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【C++语言】string 类

news 2025/11/28 13:45:27

一、为什么要学习 string 类

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，有可能会发生越界访问。

二、标准库中的 string 类

2.1 string 类（了解）

字符串是表示字符序列的类
标准的字符串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，但是添加了专门用于操作单字节字符串的设计特性
string 类是使用 char（即作为他的字符类型，使用他的默认 char_traits 和分配器类型）
string 类是 basic_string 模版类的一个实例，他使用 char 来实例化 basic_string 模版类，并用 char_traits 和 allocator 作为 basic_string 的默认参数
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者变长字符（如UTF-8）的序列，这个类的所有成员（比如长度或者大小）以及他的迭代器，将仍然按照字节（而不是实际编码的字符）来操作。

总结：

string 是表示字符串的字符串类
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
string 在底层实际上是：basic_string 模版类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string
不能操作多字节或者变长字符的序列

2.2 string 类的常用接口说明

2.2.1 string 类对象的常见构造

（constructor）函数名称	功能说明
string()（重点）	构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s)（重点）	用C-string来构造string类对象
string(size_t n, char c)	string类对象中包含n个字符c
string(const string& s)（重点）	拷贝构造函数

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
}

2.2.2 string 类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size（重点）	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty（重点）	检测字符串是否为空串，是，返回true；不是，返回false
clear（重点）	清空有效数据
reserve（重点）	为字符串预留空间
resize（重点）	将有效字符的个数改为n个，多出的空间用字符c填充

注意：

size() 和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，基本都是使用 size()
clear() 只是将 string 中的有效字符清空，不改变底层空间的大小
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
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

2.2.3 string 类对象的访问以及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[]（重点）	返回 pos 位置的字符，const string 类对象调用
begin + end	begin 获取一个字符的迭代器 + end 获取最后一个字符的迭代器
rbegin + rend	rend 获取一个字符的迭代器 + rbegin 获取最后一个字符的迭代器
范围 for	C++11 支持更简洁的范围for的新遍历方式

2.2.4 string 类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串末尾插入字符c
append	在字符串后追加一个字符串
operator +=（重点）	在字符串后追加字符串str
c_str（重点）	返回c格式的字符串
find + npos（重点）	从字符串 pos 位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串 pos 位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置
substr	在 str 中从 pos 位置开始，截取 n 个字符，然后将其返回

注意：

在 string 尾部追加字符时，s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c' 三种的实现方式差不多，一般情况下 string 类的 += 操作用的比较多，+= 操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
对 string 进行操作时，如果能够预估放多少字符，可以先通过 reserve 把空间预留好。

2.2.5 string 类对象的非成员函数

函数名称	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>（重点）	输入运算符重载
operator<<（重点）	输出运算符重载
getline（重点）	获取一行字符串
relational operators（重点）	大小比较

2.2.6 vs 和 g++ 下 string 结构的说明

注意：下述结构是在32位平台下进行验证的，32位平台下指针占4个字节

2.2.6.1 vs下的string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，俩呢体用来定义 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

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;

这样的设计是有一定的道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那么 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们不需要通过堆创建，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：16 + 4 + 4 + 4 = 28个字节。

2.2.6.2 g++下的string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

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

三、string 类的模拟实现

3.1 经典的string类问题

我们自己来模拟实现 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。下面这个实现是有问题的：

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：上述的string类没有显示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，当使用 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 和 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 深拷贝和浅拷贝

3.2.1 浅拷贝

浅拷贝：也称为位拷贝，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，但是此时另一个对象不知道该资源已经被释放掉，以为还有效，所以当继续对资源进行操作时，就会发生了访问违规。

可以使用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每一个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。

3.2.2 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。一般情况下都是按照深拷贝方式提供的。

3.3 模拟 string 类

3.3.1 传统版写法

class String
{
public: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(const String& s): _str(new char[strlen(s._str) + 1]){strcpy(_str, s._str);}String& operator=(const String& s){if (this != &s){char* pStr = new char[strlen(s._str) + 1];strcpy(pStr, s._str);delete[] _str;_str = pStr;}return *this;}~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}private:char* _str;
};

3.3.2 现代版写法

class String
{
public:String(const char* str = ""){if (nullptr == str){assert(false);return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}String(const String& s): _str(nullptr){String strTmp(s._str);swap(_str, strTmp._str);}String& operator=(String s){swap(_str, s._str);return *this;}~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}
private:char* _str;
};

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，就给技术增加1，当某一个对象被销毁时，先给该计数减一，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。

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