::string::iterator it=s1.begin();while(it!=s1.end()){cout<<*it<<" ";it++;}cout<<endl;//使用const对象的迭代器打印s2const Mystring::string s2("hello");Mystring::string::const_iterator rit=s2.begin();while(rit!=s2.end()){cout<<*rit<<" ";rit++;}cout<<endl;
}

测试结果如下：

三.string类的容量相关函数

1.容量大小相关函数

获取string对象的大小需要使用size()函数，获取容量则需要使用capacity()函数

• size()函数代码实现:

  //string.h文件中声明和定义
  //直接返回_size即可
  size_t size()
  {return _size;
  }
  

• capacity()函数代码实现：

  //string.h文件中声明和定义
  //直接返回_capacity即可
  size_t capacity()
  {return _capacity;
  }        

2.扩容相关函数

string类扩容相关的函数主要是reserve()和resize()。

• reserve()函数代码实现：

  //string.h文件中声明
  void reserve(size_t);
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::string::reserve(size_t n)
  {if(n>_capacity){char*tmp=new char[n+1];memcpy(tmp,_str,_size+1);delete[] _str;_str=tmp;_capacity=n;}
  }
  

• 实现原理：

  • 首先判断需要扩容的大小n是否大于原容量大小_capacity，如果小于则不进行扩容，大于时就需要扩容。
  • 扩容时先开辟内存大小为(n+1)的动态内存空间，在设置一个新的字符指针tmp指向新的内存空间，然后将原string对象的数据拷贝到新的内存空间中。
  • 释放原string对象的_str指针，再从新指向开辟的新内存空间，最后更改内存大小为n。

• resize()函数代码实现：

  //string.h文件中声明
  void resize(size_t n,char ch='\0');
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::string::resize(size_t n,char ch)
  {if(n>_capacity){reserve(n);}if(n>_size){for(size_t i=_size;i<n;i++){_str[i]=ch;}}_size=n;_str[_size]='\0';}
  

• 实现原理：

  • 首先依然是需要判断扩容的大小n是否大于原容量大小_capacity，和reserve()函数不同的是，resize对于扩容大小n小于原容量大小时会发生截断，大于时就会进行扩容操作，这里扩容操作直接调用reserve()函数即可。

  • 如果扩容大小n大于原string对象的_size，需要将多余的空间初始化为参数ch，参数ch的缺省值设置为’\0’（要在声明中给），没有传参时，默认初始化为0。

3.测试

测试代码如下：

void test3(){Mystring::string s1("hello world");cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;//s1容量扩为15s1.reserve(15);cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;//s1容量扩为20，多余空间用字符a填充s1.resize(20,'a');cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;cout<<s1<<endl;//s1缩容为8，发生截断s1.resize(8);cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;cout<<s1<<endl;
}

测设结果如下：

四.string类的修改相关函数

1.拼接操作相关函数

• 1.push_back()函数实现：

  //string.h文件中声明
  void push_back(char ch);
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::string::push_back(char ch)
  {if(_size==_capacity){reserve(_capacity==0?4:2*_capacity);}_str[_size]=ch;_size++;_str[_size]='\0';
  }
  

  2.实现原理：

  • push_back()函数的功能是尾插单个字符，在尾插之前要先判断是否需要扩容，在扩容时，如果需要尾插的string对象是空对象扩容 大小先设置为4，如果不是空对象则扩容大小是原容量的二倍，扩容直接调用reserve()函数即可。
  • 插入时，将原来字符串的’\0’位置存放插入的字符ch，再将大小_size增加一，最后重新在字符串的结尾加上’\0’。

• 1.append()函数实现：

  append()函数有两种不同的实现，一个是在原string对象后增加单个字符，一个是增加字符串。

  //string.h文件中声明
  void append(char ch);                
  void append(const char* str);  
  //string.cpp文件中定义
  //增加单个字符
  void Mystring::string::append(char ch)
  {push_back(ch);
  }
  //增加字符串
  void Mystring::string::append(const char* str)
  {size_t len=strlen(str);if(_size+len>_capacity){reserve(_size+len);}//_str加上_size就是原字符串结尾的位置，插入的字符串拷贝到原字符串后面memcpy(_str+_size,str,len+1);_size+=len;
  }
  

  2.实现原理：

  • 增加单个字符直接调用push_back函数。
  • 增加字符串时，先获取插入字符串的大小len，然后判断原字符串的大小加上插入字符串的大小是否大于容量_capacity，如果大于需要先进行扩容，扩容大小为原字符串的大小加上插入字符串的大小。
  • 将插入的字符串拷贝到原字符串后面，拷贝大小为len+1，然后修改_size值。

• 1.operator+=函数实现：

  operator+=函数和append()函数一样有两种不同的实现，在原string对象后增加单个字符和字符串。

  //string.h文件中声明
  string& operator+=(char ch);         
  string& operator+=(const char* str); 
  //string.cpp文件中定义
  //增加单个字符
  Mystring::string& Mystring::string::operator+=(char ch)
  {push_back(ch);return *this;
  }
  //增加字符串
  Mystring::string& Mystring::string::operator+=(const char* str)
  {append(str);return *this;
  }
  

  2.实现原理：

  • 增加单个字符直接调用push_back()函数，最后要返回this指针。
  • 增加字符串直接调用append(const char* str)函数，最后返回this指针。

2.插入操作相关函数

• insert()函数实现：

  1.插入n个字符：

  //string.h文件中声明
  void insert(size_t pos,size_t n,char ch);
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::string::insert(size_t pos,size_t n,char ch)
  {assert(pos<_size);if((_size+n)>_capacity){reserve(_size+n);}size_t end=_size;while(end>=pos&&end!=npos){_str[end+n]=_str[end];end--;}for(size_t i=0;i<n;i++){_str[pos+i]=ch;}_size+=n;}
  

  实现原理：

  • 如果原字符串大小加上插入的个数大于容量大小时，需要先进行扩容，扩容大小为原字符串大小加上插入的个数。
  • 将插入位置后面的数据依次往后移动n个位置。
  • 再将移动后空出来的位置插入n个字符ch。最后修改_size大小。

  2.插入字符串：

  //string.h文件中声明
  void insert(size_t pos,const char*str);
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::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;while(end>=pos&&end!=npos){_str[end+len]=_str[end];end--;}for(size_t i=0;i<len;i++){_str[pos+i]=str[i];}_size+=len;
  }
  

  实现原理：

  • 插入字符串和插入n个字符原理相同，不同点是，最后插入时，需要依次插入字符串的字符。

3.删除操作相关函数

• erase()函数实现：

  //string.h中声明
  void erase(size_t pos,size_t len=npos);
  //string.cpp文件中定义
  void Mystring::string::erase(size_t pos,size_t len)
  {assert(pos<_size);if(len==npos||pos+len>=_size){_size=pos;_str[_size]='\0';}else{size_t end=len+pos;while(end<=_size){_str[pos++]=_str[end++];}_size-=len;}
  }
  

• 实现原理：

  • 删除要分为两种情况，第一种，如果删除的个数大于_size或者len等于npos值，直接从pos位置将后面全部删除。
  • 第二种，依次将后面的字符往前移动，从而达到删除的目的。

4.测试

测试代码如下：

void test4(){//创建一个空对象s1Mystring::string s1;//s1追加字符串hellos1.append("hello");cout<<s1<<endl;//s1追加字符串worlds1+="world";cout<<s1<<endl;//s1尾插字符！s1.push_back('!');cout<<s1<<endl;//在s1下标为6的位置插入***s1.insert(6,"***");cout<<s1<<endl;//删除s1下标为10后面的所有字符s1.erase(10);cout<<s1<<endl;//删除s1下标为5后面的三个字符s1.erase(5,3);cout<<s1<<endl;
}

测试结果如下：

五.string类的流插入和流提取函数

• 1.operator<<流插入函数实现：

  //string.h文件中声明
  ostream& operator<<(ostream& out,const string&s);
  //string.cpp文件中定义
  ostream& Mystring::operator<<(ostream& out,const string&s)
  {cout<<"operator<<"<<endl;for(auto e:s){out<<e;}return out;
  }
  

• 1.operator>>流提取函数实现：

  //string.h文件中声明
  istream& operator>>(istream &in,string &s);
  //string.cpp文件中定义
  istream& Mystring::operator>>(istream &in, string &s)
  {cout<<"operator>>"<<endl;s.clear();char ch = in.get();// 处理前缓冲区前面的空格或者换行while (ch == ' ' || ch == '\n'){ch = in.get();}char buff[128];int i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;
  }
  

测试代码如下：

void test5(){Mystring::string s1;//输入cin>>s1;//输出cout<<s1<<endl;
}

六.string类完整代码

1.string.h头文件代码

#include<iostream>
#include<string>
#include<string.h>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace Mystring{class string{public:static const size_t npos=-1;//构造函数string(const char* str = "");//析构函数~string();//拷贝构造函数string(const string&s);//赋值运算符重载string& operator=(const string&s);//c格式打印const char* c_str(){return _str;}//容量大小size_t size(){return _size;}size_t capacity(){return _capacity;}//扩容void reserve(size_t n);void resize(size_t n,char ch='\0');void clear(){_size=0;_str[_size]='\0';}//访问方式char& operator[](size_t pos){assert(pos<_size);return _str[pos];}char& at(size_t pos){assert(pos<_size);return _str[pos];}//迭代器typedef char* iterator;iterator begin() {return _str;}iterator end() {return _str+_size;}typedef const char* const_iterator;const_iterator begin()const {return _str;}const_iterator end()const {return _str+_size;}//修改void push_back(char ch);            void append(char ch);                void append(const char* str);        string& operator+=(char ch);         string& operator+=(const char* str); void insert(size_t pos,size_t n,char ch);void insert(size_t pos,const char*str);void erase(size_t pos,size_t len=npos);//查找size_t find(char ch,size_t pos=0);size_t find(const char*str,size_t pos=0);//友元函数friend ostream& operator<<(ostream& out,const string&s);friend istream& operator>>(istream& in,string&s);private:int _size;int _capacity;char* _str;};//非string成员函数ostream& operator<<(ostream& out,const string&s);istream& operator>>(istream& in,string&s);
}

2.string.cpp函数定义文件代码

#include"string.h"Mystring::string::string(const char* str)
:_size(strlen(str))
,_capacity(_size)
,_str(new char[_size+1])
{cout<<"string()"<<endl;memcpy(_str,str,_size+1);
}Mystring::string& Mystring::string::operator=(const string&s)
{cout<<"operator="<<endl;char* tmp=new char[s._capacity+1];memcpy(tmp,s._str,s._size+1);delete[] _str;_str=tmp;_capacity=s._capacity;_size=s._size;return *this;
}Mystring::string::~string(){cout<<"~string()"<<endl;delete[] _str;_str=nullptr;_size=0;_capacity=0;
}Mystring::string::string(const string&s)
{cout<<"string()"<<endl;_str=new char[s._capacity+1];strcpy(_str,s._str);_size=s._size;_capacity=s._capacity;
}void Mystring::string::reserve(size_t n)
{if(n>_capacity){char*tmp=new char[n+1];memcpy(tmp,_str,_size+1);delete[] _str;_str=tmp;_capacity=n;}
}void Mystring::string::resize(size_t n,char ch)
{if(n>_capacity){reserve(n);}if(n>_size){for(size_t i=_size;i<n;i++){_str[i]=ch;}}_size=n;_str[_size]='\0';}void Mystring::string::push_back(char ch)
{if(_size==_capacity){reserve(_capacity==0?4:2*_capacity);}_str[_size]=ch;_size++;_str[_size]='\0';
}void Mystring::string::append(char ch)
{push_back(ch);
}void Mystring::string::append(const char* str)
{size_t len=strlen(str);if(_size+len>_capacity){reserve(_size+len);}memcpy(_str+_size,str,len+1);_size+=len;
}Mystring::string& Mystring::string::operator+=(char ch)
{push_back(ch);return *this;
}Mystring::string& Mystring::string::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}size_t Mystring::string::find(char ch,size_t pos)
{assert(pos<_size);for(size_t i=pos;i<_size;i++){if(_str[i]==ch){return i;}}return npos;
}size_t Mystring::string::find(const char*str,size_t pos)
{assert(pos<_size);const char* ptr=strstr(_str+pos,str);if(ptr){return ptr-_str;}else{return npos;}
}void Mystring::string::insert(size_t pos,size_t n,char ch)
{assert(pos<_size);if((_size+n)>_capacity){reserve(_size+n);}size_t end=_size;while(end>=pos&&end!=npos){_str[end+n]=_str[end];end--;}for(size_t i=0;i<n;i++){_str[pos+i]=ch;}_size+=n;}void Mystring::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;while(end>=pos&&end!=npos){_str[end+len]=_str[end];end--;}for(size_t i=0;i<len;i++){_str[pos+i]=str[i];}_size+=len;
}void Mystring::string::erase(size_t pos,size_t len)
{assert(pos<_size);if(len==npos||pos+len>=_size){_size=pos;_str[_size]='\0';}else{size_t end=len+pos;while(end<=_size){_str[pos++]=_str[end++];}_size-=len;}
}ostream& Mystring::operator<<(ostream& out,const string&s)
{//cout<<"operator<<"<<endl;for(auto e:s){out<<e;}return out;
}istream& Mystring::operator>>(istream &in, string &s)
{cout<<"operator>>"<<endl;s.clear();char ch = in.get();// 处理前缓冲区前面的空格或者换行while (ch == ' ' || ch == '\n'){ch = in.get();}char buff[128];int i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i != 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;
}

3.test.cpp测试文件代码

#include"string.h"void test1(){//创建s1对象Mystring::string s1("hello world");//用s1对象拷贝构造s2对象Mystring::string s2(s1);//将s1对象赋值给s3对象Mystring::string s3("hello");s3=s1;
}void test2(){Mystring::string s1("hello world");//使用opreator[]打印s1for(size_t i=0;i<s1.size();i++){cout<<s1[i]<<" ";}cout<<endl;//使用普通对象的迭代器打印s1Mystring::string::iterator it=s1.begin();while(it!=s1.end()){cout<<*it<<" ";it++;}cout<<endl;//使用const对象的迭代器打印s2const Mystring::string s2("hello");Mystring::string::const_iterator rit=s2.begin();while(rit!=s2.end()){cout<<*rit<<" ";rit++;}cout<<endl;
}void test3(){Mystring::string s1("hello world");cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;//s1容量扩为15s1.reserve(15);cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;//s1容量扩为20，多余空间用字符a填充s1.resize(20,'a');cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;cout<<s1<<endl;//s1缩容为8，发生截断s1.resize(8);cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;cout<<s1<<endl;
}void test4(){//创建一个空对象s1Mystring::string s1;//s1追加字符串hellos1.append("hello");cout<<s1<<endl;//s1追加字符串worlds1+="world";cout<<s1<<endl;//s1尾插字符！s1.push_back('!');cout<<s1<<endl;//在s1下标为6的位置插入***s1.insert(6,"***");cout<<s1<<endl;//删除s1下标为10后面的所有字符s1.erase(10);cout<<s1<<endl;//删除s1下标为5后面的三个字符s1.erase(5,3);cout<<s1<<endl;
}void test5(){Mystring::string s1;//输入cin>>s1;//输出cout<<s1<<endl;}int main()
{//test1();//test2();//test3();//test4();test5();return 0;
}

以上就是关于如何模拟实现string类的讲解，如果哪里有错的话，可以在评论区指正，也欢迎大家一起讨论学习，如果对你的学习有帮助的话，点点赞关注支持一下吧！！！