【C++】string类

发布于：2025-05-11 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

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C++ 中的 string类 相较于其他语言（Java、python等）的 string类 感觉更像是对 char 数组的封装。因为 C++ 的 string类 暴露了 C 风格的字符串的指针，所以允许直接操作底层数据。而 Java、python 等语言中，用户无法直接访问或修改底层数组，只能通过接口生成新字符串。

1. 标准库中的 string类

1.1 使用前提

在使用 string 类时，必须包含 #include <iostream> 以及 using namespace std;，当然因为 string 类是在 std 的命名域中，你不展开标准库的命名域，直接使用 std::string 也是可以的。

1.2 auto 和 范围for

之前的文章中，我们就提到过 auto 和范围for，string 中就存在着迭代器，所以它也是能够支持使用这种写法的。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string str("hello world");
	for (auto c : str)
	{
		cout << c;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

1.3 string类的常用接口

  1. string类对象的常见构造
函数名称 功能说明
string() 构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) 用C-string来构造string对象
string(size_t, char c) string类对象中包含n个字符c
string(const string& s) 拷贝构造函数 
void Teststring()
{
	string s1; // 构造空的string类对象s1
	string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
	string s3(s2); // 拷贝构造s3
}
  1. string类对象的容量操作
函数名称 功能说明
size 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 检测字符串是否为空，是返回true，否则返回false
clear 清空有效字符
reverse 为字符串预留空间
resize 将有效字符串的个数改成n个，多出的空间用字符 c 填充

注意：

  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。
  1. string类对象的访问及遍历操作
函数名称 功能说明
operator[] 返回pos位置的字符，const string类对象使用
begin+end begin 获取一个字符的迭代器，end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend rbegin 获取最后一个字符的迭代器，rend 获取第一个字符前一个位置的迭代器
范围for C++11 支持
  1. string类对象的修改操作
函数名称 功能说明
push_back 在字符串后尾插字符c
append 在字符串后追加一个字符串
operator+= 在字符串后追加字符串str
c_str 返回C风格字符串
find + npos 从字符串pos位置开始找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind 从字符串pos位置开始向前找字符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：

  1. 在string尾部追加字符时，s.push_back© / 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。
  2. 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好
  1. string类非成员函数
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>> 输入运算符重载
operator<< 输出运算符重载
getline 获取一行字符串
relational operators 大小比较
  1. 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，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：
      • 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 one
	value_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
在这里插入图片描述

  • 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：
    • 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;
};

2. string类的模拟实现

值得讲一下的也就是拷贝构造和赋值重载两个深拷贝有关的。

2.1 传统写法的拷贝构造和赋值重载

		// 拷贝构造
		string(const string& s)
		{
			_str = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
		}
		
		// 赋值重载
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				delete[] _str;

				_str = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(_str, s._str);
				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}

			return *this;
		}

虽然说这样也可以实现，但是其实代码量挺大的，可以用现代写法去替代。

2.2 现代写法的拷贝构造和赋值重载

现代写法其实就是通过构造出我们要拷贝的内容，然后直接交换相应的数值和指针，写法简单很多。

void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}

// 拷贝构造的现代写法
string(const string& s)
{
	string tmp(s._str); // 直接通过s构造一个一样的tmp
	swap(tmp); // 再交换
}

/* 还可以优化
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		string tmp(s);
		swap(tmp);
	}
	return *this;
}*/

// 赋值重载的现代写法
string& operator=(string tmp) // 原来是传一个const引用，但是其实你进行赋值还是要拷贝tmp里面的内容，不如直接让编译器进行构造，然后交换
{
	swap(tmp);
	return *this;
}

string.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <string>

using namespace std;

namespace zkp
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;

		}

		const iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}

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

		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			//strcpy(_str, str); 不知道为什么这里会报不安全的错误，最上面都已经加了那串东西了
			for (int i = 0; i < _size; ++i)
			{
				_str[i] = str[i];
			}
			_str[_size] = '\0';
		}

		/* 太传统了
		string(const string& s)
		{
			_str = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
		}
		*/

		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

		// 拷贝构造的现代写法
		string(const string& s)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}

		// 赋值重载传统写法
		/*
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				delete[] _str;

				_str = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(_str, s._str);
				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}

			return *this;
		}*/

		/* 还是不够简单
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				string tmp(s);

				swap(tmp);
			}
			return *this;
		}*/
		
		// 赋值重载的现代写法
		string& operator=(string tmp)
		{
			swap(tmp);

			return *this;
		}

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

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

		void clear()
		{
			_str[0] = '\0';
			_size = 0;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}

		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		void reserve(size_t n);
		void push_back(char ch);
		void append(const char* str);
		string& operator+=(char ch);
		string& operator+=(const char* str);

		void insert(size_t pos, char ch);
		void insert(size_t pos, const char* str);
		void erase(size_t pos, size_t len = npos);

		size_t find(char ch, size_t pos = 0);
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);
	private:
		char* _str = nullptr;
		size_t _size = 0;
		size_t _capacity = 0;

		//static const size_t npos = -1;
		static const size_t npos;
	};

	bool operator<(const string& s1, const string& s2);
	bool operator<=(const string& s1, const string& s2);
	bool operator>(const string& s1, const string& s2);
	bool operator>=(const string& s1, const string& s2);
	bool operator==(const string& s1, const string& s2);
	bool operator!=(const string& s1, const string& s2);

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s);
	istream& operator>>(istream& in, string& s);
}

string.cpp

#include "string.h"

namespace zkp
{
	const size_t string::npos = -1;

	void string::reserve(size_t n)
	{
		if (n > _capacity)
		{
			char* tmp = new char[n + 1];
			strcpy(tmp, _str);
			delete[] _str;
			_str = tmp;
			_capacity = n;
		}
	}

	void string::push_back(char ch)
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
		}

		_str[_size++] = ch;
		_str[_size] = '\0';
	}

	string& string::operator+=(char ch)
	{
		push_back(ch);
		return *this;
	}

	void string::append(const char* str)
	{
		size_t len = strlen(str);
		if (_size + len > _capacity)
		{
			reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
		}

		strcpy(_str + _size, str);
		_size += len;
	}

	string& string::operator+=(const char* str)
	{
		append(str);
		return *this;
	}

	void string::insert(size_t pos, char ch)
	{
		assert(pos <= _size);

		if (_size == _capacity)
		{
			reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
		}

		size_t end = _size + 1;
		while (pos < end)
		{
			_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 > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
		}

		size_t end = _size + len;
		while (pos < end)
		{
			_str[end] = _str[end - 1];
			--end;
		}

		for (int i = 0; i < len; ++i)
		{
			_str[i + pos] = str[i];
		}

		_size += len;
	}

	void string::erase(size_t pos, size_t len)
	{
		assert(pos < _size);

		if (len >= _size - pos)
		{
			_str[pos] = '\0';
			_size = pos;
		}
		else
		{
			for (size_t i = pos + len; i <= _size; ++i)
			{
				_str[i - len] = _str[i];
			}
			_size -= len;
		}
	}

	size_t 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 string::find(const char* str, size_t pos)
	{
		assert(pos < _size);

		const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
		if (ptr == nullptr)
		{
			return npos;
		}
		else
		{
			return ptr - _str;
		}
	}

	string string::substr(size_t pos, size_t len)
	{
		assert(pos < _size);

		// len 大于剩余字符长度，更新一下len
		if (len > _size - pos)
		{
			len = _size - pos;
		}

		string sub;
		sub.reserve(len);
		for (size_t i = 0; i < len; ++i)
		{
			sub += _str[pos + i];
		}

		return sub;
	}

	bool operator<(const string& s1, const string& s2)
	{
		return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
	}

	bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return s1 < s2 || s1 == s2;
	}

	bool operator>(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1 <= s2);
	}

	bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1 < s2);
	}

	bool operator==(const string& s1, const string& s2)
	{
		return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
	}

	bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
	{
		return !(s1 == s2);
	}

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		for (auto ch : s)
		{
			out << ch;
		}
		return out;
	}

	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();

		const int N = 256;
		char buf[N];
		int i = 0;

		char ch;
		//in>>ch
		ch = in.get();
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buf[i++] = ch;
			if (i == N - 1)
			{
				buf[N] = '\0';
				s += buf;

				i = 0;
			}

			ch = in.get();
		}

		if (i > 0)
		{
			buf[i] = '\0';
			s += buf;
		}
		return in;
	}
}

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